影響航空TDICCD相機分辨率的分析

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

影響航空TDICCD相機分辨率的分析

許兆林，劉建東

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

長焦距、高分辨率的航空TDICCD相機是航空偵察發(fā)展的方向之一。根據(jù)掃描反光鏡航空TDICCD相機的特點，分析研究了反光鏡穩(wěn)定精度、大氣壓力和溫度、速高比引入誤差和調(diào)光控制等對攝影分辨率的影響。采用恒溫恒壓艙、自動調(diào)焦調(diào)光和速高比自動引入等技術(shù)，可提高航拍時長焦距TDICCD相機的分辨率。

像元分辨率；穩(wěn)像；環(huán)境；速高比；調(diào)光

分辨率是評價航空攝影成像質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，膠片型與CCD數(shù)字型航空相機用不同含義的分辨率表示。航空CCD相機用像元分辨率來定量評定其幾何分辨率。像元分辨率是指CCD的一個像元對應(yīng)地面尺寸的大小。其表示式為：

式中：PR——像元分辨率；H——高度；f——鏡頭焦距；a——像元尺寸。

從公式（1）可以看出，航空攝影要提高地面像元分辨率，就要增大鏡頭的焦距和減小像元的尺寸。增大鏡頭的焦距，相機重量增加；而減小像元尺寸會導(dǎo)致靈敏度的降低，因此，應(yīng)綜合考慮。由于采用時間延遲積分的TDICCD傳感器，航空TDICCD相機空中攝影時對一個目標(biāo)可進(jìn)行多次曝光，使積分時間增加；因此可采用相對孔徑小的鏡頭，解決了鏡頭因焦距長重量增加的問題。長焦距航空TDICCD相機成像時地面景物通過掃描反光鏡擺掃、通過鏡頭成像在TDICCD成像面上，從而實現(xiàn)對地面景物大范圍的掃描成像。有很多因素影響著航空TDICCD相機獲得高分辨率的圖像。本文對影響航空TDICCD相機分辨率的反光鏡穩(wěn)定精度、大氣壓力和溫度、速高比誤差和光量誤差等因素進(jìn)行了分析和研究。

1 掃描反光鏡穩(wěn)定精度的影響

在航空攝影系統(tǒng)中，圖像的高度穩(wěn)定性對攝影分辨率具有決定性的作用。目前國內(nèi)外均采用像穩(wěn)定技術(shù)來解決這一問題。長焦距航空相機由于體積大而重，不適合整體穩(wěn)定的方法，即不適合將相機整體安裝在穩(wěn)像平臺上,而是采用反光鏡局部穩(wěn)像方式，如圖1所示，設(shè)計的穩(wěn)像平臺一般采用多閉環(huán)的復(fù)合控制方案，將電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、穩(wěn)像環(huán)以及位置環(huán)組合起來形成多回路系統(tǒng)，其中穩(wěn)像環(huán)回路是反光鏡穩(wěn)像平臺控制系統(tǒng)中的一個最重要環(huán)節(jié)。穩(wěn)像環(huán)回路的設(shè)計基本上都還是采用了經(jīng)典的速率陀螺穩(wěn)定技術(shù)，各種改進(jìn)的方法都是在基本穩(wěn)定回路的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)中某種影響較大的因素加以補償。速率陀螺穩(wěn)定是利用兩個速率陀螺來測量橫滾、俯仰和偏航方向上的空間角速度，在曝光過程中，反光鏡穩(wěn)像平臺通過速率陀螺獲得系統(tǒng)光軸的偏移信息，其輸出電壓經(jīng)控制電路、功放電路送給力矩電機，控制反光鏡旋轉(zhuǎn)，消除影像前移、橫滾、俯仰和偏航的影響，達(dá)到圖像高度穩(wěn)定的目的。

圖1 反光鏡穩(wěn)像平臺系統(tǒng)

因此，反光鏡穩(wěn)定精度對成像質(zhì)量有較大影響，這個精度可以由像元尺寸與鏡頭焦距來決定。當(dāng)曝光時反光鏡將像點穩(wěn)定在一個像元尺寸之內(nèi)，其穩(wěn)定精度較高；反之，穩(wěn)定精度較低。焦距大的鏡頭比焦距小的鏡頭對穩(wěn)定精度要求高。例如，焦距450mm，像元尺寸9mm，要求其穩(wěn)定精度不低于20mrad。而焦距900mm，像元尺寸9mm，要求其穩(wěn)定精度不低于10mrad。要想提高穩(wěn)定精度，必須找出影響穩(wěn)定精度的原因，加以解決。影響反光鏡穩(wěn)定精度的因素主要有以下幾方面：外部產(chǎn)生的干擾力矩以及執(zhí)行部件自身產(chǎn)生的力矩波動；陀螺產(chǎn)生的漂移以及安裝誤差；電源以及穩(wěn)定環(huán)節(jié)輸入信號帶來的誤差等，這些對設(shè)計安裝環(huán)節(jié)提出更高指標(biāo)要求才能獲得高的穩(wěn)定精度。

2 環(huán)境的影響

航空TDICCD相機攝影時受大氣壓力和溫度等的影響，使其成像分辨率下降。拍照高度變化，大氣壓力發(fā)生改變，空氣折射率隨著變化，使焦距改變，離焦量變化可根據(jù)公式（2）計算：

式中：p——大氣壓力；0p——標(biāo)準(zhǔn)氣壓；an——空氣折射率；gn——玻璃折射率。

環(huán)境溫度變化，鏡箱熱脹冷縮，鏡頭玻璃的曲率半徑也發(fā)生變化，產(chǎn)生溫度離焦，離焦量公式為：

式中： α——線膨脹系數(shù) ；

φ——溫度變化1℃鏡頭的離焦系數(shù)；

ΔΤ——溫度變化量。

攝影時，大氣壓力和溫度發(fā)生改變都使離焦量增大，造成成像模糊，降低攝影分辨率。解決大氣壓力和溫度對TDICCD相機分辨率影響的方法最好是采用恒溫恒壓艙，使相機在溫度和壓力不變的艙里工作，也可采用調(diào)焦方式消除離焦量。

3 速高比誤差的影響

航空攝影時，像移速度與速高比有關(guān)。為保證成像質(zhì)量，TDICCD驅(qū)動時序電路的工作頻率與像移速度嚴(yán)格同步。對于TDICCD器件，它的工作原理是：某行某一列的第一個像元在第一個光積分時間內(nèi)的電荷并不輸出，而是移向同列第二個像元并與第二個像元在第二個積分時間內(nèi)的電荷包相加，最后一行的像元集中了本身和前面所有電荷包。可見TDICCD輸出信號的幅度是多行電荷包的累加，其積分行數(shù)分為8、16、32……等級數(shù)M，這樣TDICCD輸出幅度比普通CCD擴大了8倍、16倍、32倍……。這種工作方式，只有同一列上的每一個像元都對同一目標(biāo)積分，才能保證圖像清晰。

TDICCD相機的控制方式分為沿航跡方向推掃和穿航跡方向擺掃兩種。對于沿航跡方向推掃成像是通過飛機的運動完成一幅圖像。飛機運動時，像在移動，其象移速度為：

其中：HW/為速高比。如像元尺寸為a，移動一行的時間tΔ（延遲積分時間）與TDICCD的行周期T相等，即：

TDICCD的工作頻率：

在鏡頭焦距和像元尺寸一定時，TDICCD的工作頻率與速高比有關(guān)。速高比變化時，TDICCD的工作頻率也要隨著改變。由于工作頻率誤差很小，而引入的速高比誤差較大。

實驗室通過改變速高比值進(jìn)行試驗，見圖2，試驗表明：速高比誤差小于2%，對分辨率影響較小。

圖2 TDICCD室內(nèi)成像框圖

飛機上通過導(dǎo)航系統(tǒng)實時引入相機的速高比，其誤差一般都小于2%。但如果人工裝訂速高比，由于受表頭誤差和視誤差的影響，其速高比裝訂誤差一般都大于2%，因此，拍照時減小速高比引入誤差，可提高攝影分辨率。

4 光量的影響

入射在TDICCD像元的照度和積分時間之乘積是光量。調(diào)光時TDICCD像元的電荷包飽和會自動溢出流入襯底或向鄰近像元泄溢而產(chǎn)生暈光現(xiàn)象，造成影像模糊；電荷不足則引起信噪比（NS/）下降，進(jìn)而降低分辨率。實驗室通過對分辨率板在不同光量時的測試，得到的結(jié)論是：光量正確時，分辨率最高；光量比正確時增加或減小1倍、2倍、3倍，分辨率則下降5%、10%、20%。因此，進(jìn)行調(diào)光控制獲得正確光量是提高分辨率的一個重要措施。

在航空TDICCD相機中，是采用長焦距、小相對孔徑的鏡頭，根據(jù)調(diào)光方程：

式中：0H——CCD像元的光量；τ——鏡頭的透過率；fD/——相對孔徑；L——地面景物的亮度；t——快門時間。對TDICCD，快門時間是指對某一個目標(biāo)進(jìn)行M次見光的時間。

（6）代入（5），整理得：

（7）式中，0H對應(yīng)TDICCD正確光量為某一定值，τ、a、f對TDICCD相機也為一定值，fD/隨速高比HW/、景物亮度L和級數(shù)M變化。在相機自動調(diào)光控制中，級數(shù)M一定，fD/自動改變大小。圖3是自動調(diào)光控制原理框圖，景物的亮度L通過測光元件獲得，引入飛機HW/；計算機根據(jù)景物亮度和HW/控制光圈的大小，以獲得正確光量。

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