航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)離焦模糊的影響

李英杰，劉建東，王尚強(qiáng)

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)， 山東 青島 266041)

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)離焦模糊的影響

李英杰，劉建東，王尚強(qiáng)

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)， 山東 青島 266041)

仿真分析了離焦模糊在不同飛行高度下的變化規(guī)律，給出了航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制原理，研究了調(diào)焦機(jī)構(gòu)各模塊不同故障點(diǎn)時(shí)圖像離焦模糊量的表現(xiàn)特征，為利用圖像數(shù)據(jù)診斷航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)故障提供理論依據(jù)。

航空相機(jī)；離焦模糊；自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)

航空相機(jī)采用自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)消除飛行高度、工作環(huán)境變化產(chǎn)生的離焦問題，從而保證相機(jī)的高分辨率。關(guān)于離焦問題研究主要集中在調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)和離焦模糊圖像的復(fù)原,航空相機(jī)主要采用光學(xué)自準(zhǔn)直法、圖像處理法以及程序計(jì)算法等幾種自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)，其中光學(xué)自準(zhǔn)直法是應(yīng)用較廣泛的航空相機(jī)調(diào)焦技術(shù)[1-4]；文獻(xiàn)[5-8]研究了維納濾波法、相位相關(guān)法、微分圖像自相關(guān)法等離焦模糊圖像的復(fù)原問題。而對(duì)于航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)離焦模糊的影響問題研究較少，本文從航空相機(jī)使用維護(hù)角度出發(fā)，研究了離焦模糊特點(diǎn)以及調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)離焦模糊的影響，為利用圖像數(shù)據(jù)診斷航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)故障提供理論依據(jù)。

1 離焦模糊

幾何光學(xué)理論認(rèn)為，點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)成像仍為一個(gè)點(diǎn)，但當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)像面與感光器件(CCD器件)感光面存在位置偏差，稱之為離焦量，這時(shí)感光面上接受的為彌散圓而非理想像點(diǎn)，彌散圓半徑超標(biāo)時(shí)反映在圖像上就是離焦模糊，相機(jī)分辨率下降。如圖1所示，p、q分別為物距和像距，D為鏡頭孔徑，Δf為離焦量，R為彌散圓半徑。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)離焦原理

1.1 離焦模糊量

相機(jī)離焦產(chǎn)生的圖像模糊是由于彌散圓超標(biāo)，因此彌散圓半徑R可作為離焦模糊量表征參數(shù)，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)離焦原理分析，離焦模糊量公式為

(1)

式(1)中：f為鏡頭焦距；F=f/D為光圈系數(shù)。

航空相機(jī)高度一般為幾千米，物距pgt;gt;f，則離焦模糊量簡(jiǎn)化為

R≈ΔfF/2

(2)

1.2 離焦影響因素

引起航空相機(jī)離焦的因素大致可分為兩類，一類是工作環(huán)境(如大氣壓力、工作溫度)的變化，使得大氣光學(xué)特性、鏡頭特性變化，造成相機(jī)鏡頭焦距變化；另一類是飛行高度、照相傾斜角度變化形成的攝影斜距變化，引起成像像距改變[9]。

1.2.1 環(huán)境因素的影響

相機(jī)環(huán)境的大氣壓力與載機(jī)平臺(tái)飛行高度有關(guān)，變化規(guī)律為

(3)

式(3)中：P為當(dāng)前大氣壓力；P0為基準(zhǔn)高度時(shí)的大氣壓力；T為溫度。

隨著載機(jī)平臺(tái)飛行高度增加，大氣壓力下降，空氣密度變小，空氣折射率發(fā)生改變，造成相機(jī)鏡頭焦距變化，產(chǎn)生壓力離焦量，近似為

(4)

式(4)中：na為空氣折射率；ng為玻璃折射率。

航空相機(jī)飛行高度改變大氣壓力的同時(shí)，溫度也會(huì)下降。溫度的變化引起光學(xué)玻璃、鏡框金屬的熱脹冷縮，使得光學(xué)玻璃曲率半徑、鏡片間隔和鏡箱尺度發(fā)生改變，同樣也引起鏡頭焦距變化，從而產(chǎn)生溫度的離焦。溫度離焦量近似為

Δf= (fα-Ф)ΔT

(5)

式(5)中：α為鏡框金屬線膨脹系數(shù)；Ф為溫度變化1 ℃時(shí)鏡頭的離焦系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

1.2.2 攝影斜距影響

由式(4)、式(5)疊加可以得到相機(jī)工作環(huán)境對(duì)離焦量的綜合影響，其實(shí)是因大氣壓力和溫度的綜合影響改變了相機(jī)鏡頭焦距而產(chǎn)生的。而隨著攝影高度、攝影傾斜角度的改變，攝影斜距改變?cè)斐上窬嗟牟煌?，如圖2所示。在同一攝影高度下，隨著傾斜角度變化，像面呈現(xiàn)曲面變化，而不同高度時(shí)的曲面位置不同。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)高斯成像公式，攝影斜距離焦量公式為

(6)

式(6)中，θ為攝影傾斜角。

圖2 攝影斜距對(duì)離焦影響

2 離焦模糊特點(diǎn)

航空相機(jī)離焦量的產(chǎn)生是由于飛行高度的變化引起的。利用上述公式可以計(jì)算得到不同攝影高度時(shí)產(chǎn)生的離焦量和圖像離焦模糊量大小，公式中參數(shù)分別取為：相機(jī)焦距f=750 mm,光圈系數(shù)F=5.6，空氣折射率na=1.000 27，玻璃折射率ng=1.5，基準(zhǔn)大氣壓力P0=760 mmHg，線膨脹系數(shù)α=2.3×10-5，鏡頭離焦溫度系數(shù)Ф=0.013 mm/℃，可計(jì)算得到離焦量和離焦模糊量在飛行高度H=1 000～8 000 m范圍內(nèi)的變化規(guī)律。圖3(a)為攝影傾斜角分別為0°、20°、45°、60°時(shí)斜距離焦模糊量隨高度變化曲線，以及溫度大氣壓力離焦模糊量隨高度變化曲線；圖3(b)為攝影傾斜角分別為0°、20°、45°、60°時(shí)斜距和工作環(huán)境綜合影響下離焦模糊量隨高度變化曲線。

圖3 離焦模糊量變化曲線

綜合分析圖3變化曲線，可得到攝影斜距、溫度、大氣壓力引起離焦模糊量隨高度變化特點(diǎn)如下：

1) 攝影斜距離焦模糊隨著飛行高度的降低而增大，并且傾角越小對(duì)應(yīng)的離焦量和離焦模糊量越大；

2) 環(huán)境因素(大氣壓力、溫度)引起的離焦模糊隨著高度的增加而顯著增大；

3) 飛行高度Hgt;3 000 m時(shí)，環(huán)境因素引起的離焦模糊遠(yuǎn)大于攝影斜距因素產(chǎn)生的離焦模糊，工作環(huán)境、攝影斜距兩類因素綜合產(chǎn)生的離焦模糊具有隨著高度增加而增加、隨著攝影傾角增大而增加的特點(diǎn)；

4) 飛行高度在1 500～3 000 m時(shí)，環(huán)境因素與攝影斜距兩者引起的離焦量和離焦模糊相當(dāng)，但可以通過是否隨攝影傾斜角變化來區(qū)分離焦模糊產(chǎn)生的原因，另外，兩類因素綜合產(chǎn)生的離焦模糊較?。?/p>

5) 當(dāng)飛行高度過低(Hlt;1 500 m)時(shí)，攝影斜距離焦量遠(yuǎn)大于環(huán)境因素引起的離焦量，兩類因素綜合產(chǎn)生的離焦模糊隨著飛行高度的增加而減少、也隨著攝影傾角的增加而減少。

3 航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)

3.1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)原理

長(zhǎng)焦距大口徑航空相機(jī)采用移動(dòng)反射鏡的調(diào)焦方式，光學(xué)系統(tǒng)由鏡頭、掃描反射鏡、調(diào)焦反射鏡、感光器件組成，如圖4所示。相機(jī)的正常攝影成像光路要求掃描反射鏡與光軸成45°狀態(tài)。為消除工作環(huán)境和攝影斜距不同的離焦量，調(diào)焦過程由兩個(gè)階段完成：首先相機(jī)采用光學(xué)自準(zhǔn)直原理消除大氣壓力、溫度離焦量[10-11]，這時(shí)掃描反射鏡與光軸呈垂直狀態(tài)，利用光學(xué)自準(zhǔn)直檢焦器件信號(hào)，控制調(diào)焦反射鏡軸向移動(dòng)確定當(dāng)前焦點(diǎn)位置；然后以此位置為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算出不同飛行高度、不同傾斜角度時(shí)對(duì)應(yīng)的離焦量，驅(qū)動(dòng)調(diào)焦反射鏡到調(diào)焦位置。

圖4 航空相機(jī)成像系統(tǒng)示意圖

調(diào)焦系統(tǒng)控制原理框圖如圖5，系統(tǒng)由調(diào)焦控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換器、調(diào)焦電位計(jì)、調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)、自準(zhǔn)直檢焦器件、焦面電位計(jì)等組成。為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的調(diào)焦，調(diào)焦機(jī)構(gòu)按功能劃分為以下幾部分：(1)調(diào)焦控制器，完成整個(gè)調(diào)焦系統(tǒng)的計(jì)算和控制；(2)參數(shù)輸入模塊，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦系統(tǒng)與相機(jī)本體系統(tǒng)的產(chǎn)生輸入，包括工作產(chǎn)生、指令等；(3)自準(zhǔn)直檢焦采集模塊，包括檢焦模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等，實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直檢焦信號(hào)的采集；(4)焦面反射鏡控制模塊，包括位置反饋單元和驅(qū)動(dòng)單元，位置反饋由焦面電位計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換器件組成，實(shí)現(xiàn)焦面反射鏡位置的反饋，調(diào)焦驅(qū)動(dòng)單元由驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)焦面反射鏡位置的調(diào)整。

圖5 調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制原理框圖

3.2 對(duì)離焦模糊量的影響分析

航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)各模塊的工作狀態(tài)直接影響離焦量的調(diào)整精度，反映在圖像上就是離焦模糊量。根據(jù)上述調(diào)焦控制關(guān)系以及圖像離焦模糊特點(diǎn)，可以進(jìn)一步分析出調(diào)焦機(jī)構(gòu)各組件對(duì)離焦模糊量的影響程度。表1給出了幾種調(diào)焦機(jī)構(gòu)故障與離焦模糊量特點(diǎn)的對(duì)應(yīng)表。

1) 控制器故障。當(dāng)該模塊出現(xiàn)該故障時(shí)，相機(jī)兩個(gè)階段的調(diào)焦均不能完成，此時(shí)的離焦量完全沒有調(diào)整，圖像離焦模糊具有的特點(diǎn)是：在高空拍攝時(shí)高度越大離焦模糊量越大、攝影傾角越大離焦模糊量越大；在低空(小于1 500 m)時(shí)高度越大離焦模糊量越小、攝影傾角越大離焦模糊量越小。

2) 自準(zhǔn)直數(shù)據(jù)采集故障。由于此故障影響相機(jī)自準(zhǔn)直階段的調(diào)焦，斜距調(diào)焦正常，圖像出現(xiàn)工作環(huán)境產(chǎn)生的離焦模糊，因此圖像的離焦模糊特征是：飛行高度較低時(shí)，離焦模糊量較?。欢w行高度較大時(shí)，離焦模糊量較大；并且不同傾斜角時(shí)不同幀圖像的離焦模糊量一致。

3) 參數(shù)輸入故障。當(dāng)RS424接口出現(xiàn)故障，使得調(diào)焦控制器無法得到正確的參數(shù)和指令，調(diào)焦系統(tǒng)完全無法工作，表現(xiàn)在圖像離焦模糊參數(shù)上的特點(diǎn)與調(diào)焦控制器故障相同。當(dāng)參數(shù)輸入出現(xiàn)飛行高度、傾斜角度參數(shù)缺失時(shí)，造成斜距調(diào)焦修正調(diào)焦不正確，而自準(zhǔn)直檢調(diào)焦階段調(diào)整正常，圖像表現(xiàn)出的離焦模糊特點(diǎn)為：在不同傾斜角時(shí)的圖像離焦模糊量不同，隨著傾斜角增大而增大；并且飛行高度較低時(shí)，離焦模糊量較大。

4) 焦面反射鏡控制故障。該故障造成自準(zhǔn)直檢調(diào)焦和斜距補(bǔ)償調(diào)焦時(shí)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)焦面反射鏡的精確控制，使得相機(jī)的調(diào)焦系統(tǒng)完全不能正常工作，表現(xiàn)在圖像離焦模糊參數(shù)上的特點(diǎn)與調(diào)焦控制器故障相同。

4 應(yīng)用案例

某型航空相機(jī)在一次多高度多航線攝影時(shí),出現(xiàn)圖像模糊。選取兩組不同飛行高度(7 400 m、3 010 m)不同傾斜角度(0°、10°、20°)的圖像，進(jìn)行離焦模糊量估值，估值結(jié)果見表2。由表2可知：相機(jī)在7 400 m高度時(shí)離焦模糊量遠(yuǎn)大于3 010 m的圖像模糊量，而兩個(gè)高度下不同傾斜角的離焦模糊量差別不大。根據(jù)調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)模糊量的影響分析，以及表1給出的對(duì)應(yīng)特點(diǎn)，可以判斷該相機(jī)出現(xiàn)了調(diào)焦機(jī)構(gòu)的自準(zhǔn)直檢焦數(shù)據(jù)采集模塊故障。本次故障定位采用圖像離焦模糊估計(jì)的方法，快速確定了相機(jī)故障點(diǎn)。常規(guī)故障診斷采用電信號(hào)測(cè)量手段，不可避免的需要對(duì)設(shè)備反復(fù)拆解、“帶病”通電，而故障信號(hào)又往往不易復(fù)現(xiàn)。與常規(guī)方法相比，該方法只需對(duì)模糊圖像進(jìn)行軟手段處理，即可快速確定故障點(diǎn)，避免了常規(guī)電信號(hào)檢測(cè)的缺點(diǎn)。

表1 調(diào)焦故障點(diǎn)與圖像離焦模糊量特點(diǎn)對(duì)應(yīng)表

表2 離焦模糊量估值

5 結(jié)論

載機(jī)平臺(tái)飛行高度的變化引起航空相機(jī)工作環(huán)境、攝影斜距的改變，不同因素產(chǎn)生的圖像離焦模糊量變化規(guī)律不同，而航空相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)不同因素產(chǎn)生的離焦量修正措施不同，因此調(diào)焦機(jī)構(gòu)各工作模塊對(duì)離焦模糊的影響不同。本文在仿真分析離焦模糊變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了調(diào)焦機(jī)構(gòu)各模塊不同故障點(diǎn)時(shí)圖像離焦模糊量的表現(xiàn)特征，為運(yùn)用航空相機(jī)圖像數(shù)據(jù)開展調(diào)焦機(jī)構(gòu)的故障診斷提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

InfluenceofFocusingMechanismonDefocusingBlurinAerialCamera

LI Yingjie, LIU Jiandong, WANG Shangqiang

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical University, Qingdao 266041, China)

The models of defocusing amount and defocusing blur amount were set up, and the change law of defocusing blur was analyzed by simulating with different heights. It analyzed the control relation of auto-focusing mechanism in aerial camera. At last, and the effect rule was provided of focusing modules on defocusing blur. That can be used for theoretical basis to estimate fault points of the auto-focusing mechanism based on image data.

aerial camera; defocusing blur;auto-focusing mechanism

2017-07-10；

2017-07-31

李英杰(1972—)，男，碩士，副教授，主要從事航空光電偵察技術(shù)、航空裝備保障研究。

10.11809/scbgxb2017.11.037

本文引用格式：李英杰，劉建東，王尚強(qiáng).航空相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)離焦模糊的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):169-172.

formatLI Yingjie, LIU Jiandong, WANG Shangqiang.Influence of Focusing Mechanism on Defocusing Blur in Aerial Camera[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):169-172.

V556.5

A

2096-2304(2017)11-0169-04