航空光學(xué)成像與測量技術(shù)新進(jìn)展

田大鵬，邵曉鵬

(1.中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033;3.西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

1 引 言

航空光學(xué)成像與測量技術(shù)利用各類飛行器(包括有人機(jī)、無人機(jī)、浮空器等)搭載光學(xué)有效載荷，在對流層至臨近空間的廣闊空域內(nèi)對陸、海、空、天目標(biāo)進(jìn)行探測、成像、識別與測量等。與航天光學(xué)遙感相比，航空成像與測量在時效性、靈活性、分辨率以及成本方面具有突出優(yōu)勢。在云層遮擋導(dǎo)致航天遙感無法拍攝到地面圖像的條件下，航空器可以在云層以下飛行成像，彌補(bǔ)航天遙感的不足。與航空微波成像相比，光學(xué)成像與測量利用被動接收的光輻射，隱蔽性更好，并且能夠獲取實(shí)時、直觀的彩色圖像，可判讀性更佳。航空成像與測量技術(shù)無論從搭載平臺的角度還是體制機(jī)制的角度，都是不可或缺的遙感手段。

實(shí)現(xiàn)航空成像與測量的光學(xué)載荷受航空飛行環(huán)境的影響很大。航空器有限的運(yùn)載能力對光學(xué)載荷的體積、重量、功耗提出了嚴(yán)格的約束，而對成像距離、測量精度、溫度適應(yīng)能力等性能又提出的嚴(yán)苛的要求。解決航空飛行環(huán)境的強(qiáng)約束條件與高性能指標(biāo)的矛盾成為航空光電成像與測量技術(shù)的核心問題。在大氣中飛行時，光學(xué)載荷受到載機(jī)姿態(tài)晃動、嚴(yán)重的震動以及氣動力(矩)的影響，視軸很難穩(wěn)定指向和跟蹤成像目標(biāo)，降低觀測質(zhì)量；由于載機(jī)前向飛行或處于擴(kuò)大收容范圍的目的采用主動掃描成像的工作方式會在成像過程中帶來像移的影響導(dǎo)致圖像模糊；航空器從地面升至高空的過程中，光學(xué)載荷工作的環(huán)境溫度、氣壓快速地大范圍變化，對光學(xué)成像構(gòu)成嚴(yán)重影響；大氣對光的折射、散射、吸收等作用限制了大氣層內(nèi)的成像和測量距離。這些問題的解決需要從體制機(jī)制的層面上在精密光學(xué)、精密機(jī)械、精確控制等角度進(jìn)行交叉研究和創(chuàng)新設(shè)計，結(jié)合計算機(jī)圖像處理技術(shù)最大程度地挖掘、提升航空光電成像性能。

“航空光學(xué)成像與測量技術(shù)”專題面向解決限制航空光電載荷性能的各項(xiàng)因素，從系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、運(yùn)動控制、環(huán)境適應(yīng)性和圖像信息增強(qiáng)與智能處理等角度，提出了若干創(chuàng)新思想和創(chuàng)新成果，對光學(xué)成像載荷相關(guān)研究具有一定的引導(dǎo)和啟示作用。

航空光電載荷的光學(xué)設(shè)計是實(shí)現(xiàn)高性能成像的基礎(chǔ)。小型化、高傳函、低畸變的光學(xué)設(shè)計始終是一項(xiàng)重要課題。論文[1]針對廣域高分辨率成像需求，采用伽利略型共心多尺度成像結(jié)構(gòu)將球透鏡與次級相機(jī)陣列進(jìn)行級聯(lián)，理論視場可接近180°；通過設(shè)計相機(jī)陣列的排列方式進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。調(diào)制傳遞函數(shù)曲線在270 lp/mm處達(dá)到0.3，全視場彌散斑半徑均方根值最大為1.398 μm，場曲在0.03 mm以內(nèi)，畸變小于±0.3%。論文[2]針對復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)距離暗弱點(diǎn)目標(biāo)探測的需求設(shè)計了中波/長波紅外雙波段雙視場系統(tǒng)，采用高階非球面減少鏡片數(shù)量，提高透過率；光學(xué)被動消熱差設(shè)計實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)-40℃～60℃溫度范圍內(nèi)的無熱化設(shè)計。

對目標(biāo)進(jìn)行探測除了需要高性能的光學(xué)設(shè)計外，對目標(biāo)的輻射特性以及大氣傳輸特性的研究也十分必要。論文[3]針對現(xiàn)有空基紅外系統(tǒng)對作用距離的影響因素考慮較少的問題，開展空寂紅外系統(tǒng)作用距離建模研究，構(gòu)建了綜合目標(biāo)輻射特性、大氣溫度和紅外系統(tǒng)高度等因素的探測模型，在指導(dǎo)小目標(biāo)探測系統(tǒng)設(shè)計方面具有一定的應(yīng)用前景。與對空探測相比，采用航空光學(xué)成像的手段對海探測是近年來新興的熱點(diǎn)。論文[4]考慮了對海成像和海上目標(biāo)識別的應(yīng)用需求，建立了海面微面元的偏振雙向反射分布函數(shù)模型。與傳統(tǒng)的紅外強(qiáng)度成像相比，紅外偏振成像可以提供更多海面細(xì)節(jié)信息，目標(biāo)與海面的偏振特性差異更加明顯，對比度更高。

光學(xué)系統(tǒng)在制造過程中需要對光學(xué)元件的面型進(jìn)行檢測。通常依靠干涉測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目的。論文[5]提出了一種針對傳統(tǒng)窗口傅里葉變換相位提取算法中選取小尺寸窗口抑制線性相位誤差的改進(jìn)方法，確定了可使線性相位誤差抑制度達(dá)到最大的最優(yōu)窗口尺寸選取原則，線性誤差抑制程度得到了明顯提高。

與單一波段的成像相比，光譜成像能夠獲得更豐富的景物信息，在應(yīng)用中越來越受到重視。論文[6]綜述了快照式光譜成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀。系統(tǒng)地分析了不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)的快照式光譜成像的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)與現(xiàn)狀。論文對相關(guān)領(lǐng)域的研究人員快速全面掌握快照式光譜成像儀的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢具有指導(dǎo)意義，為未來相關(guān)載荷性能提升指出了研究方向。

光學(xué)是載荷的核心，而要充分發(fā)揮出光學(xué)設(shè)計的性能還需要精密機(jī)械和精密控制的有力支撐。航空器在高空飛行時環(huán)境溫度較低，與地面狀態(tài)相差很大。光學(xué)系統(tǒng)往往由于環(huán)境參數(shù)變化帶來的幾何尺寸變形產(chǎn)生一定的離焦。在成像飛行任務(wù)過程中在線檢、調(diào)焦具有重要意義。自準(zhǔn)直檢焦是當(dāng)前航空光電載荷常用的檢焦方法。論文[7]分析了低溫對自準(zhǔn)直檢焦系統(tǒng)的影響，結(jié)合工程應(yīng)用的需求進(jìn)行了仿真，對低溫條件下工作的航空光電載荷設(shè)計具有指導(dǎo)意義。論文[8]則從元器件的角度研究了基于Ronchi光柵的自準(zhǔn)直檢焦方法，提出了光柵自準(zhǔn)直檢焦的模型，給出了Ronchi光柵周期的選擇方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

針對飛行載荷姿態(tài)擾動補(bǔ)償，論文[9]提出了一種精密鋼絲繩傳動的光電穩(wěn)定平臺設(shè)計。利用鋼絲繩傳動的實(shí)現(xiàn)了大減速比、高傳動剛度的機(jī)械框架，在較輕的自重條件下能夠?qū)崿F(xiàn)較大的負(fù)載能力，通過外場試驗(yàn)驗(yàn)證了其實(shí)現(xiàn)的大負(fù)載視軸穩(wěn)定性能。論文[10]則考慮了飛機(jī)姿態(tài)、速度、高度等飛行參數(shù)對拍照重疊率的影響?；谧鴺?biāo)變換的方法，分析了載機(jī)姿態(tài)運(yùn)動時成像區(qū)域與預(yù)期區(qū)域的偏離情況，給出了相機(jī)補(bǔ)償量的計算公式，從參數(shù)修正的角度有效抑制了航拍過程中重疊率的變化。

除實(shí)現(xiàn)成像外，航空光學(xué)載荷還能夠根據(jù)自身內(nèi)部軸角與載機(jī)坐標(biāo)對景物目標(biāo)進(jìn)行定位測量。論文[11]針對大傾角遠(yuǎn)距離航空成像定位測量，進(jìn)行了系統(tǒng)誤差分析與建模，給出了包含系統(tǒng)誤差修正模型的對地目標(biāo)定位算法，提出一種一句地面控制點(diǎn)估計殘差參數(shù)的方法可有效減小定位誤差，提高定位精度。

在航空光電載荷中，對視軸指向進(jìn)行控制以補(bǔ)償載機(jī)姿態(tài)擾動和補(bǔ)償成像像移也是一項(xiàng)重要的研究課題。針對航空光電成像載荷中的控制問題，論文[12]提出了一種等價捷聯(lián)慣性穩(wěn)定控制方法。常見的視軸穩(wěn)定控制是將角速率陀螺與光學(xué)系統(tǒng)固連，通過直接測量視軸的慣性角速度構(gòu)建反饋控制實(shí)現(xiàn)慣性穩(wěn)定。而陀螺與安裝基座捷聯(lián)則可以測量載機(jī)的角運(yùn)動，通過構(gòu)建前饋提高帶寬、減小誤差。該文分析了捷聯(lián)穩(wěn)定平臺安裝基座的影響，考慮了基座捷聯(lián)控制時的振蕩現(xiàn)象并提出了消除振蕩的復(fù)合控制方法，有效提高了光電平臺的隔離度。論文[13]面向一種掃描成像系統(tǒng)的掃描軸控制問題，設(shè)計了快速非奇異終端滑?？刂婆c擴(kuò)張高增益觀測器相結(jié)合的復(fù)合控制方法，提高了系統(tǒng)的魯棒性和轉(zhuǎn)速控制精度。論文[14]面向應(yīng)用于航空光電載荷的音圈電機(jī)驅(qū)動的快速反射鏡控制問題設(shè)計了自抗擾控制器，對快速反射鏡動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都有較好的提升，對于工程設(shè)計具有較高的參考價值。

光學(xué)、機(jī)械和控制共同決定了航空成像的基本性能。而通過計算機(jī)圖像處理則可以最大程度上挖掘獲取到的圖像中的有用信息，提高載荷整體性能。論文[15]針對紅外暗弱目標(biāo)探測問題，提出一種基于改進(jìn)多尺度分形特征的紅外圖像弱小目標(biāo)檢測算法，不僅具有較好的準(zhǔn)確率還實(shí)現(xiàn)了較好的實(shí)時性。對于320×240分辨率的紅外圖像檢測速度接近30 frame/s。論文[16]則面向有霧圖像的增強(qiáng)問題，針對現(xiàn)有去霧處理算法存在的光暈效應(yīng)和色彩失真等問題提出了一種基于四叉樹細(xì)分的改進(jìn)大氣光估計方法以及改進(jìn)的引導(dǎo)濾波算法，有效減弱了去霧圖像中景物邊緣光暈，色彩還原效果較好。

航空對海遙感對于圖像信息處理而言帶來了更復(fù)雜的影響。海上成像容易受到云霧、海雜波等影響；海面圖像單調(diào)，目標(biāo)尺度小且不易辨識。論文[17]為了克服海上目標(biāo)檢測時目標(biāo)尺度多變的問題提出了一種改進(jìn)的復(fù)合檢測方法，克服尺寸敏感的問題，與當(dāng)前廣泛使用的全局閾值分割顯著圖相比，漏檢率更低并且具有較低的虛警率，能夠檢測不同尺寸和方向的艦船目標(biāo)。

近年來，人工智能技術(shù)的再次興起推動了光電載荷智能化程度的發(fā)展，解放了人力。論文[18]針對圖像中的景物自動多標(biāo)簽分類問題，提出一種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類處理方法，解決傳統(tǒng)圖像多標(biāo)簽分類算法準(zhǔn)確率低、泛化性差等問題，與傳統(tǒng)方法相比精確率和召回率都有所提升。

航空光電成像與測量技術(shù)使一項(xiàng)多學(xué)科交叉融合、具有強(qiáng)烈需求牽引和工程實(shí)踐背景的研究課題。在航空強(qiáng)約束條件下繼續(xù)提高光學(xué)載荷的性能指標(biāo)、提高載荷的自動化與智能化程度將成為本領(lǐng)域在一段時期內(nèi)的核心議題。只有以光學(xué)成像的機(jī)理為主線，考慮從目標(biāo)到大氣傳輸介質(zhì)再到成像載荷的全鏈路，通過光學(xué)、機(jī)械、控制、人工智能等多個角度有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像與測量性能的整體提升，并在應(yīng)用中取得更好的效果。