航空相机前向像移补偿精度测量方法(20140705)

航空相机前向像移补偿精度测量方法

摘要：针对基于反射镜补偿前向像移的航空相机地面动态成像试验, 本文提出了一种利用面阵CCD的TDI功能测量补偿精度的方法。在对静止目标成像时, CCD的TDI方向与反射镜补偿像移方向一致, 根据不同的速高比, 分别给CCD设定相应的行频进行动态成像, 通过分析图像数据测量出前向像移补偿精度。实验结果表明, 在曝光时间为1/100s条件下, 反射镜前向像移补偿精度优于3%, 满足航空相机前向像移补偿精度要求。

关键词：航空相机；动态成像实验； TDI；速高比；前向像移补偿；像移补偿精度

中图分类号：TN929.52 文献标识码：A 国家标准学科分类代码: 510.5015

Measurement for the Forward Image Motion Compensation Accuracy

in Aerial Camera

Abstract: For the dynamic imaging test of aerial camera with forward image motion compensation mirror, this paper presents a measurement method of compensation precision with a frame CCD that has the TDI (Time Delay Integration) function. In the imaging of stationary targets, the TDI and the image motion compensation have the same direction. According to different velocity-height ratio, the corresponding line frequency is set. Forward image motion compensation accuracy is measured by analyzing image data. The experimental results show that under the condition of 1/100s exposure time, the compensation accuracy is better than 3%, to meet the forward image motion compensation requirement of aerial camera.

Keywords: airial camera; dynamic imaging test; TDI; velocity-height ratio; forward image motion compensation; accuracy of image motion compensation

1引言

航空相机装机前必须进行分辨率检测, 包括静态照相分辨率和动态照相分辨率。其中静态分辨率的检测可用平行光管对静态分辨率板成像进行检测, 而动态分辨率检测则需要一个动态运动的靶标, 通过对动态靶标成像进行检测, 考核的是航空相机前向像移补偿精度。通常把模拟动态目标运动的设备称为动态目标发生器, 动态目标发生器由于设计、加工、制造、装调及控制等误差, 造成动态目标的稳速精度不是太高, 从而影响动态分辨率检测结果。本文提出一种利用全帧转移型面阵CCD相机的TDI时间延迟积分功能进行航空相机动态成像测量方法, 该方法在CCD曝光期间设定CCD按照一定的行频进行转移, 控制前向像移补偿反射镜按照与行频相一致的转动速度进行补偿成像。该方法不需要专用动态目标发生器, 模拟的动态目标速度误差仅与行频有关, 从而能够真实的反映航空相机动态照相时的分辨率指标【1~5】。实验证明, 该方法简单易用而且测量精度较高, 能够真实模拟相机在不同速高比下飞机实际飞行条件下的动态成像能力, 并且测量出实验室动态成像分辨率指标；利用该方法测量通过的航空相机, 在实际飞行条件下获得的摄影分辨率能够满足航空相机系统设计指标要求。

2 测量原理

2.1 TDI CCD成像原理

TDI CCD是一种线阵CCD, 它的工作原理是多级像元对同一目标多次曝光, 将得到的电荷逐级进行累加输出。

全帧型CCD可以看作是一维线阵CCD的排列成的二维阵列。如果使CCD在曝光的同时, 成像电荷包在垂直驱动脉冲的驱动下按设定行频进行同步转移, 这样, 曝光开始时刻A, 静止目标成像在面阵CCD的位置1, 经过曝光时间T后, 静止目标成像在面阵CCD的位置2, 相临像元再次曝光并与同步转

基金项目：中国科学院知识创新工程领域前沿项目资助(No:O70Y32R070)

移来的电荷进行累计, 最后读出累积的电信号。

图1是以一定速度下降的小球在CCD 成像区不同时刻, 电荷积分转移的过程。时刻A, 目标在CCD 成像区位置1部分像元上成像； 时刻B, 目标运动到位置2, 此时位置1的像元也以像移速度转移到位置2, 在位置2对同一目标继续曝光, 依次类推, 完成整个曝光过程。

图1 TDI CCD 曝光过程示意图

Fig.1 Schematic of TDI CCD exposure process 2.2 前向像移补偿原理

航空相机前向像移及补偿原理如图2所示。

飞行速度V

A

A a

a 焦面反射镜

物镜

扫描镜

焦平面

地面景物

ωIMC

图2航空相机的前向像移补偿示意图

Fig.2 Schematic of aerial camera's forward motion

compensation

相机在某一曝光期间, 由于飞机以速度V 飞行, 地面景物A 点相对飞机向后运动到A′点, 通过光学系统成像在a′点, 这种像移使影像模糊不清。这种由于飞机飞行引起的前向像移速度由下式表示:

)('cos 't H V θω⋅⎪⎭

⎫

⎝⎛=（1/s ） (1) 式中：V/H 为飞机的速高比； )('t θ为t 时刻相机扫描角。

在像面上产生的像移速度υ为

180

f π

υω=

⋅ (2)

利用面阵CCD 具有的TDI 功能, 能够补偿由于飞机飞行引起的像移速度。设面阵CCD 的像元尺寸为b, 其行转移频率为F, 则TDI 像移补偿速度等于:

F b b υ=⋅ (3)

完全像移速度补偿条件为:

0=-v v b (4)

2.3 M22 TDICCD 面阵相机

M22大面阵CCD 相机是具有2200万像素、8bit 输出、全帧输出速率可达3.4帧/秒的高分辨率大面阵CCD 相机； 该相机采用FullFrame 逐行扫描CCD 芯片, 同时提供高分辨率和灰度级别的全帧转移CCD 相机。M22相机具有以下特性:电荷自动清零； 带TDI 像移补偿功能, 转移方向可选； 8bit 数字化输出； 曝光可程序控制； 高灵敏度和低暗电流； 四通道同时输出； Base CameraLink 接口。M22相机具体性能指标如表1所示。

表1 M22相机性能指标 Table 1 Performance of M22 camera

前面介绍了航空相机在空中实际拍照时, 由于飞机前向飞行会带来前向像移, 同时也介绍了航空相机前向像移补偿原理。那么, 在航空相机实际设计过程中, 前向像移补偿精度达到多少能够满足地面摄影分辨率的设计要求。这里以一个实际航空相机为例进行说明, 该相机采用的探测器为上面介绍的M22探测器, 像元尺寸b 为0.009mm, 相机的焦距f