影響航空TDICCD相機分辨率的分析

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041）

影響航空TDICCD相機分辨率的分析

許兆林，劉建東

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041）

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

像元分辨率；穩像；環境；速高比；調光

分辨率是評價航空攝影成像質量的一個重要指標，膠片型與CCD數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致靈敏度的降低，因此，應綜合考慮。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可進行多次曝光，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定精度、大氣壓力和溫度、速高比誤差和光量誤差等因素進行了分析和研究。

1 掃描反光鏡穩定精度的影響

在航空攝影系統中，圖像的高度穩定性對攝影分辨率具有決定性的作用。目前國內外均采用像穩定技術來解決這一問題。長焦距航空相機由于體積大而重，不適合整體穩定的方法，即不適合將相機整體安裝在穩像平臺上,而是采用反光鏡局部穩像方式，如圖1所示，設計的穩像平臺一般采用多閉環的復合控制方案，將電流環、轉速環、穩像環以及位置環組合起來形成多回路系統，其中穩像環回路是反光鏡穩像平臺控制系統中的一個最重要環節。穩像環回路的設計基本上都還是采用了經典的速率陀螺穩定技術，各種改進的方法都是在基本穩定回路的基礎上，針對系統中某種影響較大的因素加以補償。速率陀螺穩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，反光鏡穩像平臺通過速率陀螺獲得系統光軸的偏移信息，其輸出電壓經控制電路、功放電路送給力矩電機，控制反光鏡旋轉，消除影像前移、橫滾、俯仰和偏航的影響，達到圖像高度穩定的目的。

圖1 反光鏡穩像平臺系統

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

2 環境的影響

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，離焦量變化可根據公式（2）計算：

式中：p——大氣壓力；0p——標準氣壓；an——空氣折射率；gn——玻璃折射率。

環境溫度變化，鏡箱熱脹冷縮，鏡頭玻璃的曲率半徑也發生變化，產生溫度離焦，離焦量公式為：

式中： α——線膨脹系數 ；

φ——溫度變化1℃鏡頭的離焦系數；

ΔΤ——溫度變化量。

攝影時，大氣壓力和溫度發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。為保證成像質量，TDICCD驅動時序電路的工作頻率與像移速度嚴格同步。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，其積分行數分為8、16、32……等級數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。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室內成像框圖

飛機上通過導航系統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生暈光現象，造成影像模糊；電荷不足則引起信噪比（NS/）下降，進而降低分辨率。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，進行調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，根據調光方程：

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進行M次見光的時間。

（6）代入（5），整理得：

（7）式中，0H對應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M變化。在相機自動調光控制中，級數M一定，fD/自動改變大小。圖3是自動調光控制原理框圖，景物的亮度L通過測光元件獲得，引入飛機HW/；計算機根據景物亮度和HW/控制光圈的大小，以獲得正確光量。

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