航空相機成像技術研究

趙建川，張潤琦，王 杰，邵 毓，申 越，劉傳明

（1.海軍駐長春地區航空軍事代表室，吉林 長春 130033；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223； 3.吉林東光精密機械廠，吉林 長春 130103；4.中國兵器科學研究院，北京 100089）

0 引言

自1915年，英國為了在一戰中占據主動地位，首次使用半自動航空相機偵查德方占領區至今，航空相機已經歷經了數代發展，其性能和功能都得到了不斷提高[1]。早期的航空相機均為膠片相機，20世紀70年代起，使用電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）的數字相機步入人們視野。由于數字相機具備實時傳輸圖像至地面的能力，因此數字相機逐漸占據主導地位，但膠片相機性能可靠且分辨率高，至今仍在航空相機中占有一席之地[2]，因此也有膠片拍攝與數字拍攝雙功能的相機。本文將數字航空相機按照成像方式分為3類：掃描型、步進凝視型和（無掃描）多鏡頭型。當然，同一航空相機可以使用多種探測器或設計成同時采用多類工作方式，以獲取更多維度、更多波段和更高分辨率的信息。下文將分別介紹膠片航空相機和數字航空相機，并將數字相機上述3類分別進行介紹。

1 膠片式航空相機

膠片航空相機（以下簡稱為膠片相機）是使用感光材料附著在膠片作為載體，拍攝后的膠片要經過沖洗才能得到照片的相機。早在20世紀初，英、美等發達國家就已開始研制生產膠片式航空相機，此時的膠片相機處于起步階段，其分辨率較低，焦距較短，載片量也較少。20世紀60年代～80年代，膠片航空相機進入了高速發展的時代。在這期間，很多載片量大、焦距長且地面分辨率高的膠片航空相機相繼問世[3]。其中，1969年CAI制造的KS-87系列偵查相機是一款全球使用量最大的航空膠片相機并有多個衍生型號，相機配備于OC-135B、RF-4、RF-5E、RF-101、U-25B、F14、F16C等當時主流飛行器上，其中KS-87B結構分解如圖1所示[4]。

1974年，隨著航空偵查對偵查距離的要求不斷提高，CAI研制出了世界上第一款焦距達66in并采用f/8光學設計的膠片相機KS-127A。在良好天氣下，這款能獲取30nm（i55.5km）外目標詳細信息的相機，使配備了該相機的RF-4甚至擁有了戰略偵查能力，KS-127A外觀如圖2所示[5]。

到了20世紀70年代末80年代初，體積更小、功能更多的全景膠片相機問世。配備于RF-5E的KA-95相機與配備于RF-4B的KS-116代表著這一階段先進成熟的全景膠片相機。同之前提到的KS-87B與KS-127A一樣，兩者也均采用5in膠片格式，KA-95與KS-116采用焦距為125in、f/4.0的光學系統設計，它們的外形分別如圖3所示[6]。

KS-116與KA-95擁有前向運動補償，主動穩像控制，自動曝光控制和自動調焦控制以及扇區掃描等功能。前向運動補償功能是為了避免載具向前運動造成成像模糊。主動穩像控制可以讓相機自行感知運動狀態，而不依賴外部總體系統也不受其影響。自動曝光控制可以使相機獲得更高的成像質量，而自動調焦控制則可以使相機在拍攝過程中保持較高的成像清晰度，扇區掃描則能讓相機以50°角度間隔自由選擇掃描區域，范圍從40°～190°。采用扇區掃描的KA-95拍攝的樣本照片如圖4所示[6]。

到了20世紀80年代末，膠片相機技術已發展得相當成熟。雖然膠片相機擁有上述同時代的CCD相機無法比擬的優勢，但由于膠片相機無法像CCD相機那樣，將拍攝的圖像實時傳輸到地面，因此發達國家開始研制具備膠片與CCD拍攝雙功能的航空相機。比如20世紀80年代，Eastman Kodak公司和Recon/Optical公司聯合開發的具備CCD和膠片拍攝雙能力的航空攝像機系統CA-990。該系統總重1082 kg，可裝于機腹副油箱中并掛載于F-4和F15飛機上[7]。隨著20世紀70年代以來CCD器件的高速發展，拍攝后的膠卷要經過沖洗才能得到照片，在拍攝過程中也無法知道拍攝效果的好壞的膠片相機，相繼被改成具備CCD和膠片拍攝雙功能的航空相機，比如KA-102A和KS-153A等。數字化相機由此登上了航空相機歷史的舞臺，并逐漸成為發展趨勢[8-10]。

圖1 KS-87B結構分解圖Fig.1 Aerialcamera KS-87B

圖2 膠片相機KS-127A外觀Fig.2 Aerialcamera KS-127A

圖3 KS-116（左）與KA-95（右）外形Fig.3 Aerialcamera KS-116 (left)and KA-95(right)

圖4 KA-95使用不同角度扇區掃描拍攝的樣本圖 Fig.4 The photos of aerial camera KA-95 with sector scanning of different angle

2 數字航空相機

2.1 掃描型航空相機

掃描型數字相機采用線陣CCD或時間延遲積分（time delay integration，TDI）CCD進行掃描成像的相機。線陣CCD的長度決定了航空相機掃描地面覆蓋范圍，一般來說，掃描型數字相機線陣單元在4000～14000個之間。研制CCD探測器水平較高的公司主要有Atmel（法國），e2v（英國），Kodak（美國）和Fairchild（美國），一款e2v公司的線陣CCD探測器如圖5所示[11]。

圖5 e2v公司的的線陣CCD探測器 Fig.5 Line array CCD detector of e2v Ltd.

線陣CCD在拍攝運動目標的時候，需要良好的光照，TDI CCD則是一種能在低照度條件下捕捉運動物體的探測器，在獲得高靈敏度的同時不犧牲空間分辨率和工作速度，還能一定程度上增加系統的信噪比、分辨能力和響應均勻性，因此TDI CCD在高速、微光領域具有廣泛的應用前景。從其結構來看，多個線陣平行排列，像元在線陣方向和級數方向呈矩形排列[12]。TDI CCD的工作原理如圖6所示，在第一個積分周期，目標在其中一列的第一個像元處進行曝光積分，但得到的光生電荷并非如線陣CCD一樣讀出，而是移動至下一個像元。在第二個積分周期，目標在該列的第二個像元處曝光，得到新的光生電荷與上一個像元移來的電荷相加再移到下一個像元，直到第M個積分周期結束時，第M個像元的光生電荷與第M個像元前面所有像元的電荷相加后讀出?？梢娮x出的電荷是單個像元的M倍，而噪聲只增加了倍，從而信噪比提高了倍[13-14]。

圖6 TDI CCD工作原理圖 Fig.6 Diagram of TDI CCD

掃描型數字相機的拍攝方式主要分為推掃和擺掃兩種，兩種方式的瞬時視場均是一維視場，不需要快門，采用連續曝光的方式成像[15-16]。其中推掃式成像模型如圖7所示，推掃式相機隨飛行器沿X軸移動，在垂直于飛行方向（Y軸）的一維視場連續曝光成像[17]。根據圖中角度Δ的不同，推掃式相機還可分為“前視型”與“后視型”相機，為了提高成像質量，獲取空間多維度信息，也可同時裝配多個角度Δ不同的線陣CCD同時掃描景物，比如下文介紹的三線推掃模式，在一個一維掃描行中，θmax為一行最大掃描角度，N為一行掃描的像元數，則焦距f可由公式(1)表示[18-19]：

圖7 推掃式成像模型Fig.7 Push broom mode

擺掃式成像模型如圖8所示，不同于推掃式相機，擺掃式相機通過一個伺服機構來回旋轉使平行于飛行方向的一維視場覆蓋整個地面場景。因此，擺掃式相機的視場范圍不再受限于探測器，可根據設計需求做到很大[20]。

可以看出，擺掃式成像會帶來一定的成像畸變，需要通過前向位移補償技術消除。成像畸變是由快門打開時飛機前向運動造成成像偏移，成像偏移（blur）可由公式(2)計算得出。

式中：V為飛行器相對地面的飛行速度；f為焦距；H為飛行高度；Δt為快門曝光時間；θ為當前掃描位置與垂直掃描位置之間的夾角。表1總結了推掃式相機與擺掃式相機的特點。

圖8 擺掃式成像示意圖Fig.8 Whisk broom mode

表1 推掃式相機與擺掃式相機的特點Table1 Specificitiesof push broom and whisk broom camer a

下文介紹一些典型的掃描型相機，包括Thales Optronics公司（前身為Vinten公司）的單線陣推掃相機TYPE-8010與TYPE-8042，萊卡公司的三線推掃相機ADS40以及Goodrich公司的雙波段相機DB-110。其中，DB-110相機可見光波段成像采用擺掃模式，而紅外波段成像采用的是步進凝視，步進凝視將在本章2.2節介紹。

1992年起，Thales Optronics公司先后為英國配備了多款單線掃描型相機，在這些用以拍攝高清單色的相機中，具有代表性的是TYPE-8010與TYPE-8042，其外觀如圖9所示[21]。

圖9 TYPE-8010（左）與TYPE-8042（右）Fig.9 Aerial camera TYPE-8010 (left)and TYPE-8042(right)

TYPE-8010是用于低空拍攝的推掃式相機，由英國e2v公司提供的線陣CCD擁有4096個像元，像元尺寸為12μm。該探測器波長覆蓋范圍均從500～950μm（綠光至近紅外），掃描速率為1800行/s。TYPE-8010可以根據拍攝需求更換鏡頭，可選焦距有152 mm，76mm與38mm三種。TYPE-8042則是用于高空拍攝的擺掃式相機，同樣是由英國e2v公司提供的線陣CCD波長覆蓋范圍也是從500～950 μm（綠光至近紅外），掃描速率為1800行/s。但該線陣CCD擁有12228個像元，像元尺寸為8μm。為了實現廣闊的視場覆蓋范圍，TYPE-8042采用的是450mm長焦距鏡頭。

1997年初，萊卡公司和德國航空航天公司簽署了一項協議，合作設計和生產一種專門用于商業成像和測繪的機載推掃相機ADS40。首臺樣機于1998年底完成試飛實驗，并于2001年首次交付投入使用，其安裝在日本PASCO公司Cessna Caravan飛機上的外觀如圖10所示[22]。

圖10 日本PASCO公司Cessna Caravan飛機上的ADS40Fig.10 Aerial camera ADS40assembled on Japan PASCO Cessna Caravanairplane

該樣機是典型的三線推掃相機，三線推掃模式即采用推掃模式在前、下、后3個方向使用3個線陣CCD同時掃描，如圖11[22]所示。這樣的拍攝模式可以獲取三維立體空間信息。ADS40相機的前視CCD陣列與下視CCD陣列之間的夾角為28.4°，后視CCD陣列與下視CCD陣列之間的夾角為14.2°。以上提到的這些CCD陣列均包含兩個線陣CCD。這些線陣CCD像元尺寸均為6.5μm，像元數為12000，線陣CCD之間有半個像素（3.25μm）的錯位，該設計用以提高幾何分辨率。另外在焦平面上，ADS40還安裝了4個額外的擁有12000像元線陣CCD，分別用來記錄地面場景的RGB信息和近紅外信息。飛行器飛行期間，每一個CCD陣列獨立地連續記錄每一列影像。由此，在全色波段的覆蓋范圍內，幾乎每個物體都被攝影了3次（墻面等特殊情況除外），攝影區域內大部分范圍實現了三度重疊，包含了足夠的三維立體信息。如今，ADS40在測繪、精細農業、海岸資源勘察和管理等方面均得到了廣泛的應用[23]。

圖11 ADS40三線掃描示意圖Fig.11 Scheme of ADS40 3linescan

從20世紀90年代中期，Goodrich公司開發了第一代DB-110至今，DB-110航空相機系列已廣泛運用于Tornado，F-111，F4，P-3，F-15，F-16，Predator B等載人或無人飛行器上。

DB-110擁有可見光及近紅外（VNIR）以及中波紅外（MWIR）兩個探測器以及兩組光學系統，整個系統組成如圖12所示，相機參數如表2所示[24-25]。

圖12 DB-110相機系統結構Fig.12 Configuration of DB-110 camera

DB-110拍攝模式如圖13所示，左圖為相機使用TDI線陣CCD在飛行器左側進行擺掃拍攝示意圖，右圖為面陣紅外探測器在飛行器左側進行步進凝視成像。DB-110雙波段航空相機在白天所拍攝的樣本圖片如圖14所示[26-28]。

2.2 步進凝視型相機

步進凝視型相機使用凝視型面陣CCD或CMOS傳感器。面陣傳感器單次曝光便可立即獲得大面積區域的圖像，這一特性使得飛機能夠從安全高度快速上升，短時間內獲取目標區域圖像，再快速下降逃離危險區域。而線陣傳感器，因其成像原理，一定程度上會限制飛機的機動。因此特別時刻使用面陣傳感器能夠提高飛機和機組人員生存率[29]。

步進凝視型相機，不像掃描型相機能那樣夠進行連續的圖像采集，需要和視場中的場景保持相對靜止，以完成一次有效的曝光（探測器積分）。如圖15所示為3種步進凝視型相機的凝視方式及拍攝覆蓋面。相機拍攝完一次航帶旁向的刈幅（掃描帶，圖15中的swath）為一個周期。在一周期內，相機每對一個區域完成曝光后，相機視線沿刈幅移動到下一個相鄰區域，進行下一幀的圖像曝光。完成一周期拍攝后，相機的視線指向下一個刈幅，開始新一輪的圖像拍攝。相機視線的運動軌跡可以為“S”形或“Z”形。拍攝過程中，要求相鄰幀之間以及相鄰刈幅之間有一定的重疊率。典型的步進凝視型相機的拍攝覆蓋面如圖15(d)所示。

步進凝視成像過程中要求一次曝光中，相機視場中的場景相對靜止，因此需要進行前向位移補償（FMC）[30-31]。FMC可以通過反射鏡補償[32]、二軸框架補償[33-34]和FPA片上電子補償[4,29]等多種技術實現。相機的視線移動方式有多種，比如通過框架直接旋轉傳感器[33-34]，旋轉步進掃瞄鏡[35]和旋轉棱鏡[36]等等，如圖15(a)～(c)所示。

表3列出了部分步進凝視型航空數字相機的型號和相關數據。

2.3 多鏡頭數字相機

多鏡頭數字相機使用多個鏡頭和面陣CCD/CMOS傳感器，以達到高分辨、寬覆蓋面、多波段和多視角的目標。本節討論的多鏡頭數字相機僅限于無運動部件的相機。根據相機鏡頭光軸的朝向，將多鏡頭數字相機分為兩類：多鏡頭傾斜數字相機和多鏡頭下視數字相機。

2.3.1 多鏡頭傾斜相機

航空傾斜相機在軍事、科研和民用領域均有大量應用，諸如軍事偵察監控、地圖測繪和環境測控等等。最早的傾斜航空相片于1860年由J.W.Black和S.King在美國波士頓上空拍攝。20世紀期間出現了多款多鏡頭膠片傾斜航空相機，如圖16中的Fairchild的3鏡頭T-3A和9鏡頭USGC-9，Zeiss的3/5鏡頭KS-153系列和3鏡頭KRb 8/24 F，主要用于軍事偵察、監控和地圖制圖[37-43]。隨著大面陣CCD和CMOS傳感器技術的成熟和數字式多鏡頭傾斜成像技術的發展，多鏡頭傾斜數字相機的成像能力得以超越膠片式相機。近30年，出現了多款超高分辨率多鏡頭傾斜相機。

表2 DB-110相機兩個波段參數Table 2 Parameters of DB-110 camera

圖13 DB-110拍攝模式，左圖為可見光擺掃，右圖為紅外步進凝視 Fig.13 Whisk broom in visible (left) and step-by-stare in IR (right) of DB-110 camera

表3 步進凝視型航空數字相機Table 3 E O/IR camera with step-by-starescan

圖14 DB-110拍攝的樣本相片，左圖為可見光相片，右圖為紅外相片Fig.14 Imageryin visible(left)and in IR (right)from DB-110 camera

圖15 三種步進凝視方式/結構以及拍攝覆蓋面Fig.15 Three configurationswith step-by-stare scan and thecorrespondingcoverage

Continued Table 3

圖16 多鏡頭膠片傾斜航空相機及典型的鏡頭布置方式和拍攝樣例 Fig.16 Film oblique aerial cameras with multiple lenses, typical shot arrangement and film sample

多鏡頭傾斜相機根據鏡頭數量、傳感器數量和結構結合布置等，可以有多種分類。Gordon Petri將傾斜相機分成了3類[44]：

1）扇形（Fan）排列：扇形排列的相機的視場覆蓋了航跡旁向（Cross-track）以及正下（Nadir）方的區域，覆蓋面構成一個狹長的區域。扇形排列三鏡頭和鏡頭陣列的布置形式，圖16(e)是一種典型的三鏡頭布置方式。圖17展示了扇形排列的多鏡頭相機，圖17(a)的OSDC-4060是俄羅斯公司PO KSI生產的由40個鏡頭陣列組成的相機，鏡頭陣列分成了4組，分別對應高海拔、中海拔、低海拔和低海拔紅外通道[45-46]。該公司類似產品的還有36個鏡頭的OSDC-3660。圖17(c)的WB-57 ARGUS相機系統使用了12個配有400 mm鏡頭的單反相機，其拍攝覆蓋角度約為60°×3.3°[46]，如圖17(d)所示。如文獻[6,38,47]還將類似于ROI的CA295和Vision Map的A3 Edge使用了步進凝視技術的相機歸于此類。

2）馬耳他十字（Maltese Cross）排列：典型的按照馬耳他十字排列的相機一般由5個鏡頭/相機組成，其中一個鏡頭朝向正下（nadir），兩個鏡頭覆蓋航線旁向的與正下區域相鄰的兩個區域，另外兩個鏡頭指向沿航線的與正下區域毗鄰的兩個區域，其拍攝到的圖像類似于圖16(f)。圖18展示了兩款以此方式排列的相機以及它們的拍攝覆蓋面示意圖。

圖17 扇形排列的多鏡頭相機及覆蓋面示意圖 Fig.17 Sector arranged multiple-lens aerial cameras and coverage diagram

圖18 馬耳他十字排列的相機及覆蓋面示意圖Fig.18 Maltese cross arranged aerial cameras and coverage diagram

3）Block排列：Block排列使用多個朝向略微不同的傾斜鏡頭/相機，相鄰的鏡頭/相機間拍攝的圖像有一定的重疊區域，這些同一時刻曝光得到的圖像經過拼接可以組合成一幅更大尺寸的圖像。此類相機和下視相機很相似，不過一定程度上它們能夠拍攝到目標或者建筑物的側面。圖19(a)展示了Z/I Imaging公司在2000年左右推出的大畫幅相機Z/I DMC，Z/I DMC共有8個鏡頭，中間4個鏡頭按照如圖19(b)所示的排列方式，使用4塊中等面陣CCD代替在當時大面陣CCD[48]，其覆蓋面如圖19(c)所示。圖19(d)展示了Rollei Metric使用4個AIC相機組合成一個大面陣成像系統。除了4鏡頭組合外，還有2鏡頭和更多數量鏡頭組合的方式。

多鏡頭傾斜相機具備視場大和分辨率高的特點，被廣泛用于各種監控、偵察和制圖等任務。除此之外，因為多鏡頭傾斜相機能夠采集到場景中目標的不同視角的圖像，比如建筑物的頂部和側面圖像，結合計算機視覺技術，這些圖像能夠被用于城市3D模型建立、建筑物識別和建筑物高度測量等任務[49]。

表4中列出了部分超高分辨率傾斜相機的型號及其相關參數，并按照上述3種方式進行了分類。

2.3.2 多鏡頭下視相機

下視（Nadir/ vertically downward）相機的光軸朝向正下方，對場景中朝向上方的表面（如屋頂和飛機機翼）能有良好的觀測。多鏡頭下視相機，類似于Block排列的傾斜相機，通過將多個傳感器和多個鏡頭結合，有效地增大相機的視場和拍攝覆蓋面積，增強獲取場景中多波段信息的能力。圖20(a)、圖20(b)和圖20(c)分別展示了3款超高分辨率多鏡頭下視相機。表5中列出了幾款超高分辨率多鏡頭下視相機的型號及相關參數。

為獲得超高的分辨率，不同公司采用的不同的設計方案。Z/IDMCII系列產品，針對全色（Panchromatic）波段使用單塊超大面陣的CCD，比如DMCII250使用了一塊250 M像素分辨的CCD，針對R、G、B和NIR波段則使用4塊四色的CCD并配合相應的濾光片[50]。Vexcel的Eagle系列為在全色波段獲得4.5億的分辨率的同時，確保圖像質量以及圖像幀率，使用了9塊CCD作為全色波段圖像的成像面[51]。圖20(d)中標記的“MC”、“C1”、“C2”和“C3”的鏡頭的成像區域，分別對應于圖21[44]中的“Mastercone”、“＋cone1”中淺綠色區域、“＋cone2”中左右兩側的淺綠色區域和“＋cone3”中最中心的區域，相鄰的圖像間均有一定的重疊。

圖19 Block排列的相機Fig.19 Block arranged aerial cameras

表4 超高分辨率多鏡頭傾斜相機Table 4 Multiple-lens oblique cameras with high resolution

Continued Table 4

圖20 三款超高分辨率多鏡頭下視相機Fig.20 Three multiple-lens cameras with high resolution

圖21 UltraCam Eagle使用9塊CCD作為全色波段圖像的成像面Fig.21 UltraCam Eagle full color camera with 9 CCD

表5 超高分辨率多鏡頭下視相機Table 5 Multiple-lens direct over flight cameras with high resolution

3 總結

本文綜述了膠片航空相機和數字航空相機使用的技術。通過介紹幾款典型的膠片相機，展示了相關成像技術。文中將航空數字相機分成掃描型相機、步進凝視型相機和多鏡頭型相機3類，并介紹了一些具有代表性的成像技術。經過一個多世紀的發展，各種航空相機相關技術相繼涌現，使航空相機朝著“看得更遠、看得更廣、看得更細”以及多維度、多光譜的方向不斷發展。如今的航空相機拍攝的單幀圖像已能達到數億像素，除了傳統的軍事偵查領域，還大量應用于測繪、精細農業、海岸資源勘察、城市3D建模、環境監控和地圖導航等民用領域。