像移補償

航空、航天相機拍照時, 由於振動、飛行器的運動及相機擺動等使相機在曝光時, 被照物影像與感光介質間存在相對運動, 帶來了成像模糊及拖尾效應, 此即像移。按產生原因的不同分為以下幾類 :飛行器前向飛行造成的前向像移;飛行器姿態變化帶來的隨機像移;飛行器震動及氣流波動引起的震動像移;相機鏡頭掃描產生的擺掃像移等。像移的存在極大影響了相機成像質量, 使圖像分辨力明顯下降, 必須進行像移補償。像移補償系統應滿足以下幾方面的要求 :

(1)保證像面上各點的補償精度即像移補償殘差在允許範圍內; ^[2] 

(2)補償系統不能影響其他部分的工作;

(3)不降低成像質量, 即不能導致離焦、降低透光率等現象的發生;

(4)在像移速度範圍內能簡單補償而不需外加設備或複雜的人工干預。

像移補償主要應用在空間遙感成像、軍事偵察和航空測量與測繪等領域。 ^[2] 

對遙感平台相對於所攝目標前移運動引起像點移位的自動補償校正裝置。隨平台運動的攝影機，在曝光的時間內，地面點的影像沿航線方向移動，使影像模糊。補償器的作用是使吸附在攝影機壓片板上的感光膠片在整個曝光時間內沿航線方向移動相同的像移值，從而消除或減小像移的影響。航天攝影和低空航空攝影中使用的攝影機一般都帶有像移補償器。

利用機械結構在曝光時隨影像運動方向移動感光介質的補償法為機械式像移補償法。它要求介質運動矢量與光學影像運動矢量的大小、方向一致且系統的製作精度要求非常高、運行必須穩定可靠。該補償法適用於地球轉動、飛行器橫滾、俯仰和相機掃描引起的像移, 主要用在膠片式垂直照相相機上。實現時是用拉動型量片機構移動膠片並精確控制卷片機構以保證必要的補償精度。美國的KA-112A航空偵察相機用移動膠片法消除掃描和橫滾造成的像移;我國某航天飛行器上的相機也用到了此方法減小像移。 ^[2] 

機械補償法優點是感光面上各點的補償速度一樣且沒附加系統, 但對結構的運行及製作精度要求高、需大功率傳動裝置, 限制了它在航相機特別是廣角鏡頭相機上的應用。

按照與相機焦面上像移速度一致的原則旋轉或移動光路元件以改變光線方向的補償法即光學式像移補償法。常用旋轉物鏡前方的迴轉反射鏡補償前向像移, 如圖1 。

地物點A 經反射鏡和透鏡後成像在焦平面a點, 曝光時以一定角速度ω旋轉反射鏡, 使再次成像點a′保持在原位置(a 點)以實現前向像移補償。已知飛行器飛行速度為V , 飛行高度H , 則反射鏡旋轉的角速度ω為

此補償法的反射鏡體積小、重量輕且易控制, 除補償前向像移外還能補償俯仰和偏航引起的像移, 主要用在長焦距全景相機上。上述KA-112A 航空偵察相機和美國芝加哥航空工業公司20 世紀80 年代初研製的KS-146 長焦航空相機都採用了這種補償方法, 該補償法較多采用。 ^[2] 

電子式像移補償方法主要是針對CCD 相機利用一系列CCD 電荷轉移驅動技術來控制CCD 曝光的補償法。國內外採用的電子式像移補償法有真角度像移補償法、面陣TDI 模式像移補償法和階梯式像移補償法。

TDI CCD(Time Delay and Integrate Charge CoupledDevice)的工作原理如圖2 。

TDI CCD 是一種線陣CCD , 它的突出特點是在運動中成像。圖2 中TDI CCD 行數為延遲積分的級數(M ), 當沿着CCD 級數方向推掃成像時, 在第一個積分週期目標在某列第一個像元曝光積分, 得到的光生電荷下移一個像元;在第二個積分週期目標恰好移動到該列第二個像元處曝光積分, 得到的光生電荷與上一像元來的電荷相加後移到下一像元;…… ;直到第M 個積分週期目標移到該列第M個像元曝光積分, 產生的光生電荷與前(M -1)個電荷相加後移入讀出寄存器並讀出。TDI CCD 級數方向的電荷轉移是靠外同步信號觸發的。圖2 中M 列像元實際是TDI CCD 的同一列像元在M 個積分週期內對目標的曝光。 ^[2] 

真角度像移補償原理如圖3 , 它是針對TDI CCD的成像原理即在運動中成像的特點, 利用與相機鏡筒同軸安裝的光學式編碼器的輸出作為CCD 的行轉移外同步信號, 讓編碼器每位對應的角度與TDICCD 每個像元對應的角度相等, 使CCD 的行轉移速度與像移速度同步來補償由相機掃描引起的像移,一般用於TDI CCD 全景式相機的擺掃像移補償上。 ^[2] 

階梯式像移補償法是針對面陣CCD 感光面上的前向像移速度不一致的補償法。原理是基於上述面陣TDI 模式補償法, 依據像移補償精度要求將面陣CCD 的若干列像素劃分為兩個或兩個以上的組合列, 這些組合列被獨立的、按照像移速度變化規律變化的離散脈衝來同步電荷轉移速度和像移速度, 每個組合列內部的每列用統一的電荷轉移速率。 ^[2] 

階梯式像移補償法的組合列劃分得越多, 像移補償精度越高;反之精度越低。它已應用在美國CA-260 、CA-270 、CA-290 等電光分幅式航空偵察相機上。

像移補償精度定義為：補償後的剩餘像移量與像移量之比，或補償速度誤差與補償速度之比，用百分數表示

式中，

γ——像移補償精度，%；

△d——補償後的剩餘像移量，μm；

d——像移量，μm；

△V_c，——補償速度誤差，mm/s；

V_c，——補償速度，mm/S．

像移補償精度要求主要根據相機的分辨率確定，允許像移量與分辨率之間可以用下式表示．

式中 R₀——靜態分辨率，對線/mm．

例如，R₀=85對線/mm，△d<1/(2×85)mm=5.9μm，考慮其他因素影響，要求△d為3μm(rms)．也可以根據像移對MTF的影響求出△d，確定像移補償精度．對中等分辨率的普查相機的像移補償精度要求1%～1.5%，對高分辨率的詳查相機或高精度測繪相機精度要求優於0.5%． ^[3] 

相機的像移補償精度取決於相機地面攝影分辨率和相機的曝光時間，隨着相機地面攝影分辨率的提高和曝光時間的加長，相機的像移補償精度也應相應的提高．為了減少運動對分辨率的影響，通常空間相機採用較短的曝光時間，如1/200 s． ^[3] 

影響像移補償精度的主要因素有：像移補償機構精度(含補償機構的製造精度，控制電路的控制精度)，相機焦距的測量精度和衞星的V/H引入精度．如果採用移動膠片的機械補償方法，凸輪製造誤差可達微米級，電路控制誤差優於0.1%，焦距測量誤差0.05%，相機的像移補償精度可達到0.5%．V/H值由衞星提供，精度可達到0.3%． ^[3] 

減少像移應從多角度綜合考慮, 針對像移形成的不同原因採用對應的補償方式。圖4 為一種TDICCD 全景式航空相機的工作原理圖。

圖中相機內部採用折反式光學系統, 掃描反射鏡和焦面反射鏡與照相物鏡安裝在一起, 構成一個稱為鏡筒的整體。相機水平安放, 與飛行方向平行,當鏡筒繞水平軸旋轉時來自地物的光線經大氣射到與水平光軸成45°的掃描反射鏡上, 折轉90°後射入照相物鏡, 以會聚光束的形式射到與掃描鏡平行的焦面反射鏡上, 又折轉90°後將地物成像在TDI CCD焦平面上。相機鏡頭焦距f =1500mm , TDI CCD 像元尺寸b =0 .013 mm , 編碼器刻畫線數n =225000 。α為掃描角, φ為偏航角, ﹒φ為偏航角速度, θ為俯仰角, ﹒θ為俯仰角速度, 飛行速度為V , 飛行高度H 。

相機採用光學式迴轉反射鏡法補償前向像移、飛行器俯仰及偏航引起的像移, 反射鏡旋轉速率ω定為

採用旋轉編碼器外殼的方法補償相機橫滾產生的像移。設橫滾速度為φ, 編碼器的軸與鏡筒連接,編碼器外殼固定在相機框架上, 旋轉編碼器外殼使其產生一個反向角速度-φ進行橫滾補償。

用電子式真角度補償法補償相機擺掃引起的像移。編碼器刻線上每位對應的角度ε為

TDI CCD 每一個像元對應的角度δ等於:

則修正係數k =ε/ δ≈3 .2221 。

利用鏡筒與編碼器間的傳動機械結構來保證k值的實現。

首先, 隨着CCD 等感光器件的廣泛使用, 數字化像移補償即圖像式像移補償法將是重點研究的內容;其次, 綜合利用多種像移補償方式於同一個相機上從而獲得更好的成像質量及圖像分辨力是一個共同的方向;最後, 由於分幅式成像即按幀成像在曝光時間、圖像信息判讀以及容錯性方面相對於全景式掃描成像有絕對的優勢, 所以針對幀成像方式應該研究更有效的像移補償方法。

我國航相機的像移補償精度與西方軍事強國差距較大, 成為制約航空航天攝影成像質量的重要因素。經過多年努力與創新, 差距正在縮小, 相信不久像移補償精度將會快速提高。