CCD航空相机动态分辨率检测系统设计

张欣婷;亢磊;姚清华;吴倩倩

【摘 要】设计了一套CCD航空相机动态分辨率检测系统,系统入瞳直径D=200 mm,焦距f'=2 000mm,视场角2ω=5°,利用光学设计软件Zemax进行仿真,设计结果表明,在奈奎斯特频率为40 lp/mm的情况下,调制传递函数曲线值均高于0.5.采用波差法校正由长焦距所引入的二级光谱,同时,引入分辨率尺的概念,将每一块单独的分辨率板采用拼接的方式制作成300 mm×24 mm的分辨率尺,令分辨率尺在电机的带动下作匀速直线运动来模拟动态目标.该测试系统的设计能够在模拟飞机飞行的状态下,对其动态分辨率进行检测,检测精度1″,可广泛用于测绘、军事侦察和航空航天等领域.

【期刊名称】《应用光学》 【年(卷),期】2018(039)005 【总页数】4页(P683-686)

【关键词】CCD航空相机;动态分辨率;分辨率尺;二级光谱;光学系统 【作 者】张欣婷;亢磊;姚清华;吴倩倩

【作者单位】长春理工大学光电信息学院,吉林长春130012;中国中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春130062;长春工业大学,吉林长春130012;长春理工大学光电信息学院,吉林长春130012 【正文语种】中 文 【中图分类】TN202;O439

引言

当前，随着航空相机在军事及民用领域的用途越来越广泛，其主要性能指标分辨率被更深入地研究，它是判断航空相机成像质量的重要指标。若要准确检测CCD航空相机的分辨率是否达到要求，传统的方法是将CCD相机安装到飞机上，依据飞机的航高和航速进行实拍，再对CCD所获图像进行分析和处理，但这样势必会耗费巨大的成本，造成不必要的浪费[1-2]。

由于航空相机涉及到军事领域，所以国外相关机构对该领域的技术和资料采取保密措施，公开的部分较少；而国内在航空相机性能测试方面长春理工大学和哈尔滨工业大学在做这方面工作[3-4]，且两者均采用胶片式检测系统。为此，本文提出一种CCD航空相机动态分辨率的检测方法，并对其中的光学部分重点阐述。该方法能够在地面上模拟飞机在空中飞行的航高、航速及运动姿态，让CCD航空相机去拍摄室内特定的分辨率尺，以实现动态分辨率的精准测量。 1 CCD航空相机动态分辨率检测原理

CCD航空相机是指采用电荷耦合器件CCD作为接收器的航空相机，将其固定在飞机上，随飞机一起运动，完成对地面物体的拍摄。然而在飞机的飞行过程中，CCD航空相机会与地面景物之间产生相对移动，使得相机拍摄中与CCD的像面产生像移，影响成像质量[5]。因此，单纯地去考察CCD航空相机的静态分辨率不足以体现该相机的性能优劣，还需要对其动态分辨率进行检测[6]。本文所研究的CCD航空相机动态分辨率检测原理如图1所示。

图1 CCD航空相机动态分辨率检测原理图Fig.1 Principle map of dynamic resolution detection for CCD aerial camera

图1中，光源照亮分辨率尺，经过平行光管后出射平行光，以获得无限远光束。由于本系统是用于检测航空相机的动态分辨率，因此平行光管要求长焦距，但是平

行光管焦距长会导致系统径向尺寸很大，所以加一个平面反射镜来折转光路，即令平行光管水平放置。分辨率尺要放置在平行光管的物方焦平面处，根据不同的航高和航速来设定分辨率尺的移动速度，使得分辨率尺能够匀速通过平行光管的视场。当分辨率尺开始移动时，CCD航空相机同时进行拍摄，直至分辨率尺移出平行光管视场为止。将连续拍摄所得的图像进行分析与判读，得到CCD航空相机的动态分辨率数值，其实验装置如图2所示。

图2 CCD航空相机动态分辨率检测装置图Fig.2 Device map of dynamic resolution detection for CCD aerial camera 2 分辨率尺的设计

提及分辨率检测，分辨率板是其关键部件，测量时将分辨率板作为被测物放在系统的物面上，通过光学系统去观察分辨率板上的哪一组线对，并查表得到其具体分辨率数值，本文所设计的CCD航空相机也是如此。

常见的分辨率板有3种图案形式，本系统采用最常用的WT1005-62型标准图案[7]进行测量，如图3所示。

图3 WT1005-62型标准图案分辨率板Fig.3 WT1005-62 standard pattern resolution plate

WT1005-62型分辨率板共有7块，用A1～A7表示，图3所示为其中一块。这7块分辨率板中，每一块都由25组明暗相间、方向不同的条纹组成，每组相应的序号标在旁边，根据条纹的疏密程度，即以单位面积上线条的宽度来表示分辨率的高低。当系统能够同时看清某一组4个方面的条纹时，可通过旁边的序号来查找出具体的分辨率值。理论上，A1～A7这7块分辨率板共有175组分辨单元，但每相邻的两块分划板都有重叠的部分，因此一共有85组相异的单元。为了排除重复的单元，测量时选用A1、A3、A5、A7四块分辨率板即可覆盖全部的85组相异单元。

在进行CCD航空相机动态分辨率检测的过程中，需要航空相机在拍摄的同时，分辨率板恰好位于平行光管的视场中。若采用单一的一块分辨率板，无法模拟动态目标，且测量效率也会降低，因此本文引入分辨率尺的概念。采用拼接的方式，在分辨率尺上分别刻上25组完全相同的A1分辨率板图案，形成一把分辨率尺；同理，制作含有A3、A5、A7三块分辨率板图案的其他三把分辨率尺，每把分辨率尺的尺寸为300 mm×24 mm，如图4所示。 图4 分辨率尺Fig.4 Resolution ruler

图4中，利用直线电机带动分辨率尺作匀速直线运动来模拟动态目标，达到在室内模拟飞机飞行的效果，从而进行CCD航空相机的动态分辨率测量。 3 光学系统设计

由于本系统是用于检测CCD航空相机的动态分辨率，因此需要使用长焦距、大视场的平行光管来模拟无穷远的平行光[8-10]。目前研究该项技术的哈尔滨工业大学和长春理工大学所采用的平行光管焦距多为f′=1 000 mm，偶有焦距f′=2 000 mm的，但视场角很小。本系统设计的平行光管入瞳直径D=200 mm，焦距f′=2 000 mm，视场角2ω=5°，其设计结果分别如图5～图8所示。 图5 光学系统结构图Fig.5 Optical system structure diagram 图6 调制传递函数曲线Fig.6 MTF curve

图7 纵向像差曲线Fig.7 Longitudinal aberration curve 图8 场曲和畸变曲线Fig.8 Field curve and distortion curve

图5为光学系统结构图，系统采用5片普通透镜实现长焦距，又使视场角不至于过小。图6为调制传递函数曲线MTF，从曲线中可以看出，当奈奎斯特频率为40 lp/mm时，全部视场的MTF曲线均高于0.5，成像质量很好。此外，大口径、长焦距光学系统会引入较大的色差和二级光谱，图7为纵向像差曲线，可以看出F、D、C三种色光的纵向像差曲线交于一点，二级光谱得到校正。图8为场曲和畸变

曲线，左侧为场曲，右侧为畸变，由于是检测航空相机的动态分辨率，因此比较注重畸变。从图8可见，系统的最大畸变仅为0.04%，完全满足航摄像机检测系统的像质要求。 4 结论

本文针对CCD航空相机动态分辨率检测的问题，设计了一套实验装置，用于模拟无穷远目标，并通过直线电机带动分辨率尺移动模拟真实飞行状态下的速高比，测量航空相机分辨率。重点研究了该检测装置的光学系统，设计了大口径、长焦距平行光管，利用波差法校正了二级光谱，且视场角高于其他高校同类产品的1.5°视场角，检测精度1″。同时，引入分辨率尺的概念，将每一块单独的分辨率板采用拼接的方式制作成分辨率尺，使得测量过程中无需频繁更换分辨率板，大大减小了测量时间，测量效率提高50%。

【相关文献】

[1] CHEN Ying. Design and implementation of a comprehensive test system for the performance detection system of an aviation camera[D]. Harbin: Harbin Industry of Technology, 2007

陈莹.航空相机性能检测系统中综合测试系统的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007. [2] LEBERL F W, PERKO R, GRUBER M, et al. Novel concepts for aerial digital cameras[J]. International Archives of Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2002, 34(1): 126-131.

[3] FU Yao. Research on ground scene simulation system of aerial camera [D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2010. 付饶.航空相机地面景物模拟系统研究[D].长春:长春理工大学,2010.

[4] DUAN Jie,DUAN Yuhan,SUN Xiangyang,et al. Design of performance detection system for panoramic aerial camera [J].Infrared and Laser Engineering,2014,43 (12): 3977-3982. 段洁,段雨晗,孙向阳等.全景航空相机性能检测系统设计[J].红外与激光工程,2014,43(12):3977-3982.

[5] LELONG C C D, BURGER P, JUBELIN G, et al. Assessment of unmanned aerial vehicles imagery for quantitative monitoring of wheat crop in small plots[J]. Sensors, 2008, 8(5): 3557-3585.

[6] FOWLER M J F. Archaeology through the keyhole: the serendipity effect of aerial reconnaissance revisited[J]. Interdisciplinary Science Reviews, 2004, 29(2): 118-134. [7] National Machinery Industry Bureau.People’s Republic of China mechanical industry standard JB/T9328-1999 resolution board [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2005. 国家机械工业局.中华人民共和国机械行业标准JB/T9328-1999分辨力板[M].北京:机械工业出版社,2005.

[8] MIAO Xinghua,XUE Mingqiu,AN Baoqing. Long focus parallel light tube: China，99256104.3[P]. 1999-12-22.

苗兴华,薛鸣球,安葆青.长焦距平行光管：中国,99256104.3[P].1999-12-22.

[9] PAN Junhua. Design of optical system for large relative aperture large line field of view [J]. Engineering Science of China, 2000,8 (2): -90.

潘君骅.大相对口径大线视场光学系统的设计[J].中国工程科学,2000,8(2):-90.

[10] JI Xiaohui,SUN Houhuan,ZHOU Bifang,et al. Development of optical system of large field of view parallel light tube [J]. Optical Instrument, 2008,30 (1): 55-58.

吉小辉,孙后环,周必方,等.大视场平行光管光学系统的研制[J].光学仪器,2008,30(1):55-58.