|
|
|
|
|
|
访问总数：15953 人次 |
 |
|
| |
|
|
 本刊论文 |
| 航空CCD相机自动调焦系统设计 |
| 作者：秩名 时间：2016/10/22 点击：881 |
1 引言
自动调焦技术应用在普通地面相机上是非常普遍的，主要是依据成像公式根据物距来调整像距。但对长焦距、高分辨率航空相机来说，由于在空中进行摄影的工作环境比较恶劣，大气温度和压力的变化使镜头的焦距发生变化，产生离焦，造成像面上影像模糊，分辨率降低，不考虑温度、压力影响的自动调焦技术无法获得满意的图像质量。本课题自动调焦系统的设计是找出离焦量与温度、压力和摄影高度等参数之间的关系，摄影时，根据温、压传感器实测的温度、压力值以及飞机GPS提供的高度数据，利用调焦控制系统来调整相机CCD焦面的位置。
2 离焦因素分析
 航空摄影时相机离焦主要原因是由于大气温度、压力和摄影高度的变化引起的。大气温度和压力的变化使空气的折射率、镜头玻璃的折射率、曲率半径、镜间间隔和镜箱长度等发生变化；摄影高度变化时，像距也不断变化；以上变化导致影像偏离焦面（CCD），产生离焦量 ，如图1所示，造成影像模糊，分辨率下降。
2．1大气温度和压力的影响
温度变化，使镜头玻璃的折射率、曲率半径、镜间间隔和镜箱长度发生变化，产生温度离焦，温度变化产生的离焦量计算公式为：
 （1）
式中∶  －镜头焦距
 —金属线膨胀系数
 —温度变化1℃镜头的离焦系数
 —温度变化量
大气压力变化使空气折射率变化，造成镜头焦距改变，产生离焦量为：
 （2）
式中∶p—环境大气压力， —标准大气压力， —空气折射率， —玻璃折射率
2．2摄影高度的影响
航空摄影时，摄影高度一般是变化的，根据物像共轭关系，只有无穷远所成的像是在焦面上，实际高度变化时，产生离焦量。根据物像关系推导出：
 (3)
式中∶ H－摄影高度
3 系统设计
 自动调焦系统根据温度、压力传感器的信号跟踪相机机体和镜头焦距的变化，根据机载GPS提供的高度信号，通过移动CCD，使其表面与调焦平面重合。如图2所示，相机镜头温度传感器（镜头温传）、机体温度传感器（机体温传）和大气压力传感器（压传）输出的微弱信号经放大器放大后，通过A/D转换器送往单片机8031，高度信号通过GPS接收模块获得从数据总线读取的数字量；经过公式（1）、（2）、（3）的计算，获得调焦量值，经过D/A转换，H型功放，使调焦电机工作，调焦电机带动减速器旋转，而转数由多圈旋转电位计进行检测反馈，至到要求的调焦量，位置计数器在地面测试时可以记录最佳图像位置。
3.1温度传感器
温度传感器采用的是WZP铂热电阻Pt100，它是一种利用金属电阻随温度变化的特性，具有正的电阻温度系数，测温范围宽，复现性好。是一种低电平、非线性的，具有极好的稳定性和精确度。其测量范围-200℃～+500℃。
在0℃～500℃时电阻值 与温度t的关系为
在-200℃～0℃时电阻值与温度t的关系为
∶在温度为t时铂热电阻的电阻值；
t∶温度℃；
 ∶0℃时电阻值；
a1∶3.90802×10-3／℃；
a2∶-5.847×10-7／℃；
a3∶-4.27350×10-12／℃。
当温度变化Δt，铂热电阻阻值也随之发生ΔR的变化量。要测量Δt，必须测知ΔR。ΔR的测量电路采用的是桥式平衡测量电路。这种电路是将铂热电阻作为桥式电路的一个臂，当铂热电阻变化时引起桥式电路不平衡，产生电压，通过三运放构成的测量放大电路和A／D转换接口，经计算就得到铂热电阻变化时对应的温度值。
3.2压力传感器
压力传感器采用摩托罗拉MPX2000硅压力传感器。该传感器是具有片内温度补偿和校正网络，其温度补偿范围为0～＋85℃；具有±0.25％的满量程线性度，这种网络中的电阻是经过计算机控制下的激光修正，因而精度很高，补偿效果好、稳定性好、漂移小，使用方便。论文参考网。对于压力传感器输出的微弱信号，采用的也是三运放构成的测量放大电路对信号进行放大。
4 调焦精度测试分析
调焦精度的高低直接影响成像质量，因此，必须对系统的调焦精度进行测试。
4. 1测试原理
测试自动调焦系统的调焦精度，是在实验室模拟空中摄影的条件，即在压力、温度和摄影高度变化时进行的。
 测试装置如图3所示，采用BU3000准直仪， =3000mm；航空CCD相机， =900mm；摄影密封舱(压力、温度可调)；相机测控台等。
准直仪通过调节分辨率板刻度值模拟不同摄影高度值，可调温、调压的航空相机密封舱模拟变化的温度和压力，通过相机操纵器输入对应高度数据并控制相机工作；在准直仪分辨率滑板刻度对应某一高度分辨率板的像在CCD焦面上输出，记录其分辨率值。论文参考网。然后在此刻度值前后调节分辨率板位置找出分辨率最高所对应的刻度值位置，所对应高度的刻度值与分辨率最高的刻度值之差 ，根据公式（4）可计算出调焦的误差。
 （4）
为保证分辨率，规定了相机的允许调焦误差的值，其计算公式为∶
 允= （5）式中∶  －焦深
 －工作波长
F－光圈系数
相机允许的调焦误差很小，当超出允许的范围，分辨率将下降很快。论文参考网。当航空相机参数 ， 时，由（5）式计算出允=0.034mm。
4．2测试结果分析
相机调焦起始零位：当压力为0.1 Mpa，温度T=20℃，无穷远高度，调焦的误差为0，此时相机调焦位置为分辨率值最大。对应准直仪分辨率板刻度值为0时。
压力为0.07 Mpa，温度T=10℃， 3000米高度对应准直仪分辨率板刻度值3，测出分辨率值。然后，刻度值每隔±0.5mm测一次分辨率值，得到曲线A。其分辨率最大值点为3.2mm,差值为0.2mm，根据公式（4），调焦的误差是0.018mm。
 压力为0.05 Mpa，温度T=5℃， 9000米高度对应刻度值1mm，测出分辨率值。然后，刻度值每隔±0.5mm测一次分辨率值，得到曲线B。其分辨率最大值点对应的刻度值是1.3mm， 9000米高度的刻度值与分辨率最高的刻度值之差为0.25mm，根据公式（4），调焦的误差是0.022。
压力为0.02 Mpa，温度T=0℃，45000米斜距对应刻度值0.2，测出分辨率值。然后，刻度值每隔±0.5mm测一次分辨率值，得到曲线C。其分辨率最大值点对应的刻度值是-0.1mm，误差为0.3mm，根据公式（4），调焦的误差是0.027mm。
通过实验室测试可以看出，三种情况下，自动调焦系统的调焦误差均低于允许值0.034mm的指标，设计的自动调焦系统满足调焦精度要求。调焦系统误差的产生主要来自两方面，一是理论公式计算出的离焦量与实际产生的离焦量之间的误差；二是调焦系统的机械误差。
机载试验中，在1000～8000米不同高度拍摄三线靶标，由于分辨率值与自动调焦精度和像稳定系统的精度有关，因此机载分辨率值是一项综合指标。鉴定结论为：机载分辨率指标达到设计要求，影像清晰。
5 结束语
基于温、压传感器和高度的自动调焦系统解决了由于环境变化引起的航空相机影像离焦问题，经过在实验室测试、试验试飞和应用证明：系统工作稳定可靠，调焦精度高。
参 考 文 献
1 惠守文.长焦距斜视实时航空相机离焦补偿.光学精密工程,2003
2 郑春阳,李胜利,徐敏.采用步进电机的CCD自动聚焦控制系统.微特电机,2004
3许兆林,贾晓笑,赵育良,王尚强. 长焦距航空相机系统. 北京：海潮出版社,2005 |
|
|
|
|
