像移补偿技术的发展与展望

航空相机广泛采用像移补偿技术来提高成像质量和相机分辨力。本文分析了像移补偿的原理并介绍了国内外较多采用的像移补偿技术,如光学式像移补偿法、机械式像移补偿法、集成像移补偿法、数字式像移补偿法等。文中列举了像移补偿过程中获取重要参数速高比的常用方法,包括平行狭缝法、扫描相关法、外差法、光程差法、直接计算法等。最后讨论了像移补偿技术数字化的发展方向,以及速高比测量的数字化、实时化、小型化发展趋势,提出了采用面阵CCD结合高性能微处理器获取速高比的新思路。     

一种彩色面阵CCD测绘相机前向像移的补偿方法

 为了实现对前向像移的补偿,提出一种通过合理调整快门曝光时间和飞机速高比之间的关系来补偿前向像移的方法,对前向像移产生的原因进行研究。介绍彩色面阵CCD工作原理、相机工作原理,从光学系统成像原理的角度分析产生前向像移的原因,还分析了速高比和曝光时间误差。实验结果表明：速高比误差和曝光时间误差均可控制在合理误差范围内,满足前向像移量小于1.5个像元尺寸的补偿要求,达到了测绘相机的精度指标。     

一种全帧型CCD航空相机像移补偿方法

提出一种全帧型CCD航空相机像移补偿的实现方法.应用全帧型CCD在机械快门不关闭的情况下连续曝光的特点,并根据不同的速高比控制暂停脉冲的个数和宽度,控制了CCD垂直转移的速度,使CCD在曝光的同时进行转移和读出,实现了全帧型CCD航空数码相机航向方向的像移补偿.实验数据表明：该方法能够实现全帧型CCD像移补偿的功能.     

快速反射镜在像移补偿中的应用

本文提出了一种基于快速反射镜的像移补偿方法用于解决航空成像中的像移问题。首先通过计算航空相机在曝光时间内的像移速度证明了像移补偿的必要性;针对快速反射镜存在伺服模型不确定性的问题,设计了模型参考自适应控制器;最后通过实验验证了该算法的性能,结果显示:采用本算法后,快速反射镜的阶跃响应稳定时间降低了50%以上,在振动情况下快速反射镜的稳定精度都可以达到10μrad,精度比传统控制方案提升10倍以上。最终的像移补偿成像实验成功验证了基于快速反射镜的像移补偿方案有较高的工程应用价值。     

含扫描反射镜的星载相机异速像移分析

在星载相机中,扫描反射镜通常会带来异速像移,导致时间延迟积分(TDI)CCD上像移分布不均,不同摆角下,这种分布情况均不同,给像移补偿造成困难,难以获得清晰的成像效果。为此进行分析,建立了含扫描反射镜的像移模型。针对某一低轨卫星参数进行仿真,得到了在不同摆角下,不同视场对应的像面像移量和偏流角。若以像面中心像移量和偏流角作为补偿标准,补偿后,CCD各点的偏流角残差较小,当像移量残差小于1/3pixel时,即可认为补偿有效。不同摆角下,这种补偿效果是不同的。通过分析,当摆角在(-20℃,-0.12℃)和(0.17℃,20℃)内时,异速像移明显,成像效果不佳;在(20℃,35℃)、(-35℃,-20℃)和(-0.12℃,0.17℃)范围内时,补偿效果好,利于成像;摆角为0,即对星下点拍照时,成像效果较好,此时摆角的控制精度应在(-0.12℃,0.17℃)范围内。以上研究可为稳像机构设计提供一定参考。     

基于倾斜刃边法航空相机像移的调制传递函数测量

由于航空相机拍照时存在像移,会导致成像质量下降,因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据,即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小,来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大,而且只能定性评价。为了建立航空相机成像质量与像移补偿系统其他指标之间的直接关系,提出使用倾斜刃边法测量航空相机像移的调制传递函数(MTF)。设计了相应的实验,实验中通过转台的转动模拟航空相机的扫描像移,分别通过倾斜刃边法测量像移的MTF和通过理论模型计算像移的MTF。实验结果表明,在空间频率为0.10cycle/pixel时,转台以3、5、8°/s转动时,两种方法得到的MTF之间的误差百分比分别为0.77%、1.15%、4.91%,进而证明了该方法的有效性。     

TDI-CCD全景航空相机的像移速度场计算模型研究

针对扫描反射镜和电荷耦合器件(CCD)时间延迟积分(TDI)无法完全补偿前向像移和摆扫像移的问题,提出了TDI-CCD全景航空相机像移速度场的计算模型。根据相机结构和像移补偿原理,用坐标变换和共线方程建立了成像几何模型,在此基础上利用微分法推导出像移速度场的解析式。数值分析表明,像点位置越接近CCD靶面的后边缘,扫描角和前向补偿角越大,像移速度越大。对于TDI级数为100、CCD像元数为14000的全景航空相机,当扫描角小于-1.5°、前向补偿角小于4.16°时,可满足最大像移补偿残差小于1pixel的要求。实验结果验证了模型的有效性,该模型可作为定量分析TDI-CCD全景航空相机像移补偿误差的理论依据。     

前向像移补偿下航空测绘相机畸变的纠正方法

为了提高航空测绘相机的制图精度,研究了前向像移补偿过程中测绘相机畸变的纠正方法。根据光学像差理论对畸变的影响因素进行了分析,得到了前向像移补偿过程中影响畸变的关键参数。考察了主点、主距等参数变化对畸变的影响规律,在此基础上提出前向像移补偿下畸变的计算模型。依据提出的模型对前向像移补偿下的航空测绘相机进行了数学仿真及外场飞行实验。结果表明,提出的算法稳定、有效,可以有效地纠正前向像移补偿时航空测绘相机的畸变,平面位置中误差较传统纠正方法可提高1.38倍。     

天基光学成像系统像移研究及补偿技术发展现状及趋势（特邀）

天基各类光学系统在成像过程中，受卫星轨道变化、姿态角变化等因素以及跟踪速度误差、平台及各运动部件颤振的影响会造成像移。像移会导致图像分辨率降低，图像模糊，严重影响最终的图像质量，因此如何抑制动态像移的影响已成为获取高分辨率清晰图像的瓶颈。目前已有的研究基本都是从单独的应用领域去分析像移的产生因素，没有系统全面的将天基光学系统像移的产生和补偿技术进行综合呈现。本文在简述像移影响机理及像移补偿技术的基础上，对天基成像按照用途分类，详细介绍近年来国内外在对地遥感、空间天文探测、火星探测和空间目标探测成像领域像移影响及补偿的研究进展。通过对国内外研究现状的跟踪分析，预测天基光学成像系统像移研究的发展方向，进一步提升对我国空间光学技术发展方向的理解，为我国航天光学技术和装备的发展提供指导。     

远距斜视航空相机获取大场景图像技术研究

针对远距航空相机视场角较小的问题,介绍了目前常用的几种像移补偿技术,并对各种补偿方法进行了比较。采用小面阵相机并结合系统光学元件通过在横滚方向的摆扫实现大场景地面成像,对摆扫过程进行了数学分析,得出了摆扫所需的扫描指令。通过仿真实验验证了推导的数学公式的正确性,仿真结果表明,应用该扫描指令即可通过小面阵航空相机实现地面大场景图像的获取。     

第六届全国高速摄影与光子学会议评述

第六届全国高速摄影与光子学会议,于1990年12月20日至22日在西安召开。来自全国31个单位的116名代表参加了会议。会上,高速摄影与光子学专业委员会主任侯洵研究员作了“西安光机所在高速摄影与光子学方面进展”的报告;专业委员会常务副主任陈俊人研究员作了有关“第19届国际高速摄影与光子学会议情况”报告。     

风洞中投弹运动的三维高速立体摄影测量

高速立体摄影测量是高速摄影中的一个重要分支。它可以获得运动物体的三维信息。本文介绍了风洞中飞机投弹时,用高速立体摄影测量弹的位移速度、加速度、攻角和偏航角等参数。摄影采用两台高速电影摄影机,它们的光轴互相垂直并共面,此面与铅垂线垂直。其中一台相机(正面相机)的光轴与飞机机身平行,另一台(测面相机)与机身垂直。事先用摄影方法测得两台相机各自的物距和焦距。摄影频率为304fps。     

Visual Passive Ranging Method Based on Re-entrant Coaxial Optical Path and Experimental Verification

To overcome the shortcomings of the traditional passive ranging technology based on image, such as poor ranging accuracy, low reliability and complex system, a new visual passive ranging method based on re-entrant coaxial optical path is presented. The target image is obtained using double cameras with coaxial optical path. Since there is imaging optical path difference between the cameras, the images are different. In comparison of the image differences, the target range could be reversed. The principle of the ranging method and the ranging model are described. The relationship among parameters in the ranging process is analyzed quantitatively. Meanwhile,the system composition and technical realization scheme are also presented. Also, the principle of the method is verified by the equivalent experiment. The experimental results show that the design scheme is correct and feasible with good robustness. Generally, the ranging error is less than 10% with good convergence. The optical path is designed in a re-entrant mode to reduce the volume and weight of the system. Through the coaxial design,the visual passive range of the targets with any posture can be obtained in real time. The system can be widely used in electro-optical countermeasure and concealed photoelectric detection.     

A. 高速摄影机和判读设备

本文介绍了间歇式、棱镜补偿式、转镜高速摄影机和判读仪的新进展,也涉及到十八届国际高速摄影与光子学会议展览会的部分内容。     

Cu/Al引线键合界面金属间化合物生长过程的原位实验研究

铜引线键合由于在价格、电导率和热导率等方面的优势有望取代传统的金引线键合, 然而Cu/Al引线键合界面的金属间化合物(intermetallic compounds, IMC)的过量生长将增大接触电阻和降低键合强度, 从而影响器件的性能和可靠性. 针对以上问题, 本文基于原位高分辨透射电子显微镜技术, 研究了在50–220 ℃退火温度下, Cu/Al引线键合界面IMC的生长问题, 实时观测到了Cu/Al IMC的动态生长及结构演变过程. 实验结果表明, 退火前颗粒状的Cu/Al IMC 分布在键合界面, 主要成分为Cu₉Al₄, 少量成分为CuAl₂. 退火后Cu/Al IMC的成分是: 靠近Cu一端为Cu₉Al₄, 远离Cu的一端为CuAl₂. 同时基于原位观测Cu/Al IMC的动态生长过程, 计算得到了Cu/Al IMC 不同温度下的反应速率和激活能, 给出了基于原位实验结果的Cu/Al IMC的生长公式, 为优化Cu/Al引线键合工艺和提高Cu/Al引线键合的可靠性提供了指导.     

X射线条纹相机紫外光时标研究

 报导了一种采用超短紫外光脉冲作为X 射线条纹相机时标系统的方法。时标光脉冲来自用多模石英光纤耦合的波长为1.06μm 四倍频超短紫外光脉冲激光系统。时标光脉冲与打靶产生的X 射线均被X 射线条纹相机接收, 以用来测定激光打靶时X 射线产生的相对时间关系或相机之间同步的时间关系。实验得到通过光纤引导的时标光脉冲宽度约为30ps。     

Close-range optical measurement of aircraft''''s 3D attitude and accuracy evaluation

A new screen-spot imaging method based on optical measurement is proposed, which is applicable to the close-range measurement of aircraft's three-dimensional (3D) attitude parameters. Laser tracker is used to finish the global calibrations of the high-speed cameras and the fixed screens on test site, as well as to establish media-coordinate-frames among various coordinate systems. The laser cooperation object mounted on the aircraft surface projects laser beams on the screens and the high-speed cameras syn-chronously record the light-spots' position changing with aircraft attitude. The recorded image sequences are used to compute the aircraft attitude parameters. Based on the matrix analysis, the error sources of the measurement accuracy are analyzed, and the maximum relative error of this mathematical model is estimated. The experimental result shows that this method effectively makes the change of aircraft position distinguishable, and the error of this method is no more than 3' while the rotation angles of three axes are within a certain range.     

3D shape measurement of a ground surface optical element using band-pass random patterns projection

For manufacturing a fine optical glass lens, it is important to obtain a 3D profile of a semi-finished product with a rough surface. We develop an active binocular 3D scanning setup to measure the 3D profile of a rough surface optical element. Two cameras simultaneously capture the band-pass binary random patterns which are projected on the target object. The highlight of this system is using the temporal correlation technique to determine the stereo correspondence between the pixels of the two cameras. The 3D point cloud can be reconstructed by the triangulation principle. Experiment results confirmed that this method effectively measures the rough surface of an optical element with sufficient accuracy.     

单摄像机虚拟立体视觉测量技术研究

以双目立体视觉传感器三维测量模型为基础,提出了一种用于测量空间三维点坐标的低成本单摄像机模型。该模型利用光学成像,把单摄像机镜像为一对虚拟摄像机,在一个CCD像面上采集到同一物体存在视差的两幅图像,从而恢复空间点的三维信息。讨论了单摄像机传感器测量空间三维点坐标的基本原理,建立了单摄像机传感器的测量模型,克服了双摄像机系统中成本高、切换采集左右摄像机的图像使检测速度减慢等诸多缺陷,为空间三维点的精密测量提供了经济、快速、有效的测量途径。实验表明．传感器可实现约0．8％的相对测量精度．证明了本方案合理、有效。