李永昆 林招榮 張緒國

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國外遠距斜視航空相機發(fā)展概況

李永昆1,2林招榮1,2張緒國1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100190） （2 北京市航空智能遙感裝備工程技術研究中心，北京 100190）

遠距斜視相機是航空成像領域的典型產(chǎn)品，通過遠距斜視成像，能夠對對方及鄰國邊境、軍事要地、戰(zhàn)略部署等進行大縱深高品質詳查。為發(fā)展中國航空遠距斜視成像技術，吸納國際先進技術，文章通過對全球鷹、DB-110等國際典型的傳輸型航空遠距斜視相機的成像系統(tǒng)、主要參數(shù)、關鍵技術、系統(tǒng)特點等的詳細介紹，指出了國際傳輸型航空相機的發(fā)展趨勢，分析了斜視航空相機關鍵技術，可為發(fā)展中國的斜視航空相機提供一定的技術借鑒。

遠距斜視成像 關鍵技術 發(fā)展趨勢 航空相機

0 引言

航空成像是獲取地面信息的重要技術手段，相比于衛(wèi)星成像，航空成像更加機動靈活，能夠彌補衛(wèi)星成像的時效性和分辨率不足的缺點，提供更為詳實的信息，是獲取信息不可缺少的手段[1]。航空遠距斜視成像相機是航空遙感成像設備的主要載荷形式之一。航空遠距斜視成像技術（即通過有人、無人偵察機裝載航空相機在斜視狀態(tài)下對目標成像）是高效能的現(xiàn)代化偵察技術，是實現(xiàn)偵察與監(jiān)視的重要手段，具有目標發(fā)現(xiàn)識別及技術分析的能力[2]。

利用機載遠距航空斜視相機，無須進入成像區(qū)就可以安全的完成多種成像任務，如：海洋監(jiān)視、大面積成像、點目標成像、海岸和邊界監(jiān)察預警、戰(zhàn)斗前的情報準備、戰(zhàn)斗中的敵情研究、目標的獲取識別、攻擊后破壞效果的評價以及作為衛(wèi)星成像的補充。目前，利用機載遠距斜視相機，可以對50 km至150 km的區(qū)域進行成像，具有針對性強、準確率高、獲取信息時效性強、靈活機動的特點，可以在短時間內獲取感興趣的重要目標信息[3-4]。

1 國外遠距航空斜視相機的發(fā)展概況

1.1 可見光傳輸型相機的成功研制

最初，世界各國采用膠片型相機進行軍事偵察。膠片型航空相機是較早使用的成像設備，其缺點是裝片量有限且飛機返航處理膠片需要一段時間，所以時效性低。1977年開始，仙童（Fairchild）公司開發(fā)了一種遠距光電遙感系統(tǒng)，其目的在于開發(fā)并實驗驗證采用CCD成像的能力。伊臺克（ITEK）公司將KA-102A相機同時使用膠片與光電傳輸，發(fā)現(xiàn)光電改進后的KA-102A可以完成更多的任務，能夠做到實時有效傳輸信息數(shù)據(jù)，而且其成像光譜范圍比膠片型相機寬，在霧、霾天等大氣傳輸條件差的時候更容易獲得信噪比高的圖像。

美國芝加哥航空公司（CAI公司）于20世紀80年代末研制的焦距長、分辨率高、攝影覆蓋面積大的CA-990機載遠距斜視傳輸型相機，有效提高了圖像實時傳輸?shù)男?。它采用時間延時積分電荷藕合器件（Time Delay Integration Charge Coupled Device，TDICCD）作為接收器，由7片TDI64器件拼接成15 232個像元的焦面陣列。每片器件像元數(shù)為2 176，像元尺寸11 μm，數(shù)據(jù)率290Mbit/s，所獲取的圖像可在飛機上顯示或以數(shù)字方式記錄，并把記錄的信息經(jīng)過實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)送到地面，得到高清晰和高分辨率的圖像，在90 km傾斜距離（斜視角度±0°~±30°）時的像元分辨率可達0.37 m[5-6]。

1.2 國外典型傳輸型機載雙波段遠距斜視相機

可見光相機雖然分辨率高，但為了能夠對目標進行晝夜連續(xù)成像，相機必須具備紅外傳感器。長焦距高分辨率遠距斜視相機利用中波紅外（3 μm~5 μm）具有穿透霧、霾、煙的能力，可以24 h應用，從而能夠對目標實現(xiàn)全天時、全天候的連續(xù)成像。紅外探測器的研制與紅外成像探測技術的引入推動了世界各國對具有晝夜成像能力的機載雙波段航空遠距斜視成像相機的研制[7]。

目前，國外典型的傳輸型遠距航空斜視雙波段相機有美國Raytheon公司研制的全球鷹相機、Goodrich公司的DB-110相機、英國BAE系統(tǒng)公司的F-9120相機以及以色列Elbit光電公司生產(chǎn)的LOROP相機等，其主要技術指標見表1。

表1 典型相機參數(shù)

注1：獲得分辨率指標的成像距離

下文將對以畫幅式成像的全球鷹相機和以全景掃描成像的DB-110與F-9120相機的主要技術性能進行詳細介紹。

1.2.1 全球鷹相機

全球鷹相機是美國Raytheon公司研制的一種具有廣域搜索與目標定位能力的高精度、長焦距、雙波段航空成像傳輸型相機?？梢姽庾V段采用Kodak商用面陣CCD，波長范圍0.55 μm~0.8 μm；紅外譜段采用第三代InSb紅外傳感器，可以對波長為3.7 μm~5 μm的中波紅外波段進行成像，能夠識別車輛、飛機、導彈等目標。通過雙波段組合獲得單個譜段所不能得到的信息，使相機具備晝夜連續(xù)成像的能力。

可見光譜段焦平面像元數(shù)為1 024×1 024，紅外為480×640；寬區(qū)域搜索模式幅寬10 km，定點模式覆蓋區(qū)域2 km×2 km。設計指標為：太陽高度角45°、成像距離28 km時，可見光圖像可達到國家圖像解釋級別（National Interpretation Rating Scale，NIIRS）6.5級（0.3~0.5 m），紅外為5.5級（0.6~0.9 m）。寬區(qū)域搜索可以在一天之內覆蓋4′104km2的區(qū)域，“聚束”模式1天可以采集1 900個2 km×2 km的區(qū)域。

成像時主鏡連續(xù)掃描，內置反射鏡后像掃描保持畫面靜止，整個光電系統(tǒng)安裝于全球鷹相機的頭部。在穩(wěn)像方式上，該相機將光學系統(tǒng)安裝在兩軸穩(wěn)定框架的內環(huán)中，控制相機光學系統(tǒng)沿滾動、俯仰兩個方向運動，配合反射鏡的視軸復合控制技術來實現(xiàn)相機的穩(wěn)像與像移補償功能，相機的視軸穩(wěn)定精度達到3 mrad，穩(wěn)定帶寬能達到300 Hz，并可以實現(xiàn)30幀/s的高頻步進凝視成像[8-9]。其相機與穩(wěn)像系統(tǒng)如圖1所示。

1.2.2 DB-110相機

DB-110相機是典型的雙譜段傳輸型航空遠距斜視相機,目前已成功發(fā)展到第三代產(chǎn)品，是當今世界上最有效的晝夜成像系統(tǒng)，它集成了最成熟先進的技術。

它采用兩套共四組光學系統(tǒng)，第一套光學系統(tǒng)焦距長，可以獲得20~80 n mile遠目標的高分辨率圖像，可見光焦距2 794 mm，紅外波段焦距1 397 mm，第二套光學系統(tǒng)用于近距離成像，具有較強的適應性，相機能夠在低、中、高三種高度工作。在成像方式上，可見光通道使用TDICCD器件，采用雙向連續(xù)掃描的全景成像方式，大大提高了成像的總視場與成像效率。紅外通道采用面陣器件“步進凝視”成像，在曝光時間內，通過后向掃描鏡保證在成像時刻面陣器件所拍攝的區(qū)域一致，而且在成像時確保每兩幀圖像具有一定的重疊率。通過高品質的可見光和紅外焦平面，使得相機能夠獲得較高的空間分辨率和信噪比。可見光譜段分辨率為0.15 m（距離50 km），紅外譜段為0.33 m（距離50 km），掃描斜視角度4°~28°，覆蓋范圍可達23 km~100 km。

DB-110利用混合成像模式（掃描和步進凝視）達到了優(yōu)化各個譜段性能的效果。可見光通道采用先進的64級TDI成像器件，能夠提高目標亮度的調整能力，從而獲得較高的信噪比。紅外通道把兩個商用器件（Commercial Off-The-Shelf，COTS）通過光學的方法耦合在一起，獲得了較高的覆蓋能力。第三代DB-110還增加了低空成像及中波紅外超寬視場成像的功能，它集成了2.5英寸（1英寸=25.4 mm）焦距的紅外傳感器，使其能夠在1 000英尺（1英尺=0.3048 m）的高度對目標晝夜成像。第三代DB-110實現(xiàn)了窄視場、寬視場和超寬視場三種視場成像的功能。在穩(wěn)像技術上，第三代DB-110繼承了前兩代驗證過的雙軸穩(wěn)定平臺，這種雙軸設計可以把飛機工作過程中的振動和像移控制在亞像元級，將光軸跳動精度控制在1/2個像素之內[10-13]。圖2為相機外觀圖。

1.2.3 F-9120相機

F-9120相機是BAE系統(tǒng)公司研發(fā)的全鈹鋁雙波段成像相機，其結構件與反射鏡均采用鈹鋁合金作為材料，使得該相機最大的優(yōu)點為結構緊湊、質量小。該相機配有長短兩種焦距的光學系統(tǒng)，滿足從中空到高空的垂視和斜視成像的要求。相機的可見近紅外通道和紅外通道都采用線陣TDI探測器實現(xiàn)全景掃描，通過集成紅外傳感器實現(xiàn)對目標晝夜成像監(jiān)視的需求。EO遙感器的分辨率指標為太陽高度角大于30°狀態(tài)下（斜距128 km）提供的可見光圖像可達NIIRS為4級（1.2~2.5 m），紅外波段在斜距為102 km時地面像元分辨率為3 m。在穩(wěn)像方式上，相機采用俯仰與滾動兩軸慣性穩(wěn)像技術，通過驅動掃描鏡沿滾動與俯仰兩個方向轉動來完成掃描穩(wěn)像與像移補償功能[14-15]。如圖3為F-9120相機外觀圖。

2 航空遠距斜視相機的關鍵技術

遠距斜視相機經(jīng)歷了從膠片相機到數(shù)字雙波段、多光譜的發(fā)展歷程，其功能與成就的實現(xiàn)離不開一系列關鍵技術的突破。

高分辨率一直是研制航空遠距斜視相機追求的關鍵指標，但高分辨率目標的實現(xiàn)使得遠距斜視相機焦距長、成像光路復雜，因而對溫度及載荷振動等環(huán)境變化都極其敏感而易造成離焦。考慮到航空相機始終處于高速運動等因素，給高分辨率雙波段光學系統(tǒng)的設計、加工、裝調等帶來許多困難，嚴重影響著相機的成像品質、定位跟蹤精度等。必須解決諸如像移補償、慣性穩(wěn)定控制及穩(wěn)像、高精度自動環(huán)控、色散補償、目標快速精準定位跟蹤、廣域監(jiān)視搜索、高精度自動調焦等關鍵技術，以下將對這些關鍵技術進行介紹。

2.1 高精度慣性穩(wěn)像與像移補償技術

由于航空相機的高速運動、姿態(tài)變換、載體振動、大氣湍流擾動等原因，使得相機在曝光時間內引起被攝物與成像介質的相對運動造成像移，導致成像模糊，影響圖像的判讀，所以慣性穩(wěn)定控制、穩(wěn)像與像移補償技術是遠距斜視相機的核心技術，穩(wěn)像的好壞決定著相機系統(tǒng)的成像品質、指向精度、定位精度等。

一般認為像移量不超過1/3~1/2個像元不會造成圖像模糊。遠距斜視相機在曝光時間內產(chǎn)生的前向飛行像移量的計算公式為

式中為像移量；為飛機速度；為焦距；為航高；為曝光時間；θ為掃描角。某飛機飛行速度600~1 000 km/h，航高10~20 km，遠距斜視相機焦距2 m，曝光時間為5 ms，掃描角30°，按其最小速高比算出最小像移量為41.67mm，遠遠超出了1/2個像元尺寸（目前TDICCD的像元尺寸約為8mm~24mm）。與衛(wèi)星成像相比，航空成像由于速高比相對較大使得像移量遠遠超出了允許值，像移與飛機振動導致跟蹤精度、跟蹤穩(wěn)定性、成像品質等大為下降，因此必須進行像移補償與高精度穩(wěn)像控制。良好的像穩(wěn)技術是遠距斜視相機在高速運動中獲得高品質、高分辨率圖像的前提。國外先進的機載雙波段斜視相機大都采用俯仰、滾動兩軸伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)像移補償功能。加拿大L-3公司光電吊艙474HD采用X-Mast精密穩(wěn)定技術與6軸被動隔振技術能夠將穩(wěn)定精度控制在2μrad以內，494HD與474HD類似，還采用了先進的噪聲抑制技術、大氣湍流抑制技術等使視軸穩(wěn)定精度<1μrad。474HD與494HD如圖4所示。

2.2 高空高精度自動環(huán)控技術

除像移外，溫度、氣壓是影響相機成像的主要因素。與衛(wèi)星成像相比，工作在20~30km高空下的航空相機，其外界環(huán)境在短時間內發(fā)生極大變化，空中的典型溫度可達-50℃，壓強為0.1Pa，與地面常溫常壓相比，相機環(huán)境變化極為惡劣。因此機載相機高速運動中，隨著成像環(huán)境與高度的變化，氣壓、溫度等的改變將引起焦距、鏡面及成像介質一系列變化，鏡面、焦面發(fā)生偏移引起離焦致使像質嚴重下降，尤其是對高分辨率長焦距斜視相機的影響更大，所以要對相機工作環(huán)境進行自動實時控制，將其工作環(huán)境控制在成像要求允許的范圍內。據(jù)報道，474HD光電吊艙的溫控精度可達到±0.2℃[16-17]，光電吊艙外形見圖4。

圖4 光電吊艙外形圖

2.3 目標快速精準定位跟蹤技術

信息化戰(zhàn)爭的出現(xiàn)提出了對目標快速精準定位跟蹤的要求，與衛(wèi)星成像相比，航空成像具有針對性強、機動靈活的特點。斜視相機在高速運動中快速成像并實時對目標進行定位、跟蹤、監(jiān)測，獲得目標形狀、位置、運動速度等屬性，掌握目標運動狀態(tài)變化，理解目標的行為目的，滿足精確成像的要求，做到“抓得到，跑不了”。航空相機通過集成先進的定位跟蹤模塊能夠在高速運動中對目標精準捕捉追蹤，這是優(yōu)異于衛(wèi)星成像最為顯著之處，是航空斜視相機必須掌握的關鍵技術。在國外，先進的目標定位技術已應用于多種武裝設備，包括基于測角的實時定位、融合數(shù)字地圖（DEM）和視頻導航的準實時定位，其定位精度可以達到“米”級。

2.4 TDICCD總線適配技術

航空TDICCD相機系統(tǒng)為了清晰的獲取目標圖像，需要機載導航設備實時提供飛機的姿態(tài)和運動信息.與衛(wèi)星成像相比，航空相機運動狀態(tài)變化極快，相機穩(wěn)定系統(tǒng)工作需實時引入飛機俯仰、滾動與速高比等數(shù)據(jù)，相機總線適配技術是實施相機與機載導航設備信息共享與融合的關鍵。根據(jù)TDICCD圖像傳感器的特性，驅動TDICCD時序控制電路的行掃速度必須與像移速度嚴格同步，即行掃速度隨著飛機速高比變化而改變，這就需要設計出符合CCD正常工作時的、與相機運動狀態(tài)快速變化相匹配的、精確的定時脈沖和驅動控制電路，解決TDICCD的總線適配技術。只有當定時和驅動控制脈沖與CCD傳感器配合良好時，才能發(fā)揮CCD的光電轉換功能[18-19]。

3 國外傳輸型遠距航空斜視相機的發(fā)展趨勢

目前，國外遠距斜視相機遇到的主要困難是：1）紅外成像探測技術溫度靈敏度還有待提高，尤其是目標源溫度與環(huán)境偽裝物體溫度接近時，如何提取目標源的光譜信息至關重要，這對夜間及惡劣天氣條件下成像偽裝目標具有重要的發(fā)展意義；2）高精度自動環(huán)控技術不足，造成相機在溫差、氣壓差大的條件下，鏡面、焦面發(fā)生較大偏移而對像質產(chǎn)生極大影響；3）焦距長、相對孔徑大使得相機格外笨重，相機質量和外形過大嚴重制約著其他技術模塊植入遠距斜視相機。

基于目前對超高分辨率、目標快速精準定位、通過機載相機獲取更豐富的圖像和光譜信息以及能夠對圖像信息快速實時處理的需求，能夠進行晝夜連續(xù)成像的高中低空高精度戰(zhàn)術成像的綜合性系統(tǒng)將是未來航空相機的主要研究對象。

通過前文對國外典型相機關鍵技術、系統(tǒng)特點、性能指標等的分析，結合國際應用市場的需求，未來的航空相機主要有以下發(fā)展趨勢:

1）全色全景掃描TDICCD將成為主要的成像方式。全景掃描成像的優(yōu)點在于通過相機掃描擴大了成像的總視場，而且全景掃描成像像元配準好、定標方便、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好；

2）多光譜、高光譜、超光譜成像技術的應用前景很好，光譜成像傳感器依靠目標與背景的固有光譜差別成像，具有更好的反偽裝、反隱身等反欺騙能力，多光譜航空成像相機將會是航空遠距斜視成像相機的重點發(fā)展方向；

3）傳統(tǒng)長吊艙向球形轉塔和長吊艙兩種結構形式并存發(fā)展。球形轉塔的能夠適應平流層飛行、高空長航時無人機等平臺，實現(xiàn)廣域360°搜索成像、跟蹤和定位，以進行高精度成像[19-20]。

4 結束語

本文以國外先進的傳輸型航空遠距斜視相機為主要研究對象，詳細介紹了國外典型相機的主要技術性能，總結了未來航空相機的發(fā)展趨勢，為未來發(fā)展航空遠距斜視成像技術提出了發(fā)展方向，并為中國發(fā)展遠距斜視成像技術提供了技術借鑒。

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（編輯：毛建杰）

Development Survey of Foreign Aerial Cameras for Distant Oblique Reconnaissance

LI Yongkun1,2LIN Zhaorong1,2ZHANG Xuguo1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100190, China） （2 Beijing Engineering Technology Research Center of Aerial Intelligent Remote Sensing Equipments, Beijing 100190, China）

The aerial long-range oblique reconnaissance camera is a typical product in aerial reconnaissance. Through the long-range oblique reconnaissance, high quality detailed investigation can be conducted on the border of the neighboring countries, military areas and strategic deployment. In order to promote the development of the aviation remote squint imaging technology in China by absorbing advanced foreign technology, many aspects of the typical transmission type aerial distant squint cameras, such as HAWK and DB-110, are introduced in detail, including the imaging system, main parameters, key technologies and system characteristics. The development trend of transmission type aerial camera abroad is pointed out, and the key technologies of squint aerial camera are analyzed, which can provide some technical references for the development of squint aerial camera in China.

long-range oblique reconnaissance; key technology; development trend; aerial camera

V245.6

A

1009-8518(2017)06-0011-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.002

李永昆，男，1992年生，2015年獲南京理工大學機械工程及自動化專業(yè)工學學士學位，現(xiàn)在中國空間技術研究院飛行器設計專業(yè)攻讀碩士學位。研究方向為空間光學遙感器總體設計。E-mail: yongkunli1992@163.com。

2017-08-28