黃厚田 ，王德江，沈宏海，高玉軍

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

航空成像系統(tǒng)工作過(guò)程中由于工作環(huán)境(主要為溫度、壓力)變化導(dǎo)致光學(xué)元件曲率半徑、透鏡間的空氣間隔、鏡片間的空氣折射率及結(jié)構(gòu)件的實(shí)際尺寸發(fā)生變化，造成離焦，從而降低了光學(xué)系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)與成像質(zhì)量。長(zhǎng)焦距、高分辨率的航空相機(jī)為了獲得高清晰的地面圖像，必須對(duì)成像系統(tǒng)的離焦量進(jìn)行補(bǔ)償，高精度的自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)是研制航空相機(jī)的核心技術(shù)之一［1-5］。

與地面成像系統(tǒng)相比，航空成像系統(tǒng)由于其工作環(huán)境的特殊性對(duì)調(diào)焦技術(shù)提出了一些特定的要求。首先，由于航空成像系統(tǒng)的搭載平臺(tái)為高速運(yùn)行的飛行器，成像系統(tǒng)對(duì)感興趣區(qū)域的駐留時(shí)間極為有限，因此要求自動(dòng)檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠在短時(shí)間內(nèi)完成光學(xué)系統(tǒng)焦平面的調(diào)整，從而確保成像系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察、定位［6］;其次，隨著航空成像系統(tǒng)焦距的持續(xù)增加以及探測(cè)器光敏像元尺寸的逐步減小，航空成像系統(tǒng)理論上能夠達(dá)到的地面分辨率越來(lái)越高，為了能夠在實(shí)際飛行中獲得高分辨率的圖像，一般要求成像系統(tǒng)的離焦誤差小于半焦深，這對(duì)調(diào)焦系統(tǒng)的檢焦精度提出了很高的要求［7-8］;再次由于飛機(jī)的前向飛行、俯仰、橫滾等運(yùn)動(dòng)，航空成像系統(tǒng)在調(diào)焦過(guò)程中一直處于“動(dòng)基座”工作狀態(tài)，因此要求自動(dòng)檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠克服外界擾動(dòng)對(duì)調(diào)焦過(guò)程的影響，即在動(dòng)基座條件下仍能保持調(diào)焦精度與調(diào)焦效率［9］;最后，由于航空成像系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的特殊性，即在災(zāi)情監(jiān)測(cè)，對(duì)敵偵察等突發(fā)性應(yīng)用領(lǐng)域要求航空成像系統(tǒng)具有極高的可靠性，不能由于某個(gè)分系統(tǒng)(尤其是對(duì)成像質(zhì)量具有重要影響的檢調(diào)焦分系統(tǒng))的失效而影響了任務(wù)的整體實(shí)施。根據(jù)上述要求，航空成像系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中逐漸形成了3種檢調(diào)焦技術(shù)方案，分為程序標(biāo)定法、光學(xué)自準(zhǔn)直法、圖像調(diào)焦法，這3種方法幾乎涵蓋了當(dāng)前所有的航空成像系統(tǒng)的檢調(diào)焦技術(shù)方案［10］。近年來(lái)隨著光場(chǎng)成像理論的發(fā)展，以及能夠?qū)崿F(xiàn)光場(chǎng)成像技術(shù)的新型成像器件的成功研制，基于光場(chǎng)的自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)在檢焦精度、檢焦效率以及檢焦可靠性等方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)［11］。

本文首先對(duì)航空成像系統(tǒng)3種傳統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，然后著重對(duì)基于光場(chǎng)成像理論的檢調(diào)焦技術(shù)方案進(jìn)行論述，最后對(duì)我國(guó)未來(lái)航空成像系統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展做出了展望。

2 傳統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)

2.1 程序標(biāo)定法

航空相機(jī)的離焦主要是由大氣壓力、溫度和成像距離的變化引起的。程序標(biāo)定法是通過(guò)相機(jī)上安裝的溫度、壓力和GPS傳感器實(shí)時(shí)采集探測(cè)相機(jī)所處的環(huán)境，根據(jù)溫度、大氣壓力和拍攝高度與離焦量之間的先驗(yàn)關(guān)系，計(jì)算出系統(tǒng)當(dāng)前的離焦量，然后進(jìn)行調(diào)焦補(bǔ)償。

大氣壓力的變化使空氣折射率發(fā)生改變，造成相機(jī)鏡頭焦距變化，引起離焦。由大氣壓力變化引起的離焦量表示為:

式中，Δf為離焦量，f為透鏡焦距，P為環(huán)境大氣壓力，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，na為空氣折射率，ng為玻璃折射率。

溫度的改變使鏡頭玻璃各鏡面的熱膨脹系數(shù)改變，導(dǎo)致折射率、曲率半徑、鏡間間隔和鏡箱長(zhǎng)度等參數(shù)發(fā)生變化，造成離焦現(xiàn)象。溫度變化引起的離焦量表示為:

式中，f為鏡頭焦距，α為金屬線膨脹系數(shù)，Φ為溫度變化1℃鏡頭的離焦系數(shù)，ΔT為溫度變化量。

航空相機(jī)成像時(shí)，成像高度和成像角度一般是變化的，即成像斜距是變化的。根據(jù)物像共軛關(guān)系，物距變化則像距也發(fā)生變化，產(chǎn)生的離焦量為:

基于傳感器的自動(dòng)調(diào)焦方法示意圖如圖1所示。

圖1 基于標(biāo)定法的自動(dòng)調(diào)焦原理示意圖Fig.1 Diagram of the programming focusing technique

為了工程應(yīng)用的需要，對(duì)由大氣壓力、溫度引起的離焦量進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)仿真，得到航空相機(jī)的大氣壓力、溫度變化量與離焦量一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合曲線。當(dāng)航空相機(jī)上的傳感器采集到工作環(huán)境的大氣壓力和溫度值時(shí)，通過(guò)查表方式可以得到當(dāng)前相機(jī)對(duì)應(yīng)的離焦量值，如最早研發(fā)的推掃型線陣航空相機(jī)MAEO即采用程序標(biāo)定法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。然而這種方法需要大量的模擬實(shí)驗(yàn)，在模擬環(huán)境下標(biāo)定離焦量與溫度、壓力、拍攝距離等的先驗(yàn)關(guān)系，雖然調(diào)焦速度快，但是標(biāo)定時(shí)需要大量的計(jì)算，并且存在建模誤差和機(jī)械系統(tǒng)誤差。調(diào)焦屬于開環(huán)控制，系統(tǒng)無(wú)反饋，因此調(diào)焦精度不高，因此其在高分辨率航空載荷中的應(yīng)用受限。

2.2 自準(zhǔn)直檢焦方法

航空相機(jī)在飛行過(guò)程中，由于環(huán)境中溫度、大氣壓力的改變和成像距離的變化引起離焦現(xiàn)象。航空相機(jī)除了采用溫控系統(tǒng)和隔熱材料等來(lái)降低溫度變化對(duì)焦面的影響外，還應(yīng)用了自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)來(lái)補(bǔ)償溫度變化、壓力變化造成的離焦。自準(zhǔn)直調(diào)焦方法原理圖如圖2所示。

圖2 自準(zhǔn)直調(diào)焦方法原理圖Fig.2 Principle of auto-focusing with automatic calibration

相機(jī)在拍攝前，首先利用自準(zhǔn)直方法進(jìn)行自動(dòng)檢焦。相機(jī)在進(jìn)行自動(dòng)檢焦時(shí)，相機(jī)鏡頭前方的傾斜掃描反射鏡旋轉(zhuǎn)至與光軸垂直的狀態(tài)，由發(fā)光二級(jí)管發(fā)出的光源照亮位于鏡頭物方焦平面上的光柵，光線經(jīng)過(guò)物鏡及鏡頭前方掃描反射鏡反射回來(lái)，再次經(jīng)過(guò)物鏡成像在像方光柵上，并在光電探測(cè)元件上產(chǎn)生一個(gè)光調(diào)制信號(hào)。

當(dāng)相機(jī)準(zhǔn)確對(duì)焦時(shí)，反射回來(lái)的物方光柵像與像方光柵重合，調(diào)制信號(hào)幅值最大。當(dāng)相機(jī)離焦時(shí)，反射回的物方光柵像落在像方光柵前面或后面，此時(shí)產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)幅值低于重合時(shí)的幅值。通過(guò)檢測(cè)光調(diào)制信號(hào)的幅值，判斷相機(jī)是否準(zhǔn)確對(duì)焦。

圖3 合焦時(shí)和離焦時(shí)的調(diào)制信號(hào)圖Fig.3 Modulating signal in focus superposition and defocusing

航空相機(jī)在每次拍攝之前，相機(jī)進(jìn)行自準(zhǔn)直調(diào)焦過(guò)程。通過(guò)自準(zhǔn)直調(diào)焦后，系統(tǒng)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)準(zhǔn)確對(duì)焦，此時(shí)相機(jī)所處的飛行環(huán)境中溫度和大氣壓力與地面環(huán)境相差很大，通過(guò)自準(zhǔn)直調(diào)焦過(guò)程，由溫度和大氣壓力引起系統(tǒng)的離焦量得到了補(bǔ)償。當(dāng)相機(jī)對(duì)某一距離成像時(shí)，由溫度和大氣壓力引起的離焦量已經(jīng)被補(bǔ)償，系統(tǒng)只需要通過(guò)距離成像公式補(bǔ)償系統(tǒng)由距離產(chǎn)生的離焦量。KA112、KS146等長(zhǎng)焦距高分辨率航空偵察相機(jī)均采用光學(xué)自準(zhǔn)值法，圖4為KA112A光學(xué)自準(zhǔn)值調(diào)焦光路圖。

圖4 KA112A光學(xué)自準(zhǔn)值調(diào)焦光路圖Fig.4 Optical auto-collimation focusing diagram for KA112A

光學(xué)自準(zhǔn)直法對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)有特殊要求，即在光學(xué)入瞳前需要掃描反射鏡，從而才能實(shí)現(xiàn)檢調(diào)焦光路的閉合，而在緊湊型航空光學(xué)偵查平臺(tái)中，在入瞳前端沒有掃描反射鏡，因此光學(xué)自準(zhǔn)直法應(yīng)用領(lǐng)域受限。另一方面光學(xué)自準(zhǔn)直在檢焦過(guò)程中需要反射鏡不斷地掃描配合，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，例如KA112A一次檢調(diào)焦所需時(shí)間約為60 s，周九飛等提出的改進(jìn)型光學(xué)自準(zhǔn)直調(diào)焦法調(diào)焦時(shí)間仍需20 s以上［12］。

2.3 基于圖像對(duì)比度的調(diào)焦法

基于圖像對(duì)比度調(diào)焦法是一種建立在搜尋過(guò)程上的調(diào)焦方式，成像系統(tǒng)通過(guò)鏡頭直接對(duì)景物成像，采集到一系列連續(xù)數(shù)字圖像，系統(tǒng)選擇某一種評(píng)價(jià)函數(shù)判斷一系列圖像中哪一幅處于最佳對(duì)焦位置。

對(duì)焦開始時(shí)，系統(tǒng)處于離焦?fàn)顟B(tài)，拍攝的圖像較模糊，圖像反差低;對(duì)焦過(guò)程中，系統(tǒng)調(diào)整鏡頭(或者成像平面)連續(xù)移動(dòng)，拍攝的圖像由模糊變得清晰，再變得模糊;系統(tǒng)記錄下一系列的圖像，計(jì)算每一幀圖像的評(píng)價(jià)函數(shù)值，評(píng)價(jià)函數(shù)值最大的圖像對(duì)應(yīng)成像最清晰的位置，并給出反饋信號(hào)控制鏡頭移動(dòng)到該位置，采集的圖像達(dá)到最清晰，最終完成調(diào)焦。圖5為采用圖像調(diào)焦法獲得的圖像序列圖，從中可以看出，靶標(biāo)圖案的清晰度與離焦深度呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 反差對(duì)焦原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the contrast auto-focusing

這個(gè)搜尋過(guò)程需要相同成像參數(shù)下的多幅圖像，所用圖像越多則聚焦精度越高。基于圖像調(diào)焦法的一項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容為評(píng)價(jià)函數(shù)的選取，理想的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)要求具有單峰值、準(zhǔn)確性、靈敏度高、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)。目前文獻(xiàn)中提出的評(píng)價(jià)函數(shù)多種多樣，主要包括空間域函數(shù)、頻率域函數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)等［13-24］，下邊列出了幾種典型的評(píng)價(jià)算法數(shù)學(xué)表達(dá)方法。

方差函數(shù)利用函數(shù)灰度的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，其表達(dá)式為:

梯度函數(shù)(垂直方向)絕對(duì)值之和:

梯度函數(shù)(水平方向)絕對(duì)值之和:

拉普拉斯變換絕對(duì)值之和:

拉普拉斯變換絕對(duì)值平方:

傅里葉變換高頻分量絕對(duì)值之和:

式中，I(u，v)為 i(x，y)的傅里葉變換。

小波變換系數(shù)之和:

式中，ck為小波系數(shù)。

圖像調(diào)焦法不需要專用調(diào)焦組件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉;以最終成像為檢測(cè)對(duì)象，更為準(zhǔn)確。這種調(diào)焦方式對(duì)圖像質(zhì)量的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，避免了由于數(shù)學(xué)模型的不確定而引起的調(diào)焦誤差，并且不受鏡頭和測(cè)量組件變化的影響。這種方法具有檢焦判據(jù)靈活多樣、調(diào)焦系統(tǒng)更加集成化和自動(dòng)化、調(diào)焦精度高等優(yōu)點(diǎn)。圖像調(diào)焦法是大多數(shù)高級(jí)戰(zhàn)術(shù)偵察平臺(tái)與偵察吊艙采用的調(diào)焦方法，如RecceLite偵察吊艙，美國(guó)的全球鷹偵察系統(tǒng)均采用此法。

圖像調(diào)焦法要求獲得的圖像序列為同一景物，且要求導(dǎo)致圖像質(zhì)量退化的唯一因素為焦平面的改變，這在航空成像系統(tǒng)的應(yīng)用中頗具挑戰(zhàn)性，但由于視軸穩(wěn)定系統(tǒng)精度的限制將導(dǎo)致采集的圖像幀與幀之間不匹配，且由于像移補(bǔ)償系統(tǒng)精度以及帶寬的限制，將導(dǎo)致單幀圖像存在像移，且?guī)c幀之間的像移不一致。因此圖像調(diào)焦法能否成功實(shí)施，關(guān)鍵在于對(duì)采集的圖像樣本序列的預(yù)處理工作，且對(duì)這些圖像的預(yù)處理不應(yīng)單純以圖像算法處理為核心，而應(yīng)深入結(jié)合航空成像系統(tǒng)總體成像原理與成像過(guò)程中的各種狀態(tài)信息，以提高圖像調(diào)焦法的精度及魯棒性。

2.4 3種方法的性能比較

表1列出了程序標(biāo)定法、光學(xué)自準(zhǔn)直法以及圖像對(duì)比度法3種檢調(diào)焦方法的參數(shù)性能比較。

表1 3種調(diào)焦方法性能參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of performance parameters of three focusing methods

從表1可以看出，程序標(biāo)定光機(jī)適應(yīng)能力前，檢焦速度快，但檢焦精度依賴與環(huán)境模擬精度;光學(xué)自準(zhǔn)直法檢焦精度高，且不依賴于外界因素，但其光機(jī)適應(yīng)性差，且速度較慢;圖像對(duì)比度法光機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，但其精度依賴與載荷在對(duì)焦過(guò)程中的整體工作參數(shù)。綜上3種方法均有其利弊，在工程實(shí)際中需要結(jié)合具體要求選擇適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

3 基于光場(chǎng)成像理論的自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)

3.1 光場(chǎng)成像基本理論

光場(chǎng)是表示光輻射分布的函數(shù)，反映了光波動(dòng)強(qiáng)度與光波分布位置和傳播方向之間的映射關(guān)系。在幾何光學(xué)中，光場(chǎng)指的是光線強(qiáng)度在空間中的位置和方向分布，該分布函數(shù)可用光線與兩個(gè)平行平面的交點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行參數(shù)化的表示，如圖6所示。

L(u，v，x，y)表示光場(chǎng)的一個(gè)采樣，其中各變量:L為光線強(qiáng)度，(u，v)和(x，y)分別表示光線在光瞳與探測(cè)器像面上的交點(diǎn)坐標(biāo)。

傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)所采集到的光場(chǎng)分布如圖7所示。探測(cè)器像面上每個(gè)點(diǎn)接收來(lái)自整個(gè)光瞳的光線，然后進(jìn)行積分，像面(x，y)處的光照度為:

圖6 四維光場(chǎng)參數(shù)表征Fig.6 Light field parameters in 4-dimension

式中，(u，v)為鏡頭出瞳面上的坐標(biāo)。

圖7 傳統(tǒng)成像光場(chǎng)表征Fig.7 Traditional light field imaging characterization

可見，傳統(tǒng)成像系統(tǒng)所探測(cè)到的光場(chǎng)只能反映其強(qiáng)度和位置(x，y)之間的關(guān)系，而損失了(u，v)方向信息。

光線方向信息與景物的立體信息是息息相關(guān)的，而景物平面的立體信息對(duì)應(yīng)到像平面上則對(duì)應(yīng)兩種狀態(tài)，聚焦與離焦。下面針對(duì)不同情況進(jìn)行論述。

3.1.1 聚焦情況下的光場(chǎng)分布

聚焦?fàn)顟B(tài)的光場(chǎng)成像示意圖如圖8(這里僅選擇場(chǎng)的一維相互對(duì)應(yīng)信息，即u、x平面)。將此過(guò)程采用坐標(biāo)的形式進(jìn)行描述，由于聚焦時(shí)來(lái)自不同方向的光線會(huì)聚于像平面上的一點(diǎn)，該坐標(biāo)圖為一條垂直的直線。

圖8 聚焦時(shí)的方向光線示意圖Fig.8 Diagram of light direction in focus

3.1.2 離焦情況下光場(chǎng)的分布

光學(xué)系統(tǒng)的離焦分為兩種，如圖9與圖10所示，在(u，x)平面可以清晰的看出，離焦時(shí)不同方向的光線分散到不同的探測(cè)器像元中，因此造成了像的模糊。

3.1.3 光場(chǎng)信息記錄

傳統(tǒng)的焦平面陣列對(duì)應(yīng)的每個(gè)元，如x0處的像元只能記錄從－u0到+u0所有方向的光線，而不能分別記錄，如圖11左圖所示。如果在焦平面x0處能將不同方向的光線記錄下來(lái)，則可以對(duì)光線的方向信息進(jìn)行恢復(fù)，如圖11右圖所示。

3.2 基于微透鏡的光場(chǎng)相機(jī)

基于微透鏡陣列的光場(chǎng)相機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖12所示。

主光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為:

微透鏡光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為:

圖9 前離焦時(shí)成像示意圖，方向光線示意圖Fig.9 Diagram of image and light direction in front defocus

圖10 后離焦時(shí)成像示意圖，方向光線示意圖Fig.10 Diagram of image and light direction in backwards defocus

當(dāng)FL=F時(shí)，單個(gè)微透鏡覆蓋的探測(cè)器光敏元與主光學(xué)系統(tǒng)成共軛關(guān)系，每個(gè)光敏像元對(duì)應(yīng)主光學(xué)系統(tǒng)上的一部份，如圖13所示。

圖11 光線記錄方式的細(xì)分Fig.11 Light recording mode subdivision

圖12 微透鏡陣列光場(chǎng)相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic of light field camera with microlens array

圖13 不同方向光線的記錄Fig.13 Records of light in different directions

采用此方法，單個(gè)微透鏡元與其所覆蓋的探測(cè)器光敏像元組成了一個(gè)等效的新的像元，且該像元能夠?qū)崿F(xiàn)光線方向信息的記錄。圖14為聚焦情況相鄰兩個(gè)的紅、藍(lán)點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制對(duì)應(yīng)的(u，x)平面分布圖，此時(shí)收集的所有光線均會(huì)聚到 x0、x1點(diǎn)。

圖14 聚焦情況下光線的收集Fig.14 Light collection in focus superposition

圖15為離焦情況下(u，x)平面分布圖，雖然由于離焦的作用藍(lán)球與紅球?qū)?yīng)的光線彌散到周圍的像素中，但由于每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的點(diǎn)能夠獨(dú)立記錄來(lái)自不同方向的光線，沿著紅線與藍(lán)線傾斜的方向?qū)⒐饩€收集起來(lái)，則可以實(shí)現(xiàn)離焦?fàn)顟B(tài)下的重聚焦。

圖15 離焦情況下光線的收集Fig.15 Light collection in defocus

4 航空成像系統(tǒng)檢調(diào)焦展望

4.1 基于光場(chǎng)成像理論的快速檢調(diào)焦方法

傳統(tǒng)的光場(chǎng)相機(jī)要求記錄的光線方向信息越多越好，產(chǎn)生這種觀念的原因是只有記錄的方向信息越多，相機(jī)重聚焦能力以及三維重建能力越強(qiáng)。但是通過(guò)微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)的光場(chǎng)相機(jī)，提高方向分辨率主要有兩個(gè)手段:

(1)降低探測(cè)器像元尺寸;

(2)提高單個(gè)微透鏡像元尺寸;

受限于光學(xué)系統(tǒng)的衍射斑，為了防止成像混疊，探測(cè)的像元尺寸不可能無(wú)限減小，且當(dāng)前的CMOS探測(cè)器的像元尺寸已經(jīng)與光學(xué)系統(tǒng)的衍射斑可相互比擬。在探測(cè)器像元尺寸一定的情況下，提高單個(gè)微透鏡元的尺寸也可以提高光線的方向記錄能力，但這卻是以犧牲空間分辨率為代價(jià)的。例如一個(gè)微透鏡元覆蓋的探測(cè)器元為N×N，則此時(shí)的等效像元尺寸即為微透鏡的像元尺寸，像元分辨率降低了N倍。

2013年，佳能公司推出了70D數(shù)碼相機(jī)，其本質(zhì)上也是一款光場(chǎng)相機(jī)，不同的是每個(gè)微透鏡下僅對(duì)應(yīng)兩個(gè)像元，像元排布結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 佳能70D數(shù)碼相機(jī)像元排布圖Fig.16 Pixel arrangement of Canon 70D camera

佳能的全像素雙核CMOS自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的核心是:在一個(gè)像素中置入兩個(gè)相互獨(dú)立的光電二極管，兩個(gè)二極管分別接受來(lái)自鏡頭兩側(cè)的光信號(hào)。

圖17 佳能70D CMOS像素結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Pixel structure of Canon 70D CMOS camera

這種方法是將相位檢測(cè)系統(tǒng)微縮到了成像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，用像素表面的微透鏡代替獨(dú)立對(duì)焦組件的透鏡，用像素半邊感光的方式起到鏡頭光束分離的作用，用兩個(gè)像素的組合代替線性傳感器。相機(jī)成像時(shí)，像素左右獨(dú)立的二極管分別接受來(lái)自鏡頭兩側(cè)的光信號(hào)，兩側(cè)的光信號(hào)分別成像，系統(tǒng)通過(guò)左右兩側(cè)的像實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)對(duì)焦。

圖18 佳能自動(dòng)對(duì)焦方法示意圖Fig.18 Diagram of auto-focusing technique for Canon cameras

每個(gè)像素在制造時(shí)即被分為左右兩部分，讀出時(shí)左右兩半部分像素分別讀出。當(dāng)合焦時(shí)，左像元組成的圖像與右像元組成的圖像完全一致。當(dāng)離焦時(shí)左右兩半部分圖像產(chǎn)生了與離焦量成比例關(guān)系的相位差，根據(jù)下式計(jì)算離焦量:

根據(jù)式(7)即可實(shí)現(xiàn)單幅圖像的調(diào)焦。

圖19 合焦與離焦時(shí)的左右圖像相位關(guān)系Fig.19 Phase relationship of the two images in(a)focus and(b)defocus

系統(tǒng)應(yīng)用相位檢測(cè)技術(shù)對(duì)圖像調(diào)焦時(shí)，只用單幅圖像即可完成系統(tǒng)調(diào)焦過(guò)程，調(diào)焦速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)成像系統(tǒng)的連續(xù)實(shí)時(shí)追焦功能。在航空相機(jī)中應(yīng)用相位法調(diào)焦，利用單幅圖像實(shí)現(xiàn)調(diào)焦過(guò)程，與上述其他方法相比，極大地提高了調(diào)焦速度，并且調(diào)焦過(guò)程不受像移和振動(dòng)的影響，這在目前的檢調(diào)焦應(yīng)用中具有重要意義。

4.2 新型基于圖像對(duì)比度航空相機(jī)檢調(diào)焦方法

基于圖像的檢調(diào)焦方法直接利用相機(jī)拍攝的地面景物作為檢調(diào)焦樣本，避免了檢焦過(guò)程中的基準(zhǔn)傳遞，是最直接的方法;且基于圖像對(duì)比度的檢調(diào)焦方法不需要外界的輔助檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)，僅憑成像系統(tǒng)自身就可完成任務(wù)，不受光機(jī)結(jié)構(gòu)限制、成像譜段限制。由于該方法具有上述特性，國(guó)內(nèi)眾多的科研機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)開展了預(yù)研，且在地面仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得了良好的效果，但該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的航空遙感載荷，尤其是高分辨率航空相機(jī)中仍無(wú)法應(yīng)用，其主要原因?yàn)楹娇者b感載荷的成像平臺(tái)為動(dòng)機(jī)座，圖像對(duì)比度檢調(diào)焦方法采集的序列幀與幀之間存在著不匹配，幀間圖像的像移量不同等因素，這降低了傳統(tǒng)的圖像檢調(diào)焦方法的可靠性，極易導(dǎo)致檢焦失敗。因此新一代基于圖像對(duì)比度的檢調(diào)焦方法必須解決以下問(wèn)題:

(1)圖像光照度歸一化，對(duì)快門、外界陽(yáng)光引起的光照度非均勻性進(jìn)行統(tǒng)一;

(2)圖像匹配處理，對(duì)多幀圖像之間進(jìn)行景象匹配，達(dá)到對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行處理;

(3)多幀圖像之間像移量不匹配，對(duì)多幀圖像之間的不匹配進(jìn)行預(yù)處理;

(4)大氣激流對(duì)連續(xù)多幀圖像質(zhì)量影響研究。

在解決上述問(wèn)題的前提下，對(duì)于圖像對(duì)比度的新一代自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)是影響航空成像系統(tǒng)分辨率的核心技術(shù)。檢調(diào)焦技術(shù)涉及的學(xué)科種類眾多，不是單純依賴某一專項(xiàng)技術(shù)(如圖像圖形處理)就能夠?qū)崿F(xiàn)的，從本文論述的航空成像系統(tǒng)自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)分析，這是一門融合航空相機(jī)工作原理、光學(xué)成像原理、精密機(jī)械加工、圖像信息處理以及探測(cè)器光敏原理的綜合技術(shù)。例如結(jié)合航空相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)、成像原理以及精密機(jī)械加工等技術(shù)提出了光學(xué)自準(zhǔn)直調(diào)焦法，隨著光敏元件的數(shù)字化，結(jié)合航空相機(jī)成像原理與圖像處理技術(shù)提出了圖像調(diào)焦法。隨著新型光場(chǎng)成像原理的提出以及支撐該技術(shù)的探測(cè)器的出現(xiàn)，國(guó)際領(lǐng)先的數(shù)碼相機(jī)研制集團(tuán)提出了基于光場(chǎng)成像的自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)，由于該技術(shù)具有單幅圖像高精度調(diào)焦能力，因此在航空成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相信隨著設(shè)計(jì)航空相機(jī)各領(lǐng)域綜合技術(shù)的不斷進(jìn)步，制約當(dāng)前航空成像系統(tǒng)調(diào)焦精度、調(diào)焦效率的瓶頸將不斷被突破。

［1］ 趙志彬，劉晶紅.基于圖像功率譜的航空光電平臺(tái)自動(dòng)檢焦設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(12):3495-3500.ZHAO ZH B，LIU J H.Power spectra-based auto-focusing method for airborne optoelectronic platform［J］.Acta Optica Sinica，2010，30(12):3495-3500.(in Chinese)

［2］ 許兆林，趙育良，張國(guó)棟.新型航空相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2011，18(4):77-80.XU ZH L，ZHAO Y L，ZHANG G D.Design of an auto-focusing system for a new type of aerial camera［J］.Electronics Optics Control，2011，18(4):77-80.(in Chinese)

［3］ 周懷得，劉金國(guó)，張立平，等.線陣——面陣CCD三線陣立體測(cè)繪相機(jī)焦平面組件的研制［J］.光學(xué) 精密工程，2012，20(7):1492-1497.ZHOU H D，LIU J G，ZHANG L P，et al..Development of focal plane module for three-line LMCCD mapping cameras［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(7):1492-1497.(in Chinese).

［4］ 劉磊.空間三反相機(jī)調(diào)焦范圍的確定［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(3):631-636.LIU L.Focusing range of space off-axial TMA optical camera［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(3):631-636.(in Chinese)

［5］ 劉炳強(qiáng)，張帆，李景林，等.空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步性誤差分析［J］.中國(guó)光學(xué)，2013，6(6):946-951.LIU B Q，ZHANG F，LI J L，et al..Analysis of synchronous motion error for focusing mechanism of space camera［J］.Chinese Optics，2013，6(6):946-951.(in Chinese)

［6］ IYENQAR M，LANGE D.The Goodrich 3th generation DB-110 system:operational on tactical and unmanned aircraft［J］.SPIE，2006，6209:1-12.

［7］ LI Z H，WU K Y.Autofocus system for space cameras［J］.Optical Engineering，2005，44:1-5.

［8］ 楊會(huì)生，張銀鶴，柴方茂，等.離軸三反空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(4):948-954.YANG H SH，ZHANG Y H，CHAI F M，et al..Design of focusing mechanism for off-axis TMA space camera［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(4):948-954.

［9］ WU J G，ZHENG ZH ZH，F(xiàn)ENG H J，et al.Restoration of TDI camera images with motion distortion and blur［J］.Optics Laser Technology，2010，42(1):1198-1203.

［10］ 朱鶴，梁偉，高曉東.航空相機(jī)光電自準(zhǔn)直檢調(diào)焦系統(tǒng)［J］.光電工程，2011，38(3):35-39.ZHU H，LIANG W，GAO X D.Autofocusing system with opto-electronic auto-collimation method for aerial camera［J］.Opto-electronic Engineering，2011，38(3):35-39.(in Chinese)

［11］ 周志良.光場(chǎng)成像技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.ZHOU ZH L.Research on light field imaging technology［D］.Beijing:University of Science and Technology of China，2012.(in Chinese))

［12］ 周九飛，翟林培，周剛.航空成像設(shè)備自動(dòng)調(diào)焦方法［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(1):105-108.ZHOU J F，ZHAI L P，ZHOU G.Auto-focus method of aerial imaging device［J］.Acta Optica Sinica，2010，30(1):105-108.(in Chinese)

［13］ LIN H Y，CHANG CH H.Depth from motion and defocus blur［J］.Optical Engineering，2006，45(2):1-12.

［14］ ASLANTAS V，PHAM D T.Depth from automatic defocusing［J］.Optics Express，2007，15(3):1011-1023.

［15］ TIAN Y B.Autofocus using image phase congruency［J］.Optics Express，2011，19(1):261-270.

［16］ TIAN Y B，SHIEH K，WILDSOET C F.Performance of focus measures in the presence of nondefocus aberrations［J］.J.Opt.Soc.Am.A.，2007，24(12):B165-B173.

［17］ LI Q X，BAI L F，XUE S F，et al.Autofocus system for microscope［J］.Optical Engineering，2002，41:1289-1294.

［18］ SUBBARAO M，CHOI T，NIKZAD A.Focusing techniques［J］.Optical Engineering，1993，32:2824-2836.

［19］ CHOI K S，LEE J S，KO S J.New autofocusing technique using the frequency selective weighted median filter for video cameras［J］.IEEE Trans.Consum.Electr.，1999，45:820-827.

［20］ ZHANG Y，ZHANG Y，WEN C.A new focus measure method using moments［J］.Image Vis.Comput.，2000，18:959-965.

［21］ KAUTSKY J，F(xiàn)LUSSER J，ZITOVA B，et al.A new wavelet-based measure of image focus［J］.Pattern Recogn.Lett.2002，23:1785-1794.

［22］ HOLST G C.Electro-optical Imaging System Performance［M］.Bellingham:PIE Optical Engineering Press，2008.

［23］ FIETE R D，TANTALO T.Image quality of increased along-scan sampling for remote sensing systems［J］.Opt.Eng.，1999，38:815-820.

［24］ LIN H Y，CHANG C H.Depth from motion and defocus blur［J］.Opt.Eng.，2006，45:815-820.