趙建川，張潤琦，王 杰，邵 毓，申 越，劉傳明

（1.海軍駐長春地區(qū)航空軍事代表室，吉林 長春 130033；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223； 3.吉林東光精密機(jī)械廠，吉林 長春 130103；4.中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089）

0 引言

自1915年，英國為了在一戰(zhàn)中占據(jù)主動(dòng)地位，首次使用半自動(dòng)航空相機(jī)偵查德方占領(lǐng)區(qū)至今，航空相機(jī)已經(jīng)歷經(jīng)了數(shù)代發(fā)展，其性能和功能都得到了不斷提高[1]。早期的航空相機(jī)均為膠片相機(jī)，20世紀(jì)70年代起，使用電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）的數(shù)字相機(jī)步入人們視野。由于數(shù)字相機(jī)具備實(shí)時(shí)傳輸圖像至地面的能力，因此數(shù)字相機(jī)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，但膠片相機(jī)性能可靠且分辨率高，至今仍在航空相機(jī)中占有一席之地[2]，因此也有膠片拍攝與數(shù)字拍攝雙功能的相機(jī)。本文將數(shù)字航空相機(jī)按照成像方式分為3類：掃描型、步進(jìn)凝視型和（無掃描）多鏡頭型。當(dāng)然，同一航空相機(jī)可以使用多種探測器或設(shè)計(jì)成同時(shí)采用多類工作方式，以獲取更多維度、更多波段和更高分辨率的信息。下文將分別介紹膠片航空相機(jī)和數(shù)字航空相機(jī)，并將數(shù)字相機(jī)上述3類分別進(jìn)行介紹。

1 膠片式航空相機(jī)

膠片航空相機(jī)（以下簡稱為膠片相機(jī)）是使用感光材料附著在膠片作為載體，拍攝后的膠片要經(jīng)過沖洗才能得到照片的相機(jī)。早在20世紀(jì)初，英、美等發(fā)達(dá)國家就已開始研制生產(chǎn)膠片式航空相機(jī)，此時(shí)的膠片相機(jī)處于起步階段，其分辨率較低，焦距較短，載片量也較少。20世紀(jì)60年代～80年代，膠片航空相機(jī)進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)代。在這期間，很多載片量大、焦距長且地面分辨率高的膠片航空相機(jī)相繼問世[3]。其中，1969年CAI制造的KS-87系列偵查相機(jī)是一款全球使用量最大的航空膠片相機(jī)并有多個(gè)衍生型號，相機(jī)配備于OC-135B、RF-4、RF-5E、RF-101、U-25B、F14、F16C等當(dāng)時(shí)主流飛行器上，其中KS-87B結(jié)構(gòu)分解如圖1所示[4]。

1974年，隨著航空偵查對偵查距離的要求不斷提高，CAI研制出了世界上第一款焦距達(dá)66in并采用f/8光學(xué)設(shè)計(jì)的膠片相機(jī)KS-127A。在良好天氣下，這款能獲取30nm（i55.5km）外目標(biāo)詳細(xì)信息的相機(jī)，使配備了該相機(jī)的RF-4甚至擁有了戰(zhàn)略偵查能力，KS-127A外觀如圖2所示[5]。

到了20世紀(jì)70年代末80年代初，體積更小、功能更多的全景膠片相機(jī)問世。配備于RF-5E的KA-95相機(jī)與配備于RF-4B的KS-116代表著這一階段先進(jìn)成熟的全景膠片相機(jī)。同之前提到的KS-87B與KS-127A一樣，兩者也均采用5in膠片格式，KA-95與KS-116采用焦距為125in、f/4.0的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它們的外形分別如圖3所示[6]。

KS-116與KA-95擁有前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，主動(dòng)穩(wěn)像控制，自動(dòng)曝光控制和自動(dòng)調(diào)焦控制以及扇區(qū)掃描等功能。前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能是為了避免載具向前運(yùn)動(dòng)造成成像模糊。主動(dòng)穩(wěn)像控制可以讓相機(jī)自行感知運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而不依賴外部總體系統(tǒng)也不受其影響。自動(dòng)曝光控制可以使相機(jī)獲得更高的成像質(zhì)量，而自動(dòng)調(diào)焦控制則可以使相機(jī)在拍攝過程中保持較高的成像清晰度，扇區(qū)掃描則能讓相機(jī)以50°角度間隔自由選擇掃描區(qū)域，范圍從40°～190°。采用扇區(qū)掃描的KA-95拍攝的樣本照片如圖4所示[6]。

到了20世紀(jì)80年代末，膠片相機(jī)技術(shù)已發(fā)展得相當(dāng)成熟。雖然膠片相機(jī)擁有上述同時(shí)代的CCD相機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，但由于膠片相機(jī)無法像CCD相機(jī)那樣，將拍攝的圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，因此發(fā)達(dá)國家開始研制具備膠片與CCD拍攝雙功能的航空相機(jī)。比如20世紀(jì)80年代，Eastman Kodak公司和Recon/Optical公司聯(lián)合開發(fā)的具備CCD和膠片拍攝雙能力的航空攝像機(jī)系統(tǒng)CA-990。該系統(tǒng)總重1082 kg，可裝于機(jī)腹副油箱中并掛載于F-4和F15飛機(jī)上[7]。隨著20世紀(jì)70年代以來CCD器件的高速發(fā)展，拍攝后的膠卷要經(jīng)過沖洗才能得到照片，在拍攝過程中也無法知道拍攝效果的好壞的膠片相機(jī)，相繼被改成具備CCD和膠片拍攝雙功能的航空相機(jī)，比如KA-102A和KS-153A等。數(shù)字化相機(jī)由此登上了航空相機(jī)歷史的舞臺(tái)，并逐漸成為發(fā)展趨勢[8-10]。

圖1 KS-87B結(jié)構(gòu)分解圖Fig.1 Aerialcamera KS-87B

圖2 膠片相機(jī)KS-127A外觀Fig.2 Aerialcamera KS-127A

圖3 KS-116（左）與KA-95（右）外形Fig.3 Aerialcamera KS-116 (left)and KA-95(right)

圖4 KA-95使用不同角度扇區(qū)掃描拍攝的樣本圖 Fig.4 The photos of aerial camera KA-95 with sector scanning of different angle

2 數(shù)字航空相機(jī)

2.1 掃描型航空相機(jī)

掃描型數(shù)字相機(jī)采用線陣CCD或時(shí)間延遲積分（time delay integration，TDI）CCD進(jìn)行掃描成像的相機(jī)。線陣CCD的長度決定了航空相機(jī)掃描地面覆蓋范圍，一般來說，掃描型數(shù)字相機(jī)線陣單元在4000～14000個(gè)之間。研制CCD探測器水平較高的公司主要有Atmel（法國），e2v（英國），Kodak（美國）和Fairchild（美國），一款e2v公司的線陣CCD探測器如圖5所示[11]。

圖5 e2v公司的的線陣CCD探測器 Fig.5 Line array CCD detector of e2v Ltd.

線陣CCD在拍攝運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的時(shí)候，需要良好的光照，TDI CCD則是一種能在低照度條件下捕捉運(yùn)動(dòng)物體的探測器，在獲得高靈敏度的同時(shí)不犧牲空間分辨率和工作速度，還能一定程度上增加系統(tǒng)的信噪比、分辨能力和響應(yīng)均勻性，因此TDI CCD在高速、微光領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。從其結(jié)構(gòu)來看，多個(gè)線陣平行排列，像元在線陣方向和級數(shù)方向呈矩形排列[12]。TDI CCD的工作原理如圖6所示，在第一個(gè)積分周期，目標(biāo)在其中一列的第一個(gè)像元處進(jìn)行曝光積分，但得到的光生電荷并非如線陣CCD一樣讀出，而是移動(dòng)至下一個(gè)像元。在第二個(gè)積分周期，目標(biāo)在該列的第二個(gè)像元處曝光，得到新的光生電荷與上一個(gè)像元移來的電荷相加再移到下一個(gè)像元，直到第M個(gè)積分周期結(jié)束時(shí)，第M個(gè)像元的光生電荷與第M個(gè)像元前面所有像元的電荷相加后讀出?？梢娮x出的電荷是單個(gè)像元的M倍，而噪聲只增加了倍，從而信噪比提高了倍[13-14]。

圖6 TDI CCD工作原理圖 Fig.6 Diagram of TDI CCD

掃描型數(shù)字相機(jī)的拍攝方式主要分為推掃和擺掃兩種，兩種方式的瞬時(shí)視場均是一維視場，不需要快門，采用連續(xù)曝光的方式成像[15-16]。其中推掃式成像模型如圖7所示，推掃式相機(jī)隨飛行器沿X軸移動(dòng)，在垂直于飛行方向（Y軸）的一維視場連續(xù)曝光成像[17]。根據(jù)圖中角度Δ的不同，推掃式相機(jī)還可分為“前視型”與“后視型”相機(jī)，為了提高成像質(zhì)量，獲取空間多維度信息，也可同時(shí)裝配多個(gè)角度Δ不同的線陣CCD同時(shí)掃描景物，比如下文介紹的三線推掃模式，在一個(gè)一維掃描行中，θmax為一行最大掃描角度，N為一行掃描的像元數(shù)，則焦距f可由公式(1)表示[18-19]：

圖7 推掃式成像模型Fig.7 Push broom mode

擺掃式成像模型如圖8所示，不同于推掃式相機(jī)，擺掃式相機(jī)通過一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)來回旋轉(zhuǎn)使平行于飛行方向的一維視場覆蓋整個(gè)地面場景。因此，擺掃式相機(jī)的視場范圍不再受限于探測器，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求做到很大[20]。

可以看出，擺掃式成像會(huì)帶來一定的成像畸變，需要通過前向位移補(bǔ)償技術(shù)消除。成像畸變是由快門打開時(shí)飛機(jī)前向運(yùn)動(dòng)造成成像偏移，成像偏移（blur）可由公式(2)計(jì)算得出。

式中：V為飛行器相對地面的飛行速度；f為焦距；H為飛行高度；Δt為快門曝光時(shí)間；θ為當(dāng)前掃描位置與垂直掃描位置之間的夾角。表1總結(jié)了推掃式相機(jī)與擺掃式相機(jī)的特點(diǎn)。

圖8 擺掃式成像示意圖Fig.8 Whisk broom mode

表1 推掃式相機(jī)與擺掃式相機(jī)的特點(diǎn)Table1 Specificitiesof push broom and whisk broom camer a

下文介紹一些典型的掃描型相機(jī)，包括Thales Optronics公司（前身為Vinten公司）的單線陣推掃相機(jī)TYPE-8010與TYPE-8042，萊卡公司的三線推掃相機(jī)ADS40以及Goodrich公司的雙波段相機(jī)DB-110。其中，DB-110相機(jī)可見光波段成像采用擺掃模式，而紅外波段成像采用的是步進(jìn)凝視，步進(jìn)凝視將在本章2.2節(jié)介紹。

1992年起，Thales Optronics公司先后為英國配備了多款單線掃描型相機(jī)，在這些用以拍攝高清單色的相機(jī)中，具有代表性的是TYPE-8010與TYPE-8042，其外觀如圖9所示[21]。

圖9 TYPE-8010（左）與TYPE-8042（右）Fig.9 Aerial camera TYPE-8010 (left)and TYPE-8042(right)

TYPE-8010是用于低空拍攝的推掃式相機(jī)，由英國e2v公司提供的線陣CCD擁有4096個(gè)像元，像元尺寸為12μm。該探測器波長覆蓋范圍均從500～950μm（綠光至近紅外），掃描速率為1800行/s。TYPE-8010可以根據(jù)拍攝需求更換鏡頭，可選焦距有152 mm，76mm與38mm三種。TYPE-8042則是用于高空拍攝的擺掃式相機(jī)，同樣是由英國e2v公司提供的線陣CCD波長覆蓋范圍也是從500～950 μm（綠光至近紅外），掃描速率為1800行/s。但該線陣CCD擁有12228個(gè)像元，像元尺寸為8μm。為了實(shí)現(xiàn)廣闊的視場覆蓋范圍，TYPE-8042采用的是450mm長焦距鏡頭。

1997年初，萊卡公司和德國航空航天公司簽署了一項(xiàng)協(xié)議，合作設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一種專門用于商業(yè)成像和測繪的機(jī)載推掃相機(jī)ADS40。首臺(tái)樣機(jī)于1998年底完成試飛實(shí)驗(yàn)，并于2001年首次交付投入使用，其安裝在日本PASCO公司Cessna Caravan飛機(jī)上的外觀如圖10所示[22]。

圖10 日本PASCO公司Cessna Caravan飛機(jī)上的ADS40Fig.10 Aerial camera ADS40assembled on Japan PASCO Cessna Caravanairplane

該樣機(jī)是典型的三線推掃相機(jī)，三線推掃模式即采用推掃模式在前、下、后3個(gè)方向使用3個(gè)線陣CCD同時(shí)掃描，如圖11[22]所示。這樣的拍攝模式可以獲取三維立體空間信息。ADS40相機(jī)的前視CCD陣列與下視CCD陣列之間的夾角為28.4°，后視CCD陣列與下視CCD陣列之間的夾角為14.2°。以上提到的這些CCD陣列均包含兩個(gè)線陣CCD。這些線陣CCD像元尺寸均為6.5μm，像元數(shù)為12000，線陣CCD之間有半個(gè)像素（3.25μm）的錯(cuò)位，該設(shè)計(jì)用以提高幾何分辨率。另外在焦平面上，ADS40還安裝了4個(gè)額外的擁有12000像元線陣CCD，分別用來記錄地面場景的RGB信息和近紅外信息。飛行器飛行期間，每一個(gè)CCD陣列獨(dú)立地連續(xù)記錄每一列影像。由此，在全色波段的覆蓋范圍內(nèi)，幾乎每個(gè)物體都被攝影了3次（墻面等特殊情況除外），攝影區(qū)域內(nèi)大部分范圍實(shí)現(xiàn)了三度重疊，包含了足夠的三維立體信息。如今，ADS40在測繪、精細(xì)農(nóng)業(yè)、海岸資源勘察和管理等方面均得到了廣泛的應(yīng)用[23]。

圖11 ADS40三線掃描示意圖Fig.11 Scheme of ADS40 3linescan

從20世紀(jì)90年代中期，Goodrich公司開發(fā)了第一代DB-110至今，DB-110航空相機(jī)系列已廣泛運(yùn)用于Tornado，F(xiàn)-111，F(xiàn)4，P-3，F(xiàn)-15，F(xiàn)-16，Predator B等載人或無人飛行器上。

DB-110擁有可見光及近紅外（VNIR）以及中波紅外（MWIR）兩個(gè)探測器以及兩組光學(xué)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)組成如圖12所示，相機(jī)參數(shù)如表2所示[24-25]。

圖12 DB-110相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.12 Configuration of DB-110 camera

DB-110拍攝模式如圖13所示，左圖為相機(jī)使用TDI線陣CCD在飛行器左側(cè)進(jìn)行擺掃拍攝示意圖，右圖為面陣紅外探測器在飛行器左側(cè)進(jìn)行步進(jìn)凝視成像。DB-110雙波段航空相機(jī)在白天所拍攝的樣本圖片如圖14所示[26-28]。

2.2 步進(jìn)凝視型相機(jī)

步進(jìn)凝視型相機(jī)使用凝視型面陣CCD或CMOS傳感器。面陣傳感器單次曝光便可立即獲得大面積區(qū)域的圖像，這一特性使得飛機(jī)能夠從安全高度快速上升，短時(shí)間內(nèi)獲取目標(biāo)區(qū)域圖像，再快速下降逃離危險(xiǎn)區(qū)域。而線陣傳感器，因其成像原理，一定程度上會(huì)限制飛機(jī)的機(jī)動(dòng)。因此特別時(shí)刻使用面陣傳感器能夠提高飛機(jī)和機(jī)組人員生存率[29]。

步進(jìn)凝視型相機(jī)，不像掃描型相機(jī)能那樣夠進(jìn)行連續(xù)的圖像采集，需要和視場中的場景保持相對靜止，以完成一次有效的曝光（探測器積分）。如圖15所示為3種步進(jìn)凝視型相機(jī)的凝視方式及拍攝覆蓋面。相機(jī)拍攝完一次航帶旁向的刈幅（掃描帶，圖15中的swath）為一個(gè)周期。在一周期內(nèi)，相機(jī)每對一個(gè)區(qū)域完成曝光后，相機(jī)視線沿刈幅移動(dòng)到下一個(gè)相鄰區(qū)域，進(jìn)行下一幀的圖像曝光。完成一周期拍攝后，相機(jī)的視線指向下一個(gè)刈幅，開始新一輪的圖像拍攝。相機(jī)視線的運(yùn)動(dòng)軌跡可以為“S”形或“Z”形。拍攝過程中，要求相鄰幀之間以及相鄰刈幅之間有一定的重疊率。典型的步進(jìn)凝視型相機(jī)的拍攝覆蓋面如圖15(d)所示。

步進(jìn)凝視成像過程中要求一次曝光中，相機(jī)視場中的場景相對靜止，因此需要進(jìn)行前向位移補(bǔ)償（FMC）[30-31]。FMC可以通過反射鏡補(bǔ)償[32]、二軸框架補(bǔ)償[33-34]和FPA片上電子補(bǔ)償[4,29]等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。相機(jī)的視線移動(dòng)方式有多種，比如通過框架直接旋轉(zhuǎn)傳感器[33-34]，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)掃瞄鏡[35]和旋轉(zhuǎn)棱鏡[36]等等，如圖15(a)～(c)所示。

表3列出了部分步進(jìn)凝視型航空數(shù)字相機(jī)的型號和相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 多鏡頭數(shù)字相機(jī)

多鏡頭數(shù)字相機(jī)使用多個(gè)鏡頭和面陣CCD/CMOS傳感器，以達(dá)到高分辨、寬覆蓋面、多波段和多視角的目標(biāo)。本節(jié)討論的多鏡頭數(shù)字相機(jī)僅限于無運(yùn)動(dòng)部件的相機(jī)。根據(jù)相機(jī)鏡頭光軸的朝向，將多鏡頭數(shù)字相機(jī)分為兩類：多鏡頭傾斜數(shù)字相機(jī)和多鏡頭下視數(shù)字相機(jī)。

2.3.1 多鏡頭傾斜相機(jī)

航空傾斜相機(jī)在軍事、科研和民用領(lǐng)域均有大量應(yīng)用，諸如軍事偵察監(jiān)控、地圖測繪和環(huán)境測控等等。最早的傾斜航空相片于1860年由J.W.Black和S.King在美國波士頓上空拍攝。20世紀(jì)期間出現(xiàn)了多款多鏡頭膠片傾斜航空相機(jī)，如圖16中的Fairchild的3鏡頭T-3A和9鏡頭USGC-9，Zeiss的3/5鏡頭KS-153系列和3鏡頭KRb 8/24 F，主要用于軍事偵察、監(jiān)控和地圖制圖[37-43]。隨著大面陣CCD和CMOS傳感器技術(shù)的成熟和數(shù)字式多鏡頭傾斜成像技術(shù)的發(fā)展，多鏡頭傾斜數(shù)字相機(jī)的成像能力得以超越膠片式相機(jī)。近30年，出現(xiàn)了多款超高分辨率多鏡頭傾斜相機(jī)。

表2 DB-110相機(jī)兩個(gè)波段參數(shù)Table 2 Parameters of DB-110 camera

圖13 DB-110拍攝模式，左圖為可見光擺掃，右圖為紅外步進(jìn)凝視 Fig.13 Whisk broom in visible (left) and step-by-stare in IR (right) of DB-110 camera

表3 步進(jìn)凝視型航空數(shù)字相機(jī)Table 3 E O/IR camera with step-by-starescan

圖14 DB-110拍攝的樣本相片，左圖為可見光相片，右圖為紅外相片F(xiàn)ig.14 Imageryin visible(left)and in IR (right)from DB-110 camera

圖15 三種步進(jìn)凝視方式/結(jié)構(gòu)以及拍攝覆蓋面Fig.15 Three configurationswith step-by-stare scan and thecorrespondingcoverage

Continued Table 3

圖16 多鏡頭膠片傾斜航空相機(jī)及典型的鏡頭布置方式和拍攝樣例 Fig.16 Film oblique aerial cameras with multiple lenses, typical shot arrangement and film sample

多鏡頭傾斜相機(jī)根據(jù)鏡頭數(shù)量、傳感器數(shù)量和結(jié)構(gòu)結(jié)合布置等，可以有多種分類。Gordon Petri將傾斜相機(jī)分成了3類[44]：

1）扇形（Fan）排列：扇形排列的相機(jī)的視場覆蓋了航跡旁向（Cross-track）以及正下（Nadir）方的區(qū)域，覆蓋面構(gòu)成一個(gè)狹長的區(qū)域。扇形排列三鏡頭和鏡頭陣列的布置形式，圖16(e)是一種典型的三鏡頭布置方式。圖17展示了扇形排列的多鏡頭相機(jī)，圖17(a)的OSDC-4060是俄羅斯公司PO KSI生產(chǎn)的由40個(gè)鏡頭陣列組成的相機(jī)，鏡頭陣列分成了4組，分別對應(yīng)高海拔、中海拔、低海拔和低海拔紅外通道[45-46]。該公司類似產(chǎn)品的還有36個(gè)鏡頭的OSDC-3660。圖17(c)的WB-57 ARGUS相機(jī)系統(tǒng)使用了12個(gè)配有400 mm鏡頭的單反相機(jī)，其拍攝覆蓋角度約為60°×3.3°[46]，如圖17(d)所示。如文獻(xiàn)[6,38,47]還將類似于ROI的CA295和Vision Map的A3 Edge使用了步進(jìn)凝視技術(shù)的相機(jī)歸于此類。

2）馬耳他十字（Maltese Cross）排列：典型的按照馬耳他十字排列的相機(jī)一般由5個(gè)鏡頭/相機(jī)組成，其中一個(gè)鏡頭朝向正下（nadir），兩個(gè)鏡頭覆蓋航線旁向的與正下區(qū)域相鄰的兩個(gè)區(qū)域，另外兩個(gè)鏡頭指向沿航線的與正下區(qū)域毗鄰的兩個(gè)區(qū)域，其拍攝到的圖像類似于圖16(f)。圖18展示了兩款以此方式排列的相機(jī)以及它們的拍攝覆蓋面示意圖。

圖17 扇形排列的多鏡頭相機(jī)及覆蓋面示意圖 Fig.17 Sector arranged multiple-lens aerial cameras and coverage diagram

圖18 馬耳他十字排列的相機(jī)及覆蓋面示意圖Fig.18 Maltese cross arranged aerial cameras and coverage diagram

3）Block排列：Block排列使用多個(gè)朝向略微不同的傾斜鏡頭/相機(jī)，相鄰的鏡頭/相機(jī)間拍攝的圖像有一定的重疊區(qū)域，這些同一時(shí)刻曝光得到的圖像經(jīng)過拼接可以組合成一幅更大尺寸的圖像。此類相機(jī)和下視相機(jī)很相似，不過一定程度上它們能夠拍攝到目標(biāo)或者建筑物的側(cè)面。圖19(a)展示了Z/I Imaging公司在2000年左右推出的大畫幅相機(jī)Z/I DMC，Z/I DMC共有8個(gè)鏡頭，中間4個(gè)鏡頭按照如圖19(b)所示的排列方式，使用4塊中等面陣CCD代替在當(dāng)時(shí)大面陣CCD[48]，其覆蓋面如圖19(c)所示。圖19(d)展示了Rollei Metric使用4個(gè)AIC相機(jī)組合成一個(gè)大面陣成像系統(tǒng)。除了4鏡頭組合外，還有2鏡頭和更多數(shù)量鏡頭組合的方式。

多鏡頭傾斜相機(jī)具備視場大和分辨率高的特點(diǎn)，被廣泛用于各種監(jiān)控、偵察和制圖等任務(wù)。除此之外，因?yàn)槎噻R頭傾斜相機(jī)能夠采集到場景中目標(biāo)的不同視角的圖像，比如建筑物的頂部和側(cè)面圖像，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，這些圖像能夠被用于城市3D模型建立、建筑物識別和建筑物高度測量等任務(wù)[49]。

表4中列出了部分超高分辨率傾斜相機(jī)的型號及其相關(guān)參數(shù)，并按照上述3種方式進(jìn)行了分類。

2.3.2 多鏡頭下視相機(jī)

下視（Nadir/ vertically downward）相機(jī)的光軸朝向正下方，對場景中朝向上方的表面（如屋頂和飛機(jī)機(jī)翼）能有良好的觀測。多鏡頭下視相機(jī)，類似于Block排列的傾斜相機(jī)，通過將多個(gè)傳感器和多個(gè)鏡頭結(jié)合，有效地增大相機(jī)的視場和拍攝覆蓋面積，增強(qiáng)獲取場景中多波段信息的能力。圖20(a)、圖20(b)和圖20(c)分別展示了3款超高分辨率多鏡頭下視相機(jī)。表5中列出了幾款超高分辨率多鏡頭下視相機(jī)的型號及相關(guān)參數(shù)。

為獲得超高的分辨率，不同公司采用的不同的設(shè)計(jì)方案。Z/IDMCII系列產(chǎn)品，針對全色（Panchromatic）波段使用單塊超大面陣的CCD，比如DMCII250使用了一塊250 M像素分辨的CCD，針對R、G、B和NIR波段則使用4塊四色的CCD并配合相應(yīng)的濾光片[50]。Vexcel的Eagle系列為在全色波段獲得4.5億的分辨率的同時(shí)，確保圖像質(zhì)量以及圖像幀率，使用了9塊CCD作為全色波段圖像的成像面[51]。圖20(d)中標(biāo)記的“MC”、“C1”、“C2”和“C3”的鏡頭的成像區(qū)域，分別對應(yīng)于圖21[44]中的“Mastercone”、“＋cone1”中淺綠色區(qū)域、“＋cone2”中左右兩側(cè)的淺綠色區(qū)域和“＋cone3”中最中心的區(qū)域，相鄰的圖像間均有一定的重疊。

圖19 Block排列的相機(jī)Fig.19 Block arranged aerial cameras

表4 超高分辨率多鏡頭傾斜相機(jī)Table 4 Multiple-lens oblique cameras with high resolution

Continued Table 4

圖20 三款超高分辨率多鏡頭下視相機(jī)Fig.20 Three multiple-lens cameras with high resolution

圖21 UltraCam Eagle使用9塊CCD作為全色波段圖像的成像面Fig.21 UltraCam Eagle full color camera with 9 CCD

表5 超高分辨率多鏡頭下視相機(jī)Table 5 Multiple-lens direct over flight cameras with high resolution

3 總結(jié)

本文綜述了膠片航空相機(jī)和數(shù)字航空相機(jī)使用的技術(shù)。通過介紹幾款典型的膠片相機(jī)，展示了相關(guān)成像技術(shù)。文中將航空數(shù)字相機(jī)分成掃描型相機(jī)、步進(jìn)凝視型相機(jī)和多鏡頭型相機(jī)3類，并介紹了一些具有代表性的成像技術(shù)。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，各種航空相機(jī)相關(guān)技術(shù)相繼涌現(xiàn)，使航空相機(jī)朝著“看得更遠(yuǎn)、看得更廣、看得更細(xì)”以及多維度、多光譜的方向不斷發(fā)展。如今的航空相機(jī)拍攝的單幀圖像已能達(dá)到數(shù)億像素，除了傳統(tǒng)的軍事偵查領(lǐng)域，還大量應(yīng)用于測繪、精細(xì)農(nóng)業(yè)、海岸資源勘察、城市3D建模、環(huán)境監(jiān)控和地圖導(dǎo)航等民用領(lǐng)域。