航空相机调焦机构对离焦模糊的影响

李英杰，刘建东，王尚强

(海军航空大学 青岛校区， 山东 青岛 266041)

【光学工程与电子技术】

航空相机调焦机构对离焦模糊的影响

李英杰，刘建东，王尚强

(海军航空大学 青岛校区， 山东 青岛 266041)

仿真分析了离焦模糊在不同飞行高度下的变化规律，给出了航空相机调焦机构控制原理，研究了调焦机构各模块不同故障点时图像离焦模糊量的表现特征，为利用图像数据诊断航空相机调焦机构故障提供理论依据。

航空相机；离焦模糊；自动调焦机构

航空相机采用自动调焦机构消除飞行高度、工作环境变化产生的离焦问题，从而保证相机的高分辨率。关于离焦问题研究主要集中在调焦系统设计和离焦模糊图像的复原,航空相机主要采用光学自准直法、图像处理法以及程序计算法等几种自动调焦技术，其中光学自准直法是应用较广泛的航空相机调焦技术[1-4]；文献[5-8]研究了维纳滤波法、相位相关法、微分图像自相关法等离焦模糊图像的复原问题。而对于航空相机调焦机构对离焦模糊的影响问题研究较少，本文从航空相机使用维护角度出发，研究了离焦模糊特点以及调焦机构对离焦模糊的影响，为利用图像数据诊断航空相机调焦机构故障提供理论依据。

1 离焦模糊

几何光学理论认为，点目标经理想光学系统成像仍为一个点，但当光学系统像面与感光器件(CCD器件)感光面存在位置偏差，称之为离焦量，这时感光面上接受的为弥散圆而非理想像点，弥散圆半径超标时反映在图像上就是离焦模糊，相机分辨率下降。如图1所示，p、q分别为物距和像距，D为镜头孔径，Δf为离焦量，R为弥散圆半径。

图1 光学系统离焦原理

1.1 离焦模糊量

相机离焦产生的图像模糊是由于弥散圆超标，因此弥散圆半径R可作为离焦模糊量表征参数，根据光学系统离焦原理分析，离焦模糊量公式为

(1)

式(1)中：f为镜头焦距；F=f/D为光圈系数。

航空相机高度一般为几千米，物距pgt;gt;f，则离焦模糊量简化为

R≈ΔfF/2

(2)

1.2 离焦影响因素

引起航空相机离焦的因素大致可分为两类，一类是工作环境(如大气压力、工作温度)的变化，使得大气光学特性、镜头特性变化，造成相机镜头焦距变化；另一类是飞行高度、照相倾斜角度变化形成的摄影斜距变化，引起成像像距改变[9]。

1.2.1 环境因素的影响

相机环境的大气压力与载机平台飞行高度有关，变化规律为

(3)

式(3)中：P为当前大气压力；P0为基准高度时的大气压力；T为温度。

随着载机平台飞行高度增加，大气压力下降，空气密度变小，空气折射率发生改变，造成相机镜头焦距变化，产生压力离焦量，近似为

(4)

式(4)中：na为空气折射率；ng为玻璃折射率。

航空相机飞行高度改变大气压力的同时，温度也会下降。温度的变化引起光学玻璃、镜框金属的热胀冷缩，使得光学玻璃曲率半径、镜片间隔和镜箱尺度发生改变，同样也引起镜头焦距变化，从而产生温度的离焦。温度离焦量近似为

Δf= (fα-Ф)ΔT

(5)

式(5)中：α为镜框金属线膨胀系数；Ф为温度变化1 ℃时镜头的离焦系数；ΔT为温度变化量。

1.2.2 摄影斜距影响

由式(4)、式(5)叠加可以得到相机工作环境对离焦量的综合影响，其实是因大气压力和温度的综合影响改变了相机镜头焦距而产生的。而随着摄影高度、摄影倾斜角度的改变，摄影斜距改变造成像距的不同，如图2所示。在同一摄影高度下，随着倾斜角度变化，像面呈现曲面变化，而不同高度时的曲面位置不同。根据光学系统高斯成像公式，摄影斜距离焦量公式为

(6)

式(6)中，θ为摄影倾斜角。

图2 摄影斜距对离焦影响

2 离焦模糊特点

航空相机离焦量的产生是由于飞行高度的变化引起的。利用上述公式可以计算得到不同摄影高度时产生的离焦量和图像离焦模糊量大小，公式中参数分别取为：相机焦距f=750 mm,光圈系数F=5.6，空气折射率na=1.000 27，玻璃折射率ng=1.5，基准大气压力P0=760 mmHg，线膨胀系数α=2.3×10-5，镜头离焦温度系数Ф=0.013 mm/℃，可计算得到离焦量和离焦模糊量在飞行高度H=1 000～8 000 m范围内的变化规律。图3(a)为摄影倾斜角分别为0°、20°、45°、60°时斜距离焦模糊量随高度变化曲线，以及温度大气压力离焦模糊量随高度变化曲线；图3(b)为摄影倾斜角分别为0°、20°、45°、60°时斜距和工作环境综合影响下离焦模糊量随高度变化曲线。

图3 离焦模糊量变化曲线

综合分析图3变化曲线，可得到摄影斜距、温度、大气压力引起离焦模糊量随高度变化特点如下：

1) 摄影斜距离焦模糊随着飞行高度的降低而增大，并且倾角越小对应的离焦量和离焦模糊量越大；

2) 环境因素(大气压力、温度)引起的离焦模糊随着高度的增加而显著增大；

3) 飞行高度Hgt;3 000 m时，环境因素引起的离焦模糊远大于摄影斜距因素产生的离焦模糊，工作环境、摄影斜距两类因素综合产生的离焦模糊具有随着高度增加而增加、随着摄影倾角增大而增加的特点；

4) 飞行高度在1 500～3 000 m时，环境因素与摄影斜距两者引起的离焦量和离焦模糊相当，但可以通过是否随摄影倾斜角变化来区分离焦模糊产生的原因，另外，两类因素综合产生的离焦模糊较小；

5) 当飞行高度过低(Hlt;1 500 m)时，摄影斜距离焦量远大于环境因素引起的离焦量，两类因素综合产生的离焦模糊随着飞行高度的增加而减少、也随着摄影倾角的增加而减少。

3 航空相机调焦机构

3.1 调焦机构原理

长焦距大口径航空相机采用移动反射镜的调焦方式，光学系统由镜头、扫描反射镜、调焦反射镜、感光器件组成，如图4所示。相机的正常摄影成像光路要求扫描反射镜与光轴成45°状态。为消除工作环境和摄影斜距不同的离焦量，调焦过程由两个阶段完成：首先相机采用光学自准直原理消除大气压力、温度离焦量[10-11]，这时扫描反射镜与光轴呈垂直状态，利用光学自准直检焦器件信号，控制调焦反射镜轴向移动确定当前焦点位置；然后以此位置为基准点计算出不同飞行高度、不同倾斜角度时对应的离焦量，驱动调焦反射镜到调焦位置。

图4 航空相机成像系统示意图

调焦系统控制原理框图如图5，系统由调焦控制器、电机驱动电路、A/D转换器、调焦电位计、调焦步进电机、限位开关、自准直检焦器件、焦面电位计等组成。为实现两个阶段的调焦，调焦机构按功能划分为以下几部分：(1)调焦控制器，完成整个调焦系统的计算和控制；(2)参数输入模块，实现调焦系统与相机本体系统的产生输入，包括工作产生、指令等；(3)自准直检焦采集模块，包括检焦模块、A/D转换模块等，实现自准直检焦信号的采集；(4)焦面反射镜控制模块，包括位置反馈单元和驱动单元，位置反馈由焦面电位计、A/D转换器件组成，实现焦面反射镜位置的反馈，调焦驱动单元由驱动电路、步进电机、驱动机构组成，实现焦面反射镜位置的调整。

图5 调焦机构控制原理框图

3.2 对离焦模糊量的影响分析

航空相机调焦机构各模块的工作状态直接影响离焦量的调整精度，反映在图像上就是离焦模糊量。根据上述调焦控制关系以及图像离焦模糊特点，可以进一步分析出调焦机构各组件对离焦模糊量的影响程度。表1给出了几种调焦机构故障与离焦模糊量特点的对应表。

1) 控制器故障。当该模块出现该故障时，相机两个阶段的调焦均不能完成，此时的离焦量完全没有调整，图像离焦模糊具有的特点是：在高空拍摄时高度越大离焦模糊量越大、摄影倾角越大离焦模糊量越大；在低空(小于1 500 m)时高度越大离焦模糊量越小、摄影倾角越大离焦模糊量越小。

2) 自准直数据采集故障。由于此故障影响相机自准直阶段的调焦，斜距调焦正常，图像出现工作环境产生的离焦模糊，因此图像的离焦模糊特征是：飞行高度较低时，离焦模糊量较小；而飞行高度较大时，离焦模糊量较大；并且不同倾斜角时不同帧图像的离焦模糊量一致。

3) 参数输入故障。当RS424接口出现故障，使得调焦控制器无法得到正确的参数和指令，调焦系统完全无法工作，表现在图像离焦模糊参数上的特点与调焦控制器故障相同。当参数输入出现飞行高度、倾斜角度参数缺失时，造成斜距调焦修正调焦不正确，而自准直检调焦阶段调整正常，图像表现出的离焦模糊特点为：在不同倾斜角时的图像离焦模糊量不同，随着倾斜角增大而增大；并且飞行高度较低时，离焦模糊量较大。

4) 焦面反射镜控制故障。该故障造成自准直检调焦和斜距补偿调焦时无法实现对焦面反射镜的精确控制，使得相机的调焦系统完全不能正常工作，表现在图像离焦模糊参数上的特点与调焦控制器故障相同。

4 应用案例

某型航空相机在一次多高度多航线摄影时,出现图像模糊。选取两组不同飞行高度(7 400 m、3 010 m)不同倾斜角度(0°、10°、20°)的图像，进行离焦模糊量估值，估值结果见表2。由表2可知：相机在7 400 m高度时离焦模糊量远大于3 010 m的图像模糊量，而两个高度下不同倾斜角的离焦模糊量差别不大。根据调焦机构对模糊量的影响分析，以及表1给出的对应特点，可以判断该相机出现了调焦机构的自准直检焦数据采集模块故障。本次故障定位采用图像离焦模糊估计的方法，快速确定了相机故障点。常规故障诊断采用电信号测量手段，不可避免的需要对设备反复拆解、“带病”通电，而故障信号又往往不易复现。与常规方法相比，该方法只需对模糊图像进行软手段处理，即可快速确定故障点，避免了常规电信号检测的缺点。

表1 调焦故障点与图像离焦模糊量特点对应表

表2 离焦模糊量估值

5 结论

载机平台飞行高度的变化引起航空相机工作环境、摄影斜距的改变，不同因素产生的图像离焦模糊量变化规律不同，而航空相机自动调焦机构对不同因素产生的离焦量修正措施不同，因此调焦机构各工作模块对离焦模糊的影响不同。本文在仿真分析离焦模糊变化规律的基础上，进一步研究了调焦机构各模块不同故障点时图像离焦模糊量的表现特征，为运用航空相机图像数据开展调焦机构的故障诊断提供了理论依据。

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(责任编辑杨继森)

InfluenceofFocusingMechanismonDefocusingBlurinAerialCamera

LI Yingjie, LIU Jiandong, WANG Shangqiang

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical University, Qingdao 266041, China)

The models of defocusing amount and defocusing blur amount were set up, and the change law of defocusing blur was analyzed by simulating with different heights. It analyzed the control relation of auto-focusing mechanism in aerial camera. At last, and the effect rule was provided of focusing modules on defocusing blur. That can be used for theoretical basis to estimate fault points of the auto-focusing mechanism based on image data.

aerial camera; defocusing blur;auto-focusing mechanism

2017-07-10；

2017-07-31

李英杰(1972—)，男，硕士，副教授，主要从事航空光电侦察技术、航空装备保障研究。

10.11809/scbgxb2017.11.037

本文引用格式：李英杰，刘建东，王尚强.航空相机调焦机构对离焦模糊的影响[J].兵器装备工程学报，2017(11):169-172.

formatLI Yingjie, LIU Jiandong, WANG Shangqiang.Influence of Focusing Mechanism on Defocusing Blur in Aerial Camera[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):169-172.

V556.5

A

2096-2304(2017)11-0169-04