CN103148839B - 一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机 - Google Patents

Abstract

一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机，包括全色相机模块和彩色相机模块，其中全色相机模块包括两组镜头，通过镜间分光的方式实现四组焦平面组件同时成像，两组镜头共用一个快门组件保证多个相机同步曝光，四组焦平面组件共有9片10K×10K的CCD器件构成3×3阵列，总像素约30K×30K；彩色相机模块包括RGB真彩色相机和CIR彩红外相机，通过Mosaic滤光片和Bayer插值的方式实现彩色成像，获得的彩色图像通过插值的方式融合到高分辨率全色图像，从而得到高分辨率彩色图像；全色相机和彩色相机像素均为10K×10K。本发明可以有效解决数字航测相机幅面较小、分辨率较低的问题，符合通用航测飞机平台的搭载要求。

Description

一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机

技术领域

本发明属于航空遥感摄影测量技术领域，特别涉及一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机。

背景技术

航空遥感在测绘中主要被用来测绘地形图、制作正射影像图和经专业判读后编绘各种专题图、修补和修编地形图和地图、更新GIS数据库、制作数字地图，掌握土地资源使用现状、预测发展趋势。同时，航空遥感成像在农林业遥感、资源普查、环境监测、灾害评估等领域具有广泛的应用。

与侦察相机不同，航测相机对图像的几何精度要求较高，对分辨率的要求相对较低，目前国际上比较著名的航测相机主要有Leica的ADS40/80、Intergraph的DMC系列、Microsoft Vexcel的UltraCam系列，以及VisionMap的A3相机。与国外航测相机相比，我国的航测相机技术水平还比较落后，高端航测相机主要是进口的国外的ADS、DMC、UltraCam和A3等。

对于航测相机，为了提高作业效率，采用的焦平面一般都很大，由于单个大面阵难以制作，目前只有DMC II采用了单个超大面阵CCD，最大分辨率为17k×14k，由于我国芯片技术的限制，CCD主要依靠进口，单个大面阵CCD无法获取，只能采用拼接的方式实现大面阵成像。目前的拼接方式主要是内视场拼接和外视场拼接。发明专利【200910092383.9】提出了一种通过棱镜分光实现2×3或者2×2的拼接模式，可以应用于航天遥感领域，发明专利【201110099328.X】提出了一种通过反射式四棱锥分光实现4片CCD的拼接方式，但是CCD的接边由于棱镜切割光线会产出渐晕现象，拼缝处图像质量严重下降，另外，采用棱镜分光，对光学系统的后截距要求较长，为了提高照度的均匀性和拼接效果，通常需要采用远心光路，极大地增加了光学系统的设计难度，同时大大增加了光学系统的体积和重量，当焦平面较大时采用四棱锥分光，四棱锥的体积将会非常大，加工、装调、测试等非常难，可靠性差。

国外的航测相机都是采用外视场拼接的方式，DMC一代全色波段采用4个倾斜放置的镜头成“碗”状排列，通过4个视场角较好的镜头实现较大视场拼接，因此DCM一代不是严格的中心投影，存在明显的系统误差。UltraCam全色波段采用4个镜头顺序排列，所有镜头都垂直向下，采用延时曝光的方式实现准单中心投影，因此，UltraCam对相机延时要求控制很高，很容易产生漏拍，由于飞机姿态变化和延时控制的不准确，很难实现单中心投影，因此UltraCam实际上也是多中心投影方式。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机，可以有效解决数字航测相机幅面较小、分辨率较低的问题，消除视场内拼接带来的渐晕问题，解决全色波段多CCD同步问题。

本发明的技术方案是：一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机，包括全色相机模块和彩色相机模块，全色相机模块对全色目标进行成像，彩色相机模块对彩色目标进行成像；全色相机模块包括第一全色镜头和第二全色镜头；第一全色镜头包括第一镜头组件、快门组件、第一分光棱镜、第二镜头组件、第三镜头组件、第一焦平面组件、第二焦平面组件；光线进入用于消减色差的第一镜头组件汇聚后，经过快门组件到达第一分光棱镜，经第一分光棱镜分束后，其中一束光线经过第二透镜组件后成像于第一焦平面组件上，另一束光线经过第三透镜组件后成像于第二焦平面组件上；第二全色镜头包括第四镜头组件、快门组件、第二分光棱镜、第五镜头组件、第六镜头组件、第三焦平面组件、第四焦平面组件；光线进入用于消减色差的第四镜头组件汇聚后，经过快门组件到达第二分光棱镜，经第二分光棱镜分束后，其中一束光线经过第五透镜组件后成像于第三焦平面组件上，另一束光线经过第六透镜组件后成像于第四焦平面组件上；所述的快门组件包括两个缝隙式快门和一个驱动机构，驱动机构通过对缝隙式快门的控制实现对第一全色镜头和第二全色镜头的通断进行同步控制；所述的第一焦平面组件、第二焦平面组件、第三焦平面组件、第四焦平面组件均采用×阵列排布的成像像面，上述每组焦平面组件中包括有结构对称的若干片CCD，用于显示待测目标的一部分图像，四组焦平面组件上共片CCD经过叠加拼接后，使×阵列排布的成像像面上显示出完整的目标图像；彩色相机模块包括RGB真彩色镜头相机和CIR假彩色镜头相机。

所述的第一镜头组件和第四镜头组件均采用两片负透镜和两片正透镜组合的方式；上述正透镜、负透镜沿光线入射方向的排列顺序依次为两个负透镜和两个正透镜。

所述的第二镜头组件、第三镜头组件、第四镜头组件、第五镜头组件、第六镜头组件均采用双胶合透镜和三胶合透镜组合的方式；上述双胶合透镜和三胶合透镜沿光线入射方向的排列顺序依次为一个双胶合透镜和一个三胶合透镜。

全色相机模块中使用的所有CCD均采用10K×10K大面阵器件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）采用镜间分光的方法焦平面拼接实现超大面阵航测相机具有集成度高、结构紧凑等优点，能够满足通用航空测量飞机窗口的尺寸要求；

（2）全色镜头采用两组镜头通过镜间分光的方式把光线分成4组，分别聚焦到不同的焦平面组件，实现垂视成像，采用镜间分光的方法可以消除棱镜拼接带来的渐晕现象，消除棱锥拼接带来的镜头设计难度大的问题，以及多镜头倾斜外视场拼接带来的误差和分时曝光成像带来的控制精度问题，防止漏拍；

（3）全色两组镜头共用一个快门组件，保证全色四组焦平面组件中CCD同时曝光，可以解决多CCD曝光不同步的问题，拼接后图像重叠度固定；

（4）彩色相机采用Mosaic滤光片和Bayer差值生成RGB真彩色或CIR假彩色图像，因此不需要小幅面相机获取多光谱图像，然后再通过图像融合的方法生成彩色图像，而是直接通过插值的方式实现低分辨彩色图像到高分辨率彩色图像的变换，简化了相机的结构、减小了相机的尺寸和重量，降低了图像处理的难度和工作量；

（5）全色相机焦平面组件通过不同的方式排列，消除焦平面拼接引起的结构干涉，以及分时曝光和倾斜摄影带了的误差，同时保证各CCD之间的重叠度一致。

附图说明

图1为镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机排列示意图；

图2为两组全色相机镜头和探测器组件结构示意图；

图3-1为第一焦平面组件CCD布局图；

图3-2为第二焦平面组件CCD布局图；

图3-3为第三焦平面组件CCD布局图；

图3-4为第四焦平面组件CCD布局图；

图3-5为四组焦平面组件拼接过程和拼接后效果示意图。

具体实施方式

如图1所示，镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机由全色相机组件和彩色相机组件组成，沿航天器飞行方向有第一全色镜头1和第二全色镜头2，航天器垂直飞行方向为RGB（红绿蓝）真彩色镜头3和CIR（彩色红外）假彩色镜头4，其中RGB真彩色镜头3和CIR假彩色镜头4之间位置可以互换，四组镜头均垂直向下实现垂直摄影。

镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机全色相机模块有两组镜头1，如图2所示，光线首先进入第一镜头组件6和第四镜头组件13，经过快门组件7到达第一分光棱镜8和第二分光棱镜14，然后光线分别进入第二镜头组件9、第三镜头组件10和第五镜头组件15、第六镜头组件16，最后成像于四个焦平面组件上。

如图3-1至3-5所示，为了实现3×3的CCD焦平面拼接，并防止多个CCD之间摆放时出现干涉，整个全色镜头组件配置四个焦平面组件，分布在镜头的上方和侧面，第一焦平面组件11由1片CCD构成，如图3-1所示，位于整个成像像面的中心，如图3-1所示；第二焦平面组件12由4片CCD构成，位于整个成像像面的四个角，如图3-2所示；第三焦平面组件由2片CCD构成，分布在整个像面的上下两侧，如图3-3所示；第四焦平面组件由2片CCD组成，分布于整个像面的左右两侧，如图3-4所示，在使用和安装过程中，四个焦平面组件上的CCD在结构不干涉的情况下可以以任意排列组合的方式摆放，尽量遵循结构尺寸最小、对称性最好和易于安装调试的原则。

全色相机组件在装调时，应保证每个CCD所成图像有一定的重叠度，全色镜头组件两组镜头共用一个快门组件7，快门组件7由一个驱动机构同时控制两个快门，实现两个快门的同步，从而实现光线的通断，实现所有CCD同步曝光，保证所拍图像的重叠率，所成图像经过叠加实现3×3焦平面拼接，拼接过程和拼接后示意图如图3-5所示。

彩色相机组件采用Mosaic滤光片和Bayer插值的方法实现RGB真彩色和CIR假彩色图像的生成，不需要通过R、G、B和NIR多光谱通道获取多光谱图像后在进行图像融合生成彩色和假彩色图像。

为了实现超大面阵成像和高分辨率成像，所用CCD均采用10K×10K大面阵器件，全色相机实现拼接后分辨率接近30K×30K，该成像像元数可以达到目前航测相机的最高水平。

上述的第一镜头组件6、第四镜头组件13为前组镜头，为了获得较大的视场角，前两片玻璃采用负透镜，紧跟着为两组正透镜，用来减小色差，后组第二镜头组件9、第五镜头组件15、第三镜头组件10、第六镜头组件16采用双胶合和三胶合透镜缩小后组镜头的长度，第一镜头组件6和第四镜头组件13完全一样，第二镜头组件9、第五镜头组件15、第三镜头组件10、第六镜头组件16完全一样，全色镜头采用对称结构，后组第二镜头组件9和第五镜头组件15后由于第一焦平面组件11和第三焦平面组件17上探测器数量主要集中在中间位置，因此为了减小系统尺寸，防止干涉，在不影响成像质量的情况下，可以把第一镜头组件9和第五镜头组件15切割成较小的尺寸。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机，其特征在于：包括全色相机模块和彩色相机模块，全色相机模块对全色目标进行成像，彩色相机模块对彩色目标进行成像；全色相机模块包括第一全色镜头(1)和第二全色镜头(2)；第一全色镜头(1)包括第一镜头组件(6)、快门组件(7)、第一分光棱镜(8)、第二镜头组件(9)、第三镜头组件(10)、第一焦平面组件(11)、第二焦平面组件(12)；光线进入用于消减色差的第一镜头组件(6)汇聚后，经过快门组件(7)到达第一分光棱镜(8)，经第一分光棱镜(8)分束后，其中一束光线经过第二透镜组件(9)后成像于第一焦平面组件(11)上，另一束光线经过第三透镜组件(10)后成像于第二焦平面组件(12)上；第二全色镜头(2)包括第四镜头组件(13)、快门组件(7)、第二分光棱镜(14)、第五镜头组件(15)、第六镜头组件(16)、第三焦平面组件(17)、第四焦平面组件(18)；光线进入用于消减色差的第四镜头组件(13)汇聚后，经过快门组件(7)到达第二分光棱镜(14)，经第二分光棱镜(14)分束后，其中一束光线经过第五透镜组件(15)后成像于第三焦平面组件(17)上，另一束光线经过第六透镜组件(16)后成像于第四焦平面组件(18)上；所述的快门组件(7)包括两个缝隙式快门和一个驱动机构，驱动机构通过对缝隙式快门的控制实现对第一全色镜头(1)和第二全色镜头(2)的通断进行同步控制；所述的第一焦平面组件(11)、第二焦平面组件(12)、第三焦平面组件(17)、第四焦平面组件(18)均采用3×3阵列排布的成像像面，上述每组焦平面组件中包括有结构对称的若干片CCD，用于显示待测目标的一部分图像，四组焦平面组件上共9片CCD经过叠加拼接后，使3×3阵列排布的成像像面上显示出完整的目标图像；彩色相机模块包括RGB真彩色镜头相机(3)和CIR假彩色镜头相机(4)；所述全色相机模块中使用的所有CCD均采用10K×10K大面阵器件。

2.根据权利要求1所述的镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机，其特征在于：所述的第一镜头组件(6)和第四镜头组件(13)均采用两片负透镜和两片正透镜组合的方式；上述正透镜、负透镜沿光线入射方向的排列顺序依次为两个负透镜和两个正透镜。

3.根据权利要求1所述的镜间分光焦平面拼接超大面阵航测相机，其特征在于：所述的第二镜头组件(9)、第三镜头组件(10)、第四镜头组件(13)、第五镜头组件(15)、第六镜头组件(16)均采用双胶合透镜和三胶合透镜组合的方式；上述双胶合透镜和三胶合透镜沿光线入射方向的排列顺序依次为一个双胶合透镜和一个三胶合透镜。