CN116709025A - 支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机，该可见光探测器包括：预设数量个呈面阵排列且相互垂直正交排列的探测器单元；与探测器单元电性连接的电荷速度控制模块，用于驱动探测器单元中的电荷沿预设方向进行电荷转移以进行像移补偿；分别与探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接的移位寄存器，用于将探测器单元像移补偿后的电荷信息输送至电荷处理及输出模块；电荷处理及输出模块，用于将移位寄存器输送的电荷信息进行整合后输出。本发明的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器在不增加、移动硬件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗、成本。

Description

支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机

技术领域

本发明涉及航天航空技术领域，尤其涉及一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机。

背景技术

在航空相机成像过程中，侦察机(载机)会根据战术的需求进行调整，如：俯仰、偏航、横滚以及复合的运动等。载机姿态调整及复合运动变化会使载机上的航空相机的成像系统在像面上产生像移，从而导致光学系统的成像性能下降，严重时甚至会造成图像模糊，无法使用。对应不同的飞行姿态及复合运动状态，如图1(a)所示，影像在航空相机探测器像面上会留下不同的像移轨迹，如图1(b)所示，矢量的长度表示图像的运动幅度，箭头的方向表示图像运动的方向，对于阵列的不同部分，幅度和方向是不一样的。这种在载机不同的飞行姿态及复合运动状态下探测器像面上大小和方向均不相同的像移称为多自由度像移。

目前发展起来的像移补偿方法主要从三个角度出发：一是采用电子学手段，研制具有时间延迟积分(Time Delay and Integration，TDI)功能或者面阵CCD的CCD器件，针对具体CCD器件采用电荷转移驱动技术来控制积分时间内CCD的电荷转移速度，就可以进行像移补偿；二是对图像处理算法进行研究，通过后期图像处理实现模糊图像的清晰化或纠正像旋转，但是会损失图像信息；三是采用运动控制技术，通过控制曝光时间、惯性稳定平台、变换镜头、快速反射镜等来补偿运动成像引起的像移。这种方法需要改进机械结构，对结构精度、可靠性、稳定性、复杂度、重量控制、成本控制的要求非常高。

但是，上述方式中，目前报道的电子式像移补偿方法主要是利用TDICCD进行前向像移补偿及阶梯式分块补偿航空异速像移，而对航空相机横滚、俯仰、偏航及以上复合的多自由度运动没有给出一个好的解决方案，严重制约了像移补偿技术及高端CCD(支持横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动片上补偿CCD)的研制。图象式像移补偿方法是一种事后补偿方法，不具有实时性。运动控制技术补偿方法需要增加机械和光学补偿系统，但机械、光学补偿系统会大幅增加航空相机的重量及体积。

发明内容

基于此，本发明提出了一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机，以解决或部分解决现有技术中存在的问题。本申请的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机能够在不增加、移动硬件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗和成本。

第一方面，本发明提供了一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，包括：

预设数量个探测器单元，多个探测器单元均呈面阵排列，且相邻探测器单元之间垂直正交排列；

预设数量个电荷速度控制模块，每个电荷速度控制模块与一个探测器单元电性连接，用于驱动探测器单元中的电荷沿预设方向进行电荷转移以进行像移补偿；

预设数量个移位寄存器，每个移位寄存器分别与一个探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接，用于将探测器单元像移补偿后的电荷信息输送至电荷处理及输出模块；

电荷处理及输出模块，用于将每个移位寄存器输送的电荷信息进行整合后输出。

优选的是，所述支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，预设数量个探测器单元包括：

第一探测器单元、第二探测器单元、第三探测器单元、第四探测器单元，第一探测器单元、第二探测器单元、第三探测器单元、第四探测器单元均呈面阵排列，第一探测器单元与第二探测器单元垂直正交排列，第二探测器单元与第三探测器单元垂直正交排列，第三探测器单元与第四探测器单元垂直正交排列，第四探测器单元与第一探测器单元垂直正交排列。

优选的是，所述支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，预设数量个电荷速度控制模块包括：

与第一探测器单元电性连接的第一电荷速度控制模块，用于驱动第一探测器单元中的第一电荷沿第一预设方向进行电荷转移；

与第二探测器单元电性连接的第二电荷速度控制模块，用于驱动第二探测器单元中的第二电荷沿第二预设方向进行电荷转移；

与第三探测器单元电性连接的第三电荷速度控制模块，用于驱动第三探测器单元中的第三电荷沿第三预设方向进行电荷转移；

与第四探测器单元电性连接的第四电荷速度控制模块，用于驱动第四探测器单元中的第四电荷沿第四预设方向进行电荷转移。

优选的是，所述支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，预设数量个移位寄存器包括：

分别与第一探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接的第一移位寄存器，用于将第一探测器单元像移补偿后的第一电荷信息输出至电荷处理及输出模块；

分别与第二探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接的第二移位寄存器，用于将第二探测器单元像移补偿后的第二电荷信息输出至电荷处理及输出模块；

分别与第三探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接的第三移位寄存器，用于将第三探测器单元像移补偿后的第三电荷信息输出至电荷处理及输出模块；

分别与第四探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接的第四移位寄存器，用于将第四探测器单元像移补偿后的第四电荷信息输出至电荷处理及输出模块。

优选的是，所述支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，第一电荷的转移速度与第一探测器单元的像移速率一致，第二电荷的转移速度与第二探测器单元的像移速率一致，第三电荷的转移速度与第三探测器单元的像移速率一致，第四电荷的转移速度与第四探测器单元的像移速率一致。

优选的是，所述支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，第一探测器单元、第二探测器单元、第三探测器单元、第四探测器单元的分辨率均为1024*1024，单个像元的大小为9um，支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的分辨率为4096*4096。

第二方面，本发明还提供了一种支持多自由度像移补偿功能的航空相机，包括：可见光探测器镜头、探测器控制及驱动模块、探测器信号处理及输出模块和如上所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，可见光探测器分别与可见光探测器镜头、探测器控制及驱动模块、探测器信号处理及输出模块连接；

可见光探测器镜头用于收集目标景物的反射光并将反射光聚焦于可见光探测器上；

可见光探测器用于将光信号转化为电信号并进行多自由度的像移补偿；

探测器控制与驱动模块用于驱动可见光探测器工作；

探测器信号处理及输出模块用于将可见光探测器输出的电信号进行处理后输出。

本发明的一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机，相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器及航空相机，包括：预设数量个探测器单元，多个探测器单元均呈面阵排列，且相邻探测器单元之间垂直正交排列；预设数量个电荷速度控制模块，每个电荷速度控制模块与一个探测器单元电性连接，用于驱动探测器单元中的电荷沿预设方向进行电荷转移以进行像移补偿；预设数量个移位寄存器，每个移位寄存器分别与一个探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接，用于将探测器单元像移补偿后的电荷信息输送至电荷处理及输出模块；电荷处理及输出模块，用于将每个移位寄存器输送的电荷信息进行整合后输出。本发明的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，在不增加、移动硬件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为航空相机多自由度运动像移原理示意图及靶面上像移示意图；

图2为本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的一结构示意图；

图3为像移补偿原理示意图；

图4为本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的另一结构示意图；

图5为本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的靶面像移示意图；

图6为本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的航空相机的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

航空多自由度像移产生原因：

在侦察过程中，侦察机为躲避敌方雷达的监视，需要做高速低空飞行。低空高速飞行大大提高飞机自身的战场生存能力和纵深侦察监视能力，但这时航空成像的靶面上会出现严重像移，导致航空成像模糊，像移的存在极大的影响了相机成像质量，使航摄图像的分辨率明显下降。当存在像移时拍摄到的目标轮廓不清晰，目标和周围背景间存在着或大或小的过渡区，它随像移的增大而扩大，当过渡区到达一定程度时就会导致相邻两目标的成像互相交叠甚至不能分辨。侦察飞机的飞行姿态除了进行前向飞行外，还会根据技战术的需求进行调整，如：俯仰、偏航和横滚以及复合多自由度运动，如图1中A所示。对应不同的飞行姿态，影像在靶面上会留下不同的像移轨迹，如图1中B所示。

本发明实施例提供了一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，如图2所示，包括：

预设数量个探测器单元1，多个探测器单元1均呈面阵排列，且相邻探测器单元1之间垂直正交排列；

预设数量个电荷速度控制模块2，每个电荷速度控制模块2与一个探测器单元1电性连接，用于驱动探测器单元1中的电荷沿预设方向进行电荷转移以进行像移补偿；

预设数量个移位寄存器3，每个移位寄存器3分别与一个探测器单元1、电荷处理及输出模块4电性连接，用于将探测器单元1像移补偿后的电荷信息输送至电荷处理及输出模块4；

电荷处理及输出模块4，用于将每个移位寄存器3输送的电荷信息进行整合后输出。

具体地，探测器单元1之间垂直正交排列，使得探测器单元1中的电荷可以沿不同的方向进行电荷转移，且不同探测器单元1中的电荷的转移方向相互垂直，从而能够覆盖到多个不同自由度的像移。

需要说明的是，本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的工作原理为：每个探测器单元均包括多级像元，通过利用多级像元对同一目标景物多次曝光，并将信号电荷进行累加以提高信号强度。如图3所示，对于单个探测器单元1，假设在T1时刻对目标景物进行曝光，目标景物成像在图3中左图阴影所示的像元上，成像电荷也位于该像元上，曝光结束后的T2时刻，由于飞机运动，T1时刻目标景物所成的像移动到图3右图所示阴影部分的下一级像元上，同时控制成像电荷也移动到该下一级像元上，继续对该目标景物继续曝光，依次类推，当最后一级像元曝光结束后，输出的信号为全部像元对同一目标景物的积分电荷之和，将其输送至移位寄存器3，由移位寄存器3将其输送至电荷处理及输出模块4，从而实现一个自由度的像移补偿。通过设置预设数量个相互垂直正交的探测器单元，从而对同一目标景物在多个自由度的像移进行补偿。

需要说明的是，本发明实施例中，该预设数量为至少两个。

优选地，如图4所示，预设数量个探测器单元1包括：

第一探测器单元11、第二探测器单元12、第三探测器单元13、第四探测器单元14，第一探测器单元11、第二探测器单元12、第三探测器单元13、第四探测器单元14均呈面阵排列，第一探测器单元11与第二探测器单元12垂直正交排列，第二探测器单元12与第三探测器单元13垂直正交排列，第三探测器单元13与第四探测器单元14垂直正交排列，第四探测器单元14与第一探测器单元11垂直正交排列。

优选地，如图4所示，预设数量个电荷速度控制模块2包括：

与第一探测器单元11电性连接的第一电荷速度控制模块21，用于驱动第一探测器单元11中的第一电荷沿第一预设方向进行电荷转移，补偿目标景物在探测像面上沿着第一预设方向运动产生的像移，如图5所示。其中，该第一预设方向为向上的方向。

与第二探测器单元12电性连接的第二电荷速度控制模块22，用于驱动第二探测器单元12中的第二电荷沿第二预设方向进行电荷转移，补偿目标景物在探测像面上沿着第二预设方向运动产生的像移，如图5所示。其中，该第二预设方向为向右的方向。

与第三探测器单元13电性连接的第三电荷速度控制模块23，用于驱动第三探测器单元13中的第三电荷沿第三预设方向进行电荷转移，补偿目标景物在探测像面上沿着第三预设方向运动产生的像移，如图5所示。其中，该第三预设方向为向下的方向。

与第四探测器单元14电性连接的第四电荷速度控制模块24，用于驱动第四探测器单元14中的第四电荷沿第四预设方向进行电荷转移，补偿目标景物在探测像面上沿着第四预设方向运动产生的像移，如图5所示。其中，该第四预设方向为向左的方向。

具体地，通过第一探测器单元11、第二探测器单元12、第三探测器单元13、第四探测器单元14分别补偿沿着上、下、左、右方向产生的像移，因此整个可见光探测器可以补偿飞机由于方位、俯仰、横滚及复合运动产生的多自由度像移。

优选地，如图4所示，预设数量个移位寄存器3包括：

分别与第一探测器单元11、电荷处理及输出模块4电性连接的第一移位寄存器31，用于将第一探测器单元11像移补偿后的第一电荷信息输出至电荷处理及输出模块4。

分别与第二探测器单元12、电荷处理及输出模块4电性连接的第二移位寄存器32，用于将第二探测器单元12像移补偿后的第二电荷信息输出至电荷处理及输出模块4。

分别与第三探测器单元13、电荷处理及输出模块4电性连接的第三移位寄存器33，用于将第三探测器单元13像移补偿后的第三电荷信息输出至电荷处理及输出模块4。

分别与第四探测器单元14、电荷处理及输出模块4电性连接的第四移位寄存器34，用于将第四探测器单元14像移补偿后的第四电荷信息输出至电荷处理及输出模块4。

优选地，第一电荷的转移速度与第一探测器单元11的像移速率一致，第二电荷的转移速度与第二探测器单元12的像移速率一致，第三电荷的转移速度与第三探测器单元13的像移速率一致，第四电荷的转移速度与第四探测器单元14的像移速率一致。

优选地，第一探测器单元11、第二探测器单元12、第三探测器单元13、第四探测器单元14的分辨率均为1024*1024，单个像元的大小为9um，支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的分辨率为4096*4096。

上述实施例中，像元，亦称像素点或像元点，即影像单元(picture element)。

本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器通过设置预设数量个呈面阵排列且相互垂直正交排列的探测器单元1；利用与探测器单元1电性连接的电荷速度控制模块2驱动探测器单元1中的电荷沿预设方向进行电荷转移以进行像移补偿；利用分别与探测器单元1、电荷处理及输出模块4电性连接的移位寄存器3将探测器单元1像移补偿后的电荷信息输送至电荷处理及输出模块4；最后利用电荷处理及输出模块4将移位寄存器3输送的电荷信息进行整合后输出。其实现了在不增加、移动硬件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗、成本。

本发明实施例提供了一种支持多自由度像移补偿功能的航空相机，如图6所示，该支持多自由度像移补偿功能的航空相机包括可见光探测器镜头100、探测器控制及驱动模块200、探测器信号处理及输出模块300和如上所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器400，可见光探测器400分别与可见光探测器镜头100、探测器控制及驱动模块200、探测器信号处理及输出模块300连接；

可见光探测器镜头100用于收集目标景物的反射光并将反射光聚焦于可见光探测器400上。

可见光探测器400用于将光信号转化为电信号并进行多自由度的像移补偿。

探测器控制与驱动模块200用于驱动可见光探测器工作。

其中，探测器控制与驱动模块还用于在上电时对系统内模块进行初始化设置、更改各个模块的参数、控制拍摄过程、产生系统所需驱动时序信号等。

探测器信号处理及输出模块300用于将可见光探测器输出的电信号进行处理后输出。

具体地，探测器信号处理及输出模块300对电荷信息的处理包括可控增益放大、模数转换、暗电平钳位补偿、信号输出等操作。

本发明实施例的支持多自由度像移补偿功能的航空相机能够在不增加、移动硬件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗、成本。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，其特征在于，包括：

预设数量个探测器单元，所述多个探测器单元均呈面阵排列，且相邻探测器单元之间垂直正交排列；

预设数量个电荷速度控制模块，每个电荷速度控制模块与一个探测器单元电性连接，用于驱动所述探测器单元中的电荷沿预设方向进行电荷转移以进行像移补偿；

预设数量个移位寄存器，每个移位寄存器分别与一个探测器单元、电荷处理及输出模块电性连接，用于将所述探测器单元像移补偿后的电荷信息输送至电荷处理及输出模块；

所述电荷处理及输出模块，用于将每个移位寄存器输送的电荷信息进行整合后输出。

2.如权利要求1所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，其特征在于，所述预设数量个探测器单元包括：

第一探测器单元、第二探测器单元、第三探测器单元、第四探测器单元，所述第一探测器单元、第二探测器单元、第三探测器单元、第四探测器单元均呈面阵排列，所述第一探测器单元与所述第二探测器单元垂直正交排列，所述第二探测器单元与所述第三探测器单元垂直正交排列，所述第三探测器单元与所述第四探测器单元垂直正交排列，所述第四探测器单元与所述第一探测器单元垂直正交排列。

3.如权利要求2所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，其特征在于，所述预设数量个电荷速度控制模块包括：

与所述第一探测器单元电性连接的第一电荷速度控制模块，用于驱动所述第一探测器单元中的第一电荷沿第一预设方向进行电荷转移；

与所述第二探测器单元电性连接的第二电荷速度控制模块，用于驱动所述第二探测器单元中的第二电荷沿第二预设方向进行电荷转移；

与所述第三探测器单元电性连接的第三电荷速度控制模块，用于驱动所述第三探测器单元中的第三电荷沿第三预设方向进行电荷转移；

与所述第四探测器单元电性连接的第四电荷速度控制模块，用于驱动所述第四探测器单元中的第四电荷沿第四预设方向进行电荷转移。

4.如权利要求3所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，其特征在于，所述预设数量个移位寄存器包括：

分别与所述第一探测器单元、所述电荷处理及输出模块电性连接的第一移位寄存器，用于将所述第一探测器单元像移补偿后的第一电荷信息输出至电荷处理及输出模块；

分别与所述第二探测器单元、所述电荷处理及输出模块电性连接的第二移位寄存器，用于将所述第二探测器单元像移补偿后的第二电荷信息输出至电荷处理及输出模块；

分别与所述第三探测器单元、所述电荷处理及输出模块电性连接的第三移位寄存器，用于将所述第三探测器单元像移补偿后的第三电荷信息输出至电荷处理及输出模块；

分别与所述第四探测器单元、所述电荷处理及输出模块电性连接的第四移位寄存器，用于将所述第四探测器单元像移补偿后的第四电荷信息输出至电荷处理及输出模块。

5.如权利要求3所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，其特征在于，所述第一电荷的转移速度与所述第一探测器单元的像移速率一致，所述第二电荷的转移速度与所述第二探测器单元的像移速率一致，所述第三电荷的转移速度与所述第三探测器单元的像移速率一致，所述第四电荷的转移速度与所述第四探测器单元的像移速率一致。

6.如权利要求2所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，其特征在于，所述第一探测器单元、所述第二探测器单元、所述第三探测器单元、所述第四探测器单元的分辨率均为1024*1024，单个像元的大小为9um，所述支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器的分辨率为4096*4096。

7.一种支持多自由度像移补偿功能的航空相机，包括：可见光探测器镜头、探测器控制及驱动模块、探测器信号处理及输出模块，其特征在于，还包括：如权利要求1～6任一所述的支持多自由度像移补偿功能的可见光探测器，所述可见光探测器分别与所述可见光探测器镜头、所述探测器控制及驱动模块、所述探测器信号处理及输出模块连接；

所述可见光探测器镜头用于收集目标景物的反射光并将所述反射光聚焦于所述可见光探测器上；

所述可见光探测器用于将光信号转化为电信号并进行多自由度的像移补偿；

所述探测器控制与驱动模块用于驱动所述可见光探测器工作；

所述探测器信号处理及输出模块用于将所述可见光探测器输出的电信号进行处理后输出。