CN108449528B

CN108449528B - 像移补偿电路、航空异速像移恢复装置及方法

Info

Publication number: CN108449528B
Application number: CN201810437826.2A
Authority: CN
Inventors: 任航; 孙辉; 宋玉龙; 刘博超; 郭巳秋
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: CN108449528A

Abstract

本发明公开了一种像移补偿电路，包括：异速像移时序控制器，产生水平转移时序，在未发生像移时产生垂直转移时序，在发生像移时，根据相机移动速度、CCD靶面大小、相机倾斜角度以及像移补偿精度要求，计算像移补偿速度V，并将所述CCD的若干列像素划分为多块，产生异速像移所需垂直转移时序；水平驱动电路对异速像移时序控制器输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲和水平像元合并栅极驱动时钟进行放大和平移，以驱动CCD；垂直驱动电路对异速像移时序发生器输出的垂直时序信号进行放大，以驱动CCD。本发明还提供一种航空异速像移恢复装置及方法。本发具有对航空异速像移进行实时恢复，有效克服传统式电子式像移补偿无法恢复异速像移补偿缺点的效果。

Description

像移补偿电路、航空异速像移恢复装置及方法

技术领域

本发明属于航天航空技术领域，特别涉及一种像移补偿电路、航空异速像移恢复装置及方法。

背景技术

面阵CCD相机倾斜照相时，由于飞机倾斜时，在单幅地面区域内，近点目标在像面上的前向像移速度同远点的前向像移速度相比，方向相同，大小不等。这将这种方向相等，大小不等的前向像移速度定义为异速像移。相机俯角和相机视场角是异速像移产生的主要原因，此外，飞机姿态角，如飞机横滚角也会产生异速像移。常用的异速像移补偿方法有：机械式像移补偿方法，但是这种方法结构复杂，重量大。光学式像移补偿方法，这种方法光机结构复杂，不容易设计。图像式像移补偿法，这种方法是一种事后补偿法，不利于实现。电子式像移补偿法，通过控制CCD电荷转移速度来和像移速度同步，这种方法对时序控制精度要求非常高。

传统式电子式像移补偿无法恢复异速像移补偿，因此亟需一种航空异速像移恢复装置及方法，来对航空异速像移进行实时恢复。

发明内容

为了解决上述现有技术中传统式电子式像移补偿无法恢复异速像移补偿的技术问题，本发明提供了一种航空异速像移恢复装置及方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，提供一种像移补偿电路，包括：

异速像移时序控制器，用于产生水平转移时序；用于在未发生像移时产生垂直转移时序；还用于在发生像移时，根据相机移动速度、CCD靶面大小、相机倾斜角度以及像移补偿精度要求，计算像移补偿速度V，并根据所述像移补偿速度V将所述CCD的若干列像素划分为多块，并产生异速像移所需垂直转移时序；

水平驱动电路，用于对异速像移时序控制器输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲和水平像元合并栅极驱动时钟进行放大和平移，以驱动所述CCD；

垂直驱动电路，用于对异速像移时序发生器输出的垂直时序信号进行放大，以驱动所述CCD。

一些实施例中，异速像移时序控制器计算在垂直于焦平面方向上，图像某点N处的像移补偿速度V_N为：

其中，f为给定的镜头焦距、δ为俯角δ、ε为视场角、V/H为飞机的速高比。

一些实施例中，所述水平驱动电路对异速像移时序控制器输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲和水平像元合并栅极驱动时钟进行放大和平移，产生驱动所述CCD的电压和脉冲；

垂直驱动电路对异速像移时序控制器输出的垂直转移时序信号进行放大，从而产生驱动CCD的电压和脉冲。

另一方面，本发明还提供一种航空异速像移恢复装置，包括上述的像移补偿电路，还包括CCD、前端处理电路、图像采集电路；

模糊图像在CCD靶面成像，CCD感光面上的前向像移速度不一致，产生异速像移；

所述像移补偿电路根据在发生像移时相机移动速度、CCD靶面大小、相机倾斜角度以及像移补偿精度要求，计算像移补偿速度V，发送信号给所述CCD；

所述CCD接收像移补偿电路的信号，根据所述像移补偿电路的信号改变电荷转移速度；

前端处理电路对所述CCD产生的信号进行处理，得到低噪声的数字图像信号；

所述图像采集电路接收所述前端处理电路的数字图像信号。

一些实施例中，所述CCD为面阵CCD。

一些实施例中，所述航空异速像移恢复装置还包括镜头及闪光灯，所述闪光灯及镜头用于获取图像。

一些实施例中，所述镜头为光学镜头，所述快门为电子快门。

一些实施例中，所述图像采集电路包括SDI采集卡、图像采集软件及计算机，所述SDI采集卡获取所述前端处理电路的数字图像信号，并经过所述图像采集软件采集，由所述计算机显示电子式像移补偿后的图像。

一些实施例中，所述CCD与所述垂直驱动电路之间还设置有直流偏置电路。

再一方面，本发明还提供一种航空异速像移恢复方法，包括以下步骤：

模糊图像通过镜头在CCD靶面成像，所述CCD感光面上的前向像移速度不一致，产生异速像移；

像移补偿电路根据载机飞行速度、CCD靶面大小、载机倾斜角度及像移补偿精度要求，计算像移补偿速度，并根据所述像移补偿速度将所述CCD的列像素划分为块；

所述像移补偿电路产生水平转移时序、在未发生像移时产生垂直转移时序，以及产生异速像移所需垂直转移时序，并驱动所述CCD；

图像采集电路接收所述前端处理电路的数字图像信号。

本发明的有益效果是：本发明提出的航空异速像移恢复装置，首先快门曝光，模糊影像在CCD靶面成像，利用异速像移补偿电路产生垂直转移驱动时序，将焦平面分成一系列快，每一块具有各自的移动速率，通过同步电荷的移动速度和控制在阵列上电荷像移速度的大小，进行电子式像移补偿，同时像移补偿电路产生水平驱动时序，经过直流偏置电路，前段处理电路黑电平箝位补偿、放大、相关双采样和模数转换，图像输入至SDI采集卡，通过计算机软件采集，最终在电脑上显示补偿后的图像。本发明可对航空异速像移进行实时恢复，可克服传统式电子式像移补偿无法恢复异速像移补偿的缺点。

附图说明

图1为本发明航空异速像移恢复装置的结构示意图；

图2为本发明航空异速像移恢复装置的焦面上像移的形成图；

图3为本发明航空异速像移恢复装置的斜视状态像面分割补偿示意图；

图4为本发明航空异速像移恢复装置的像移补偿时序控制器的功能划分图；

图5为本发明航空异速像移恢复装置的补偿时钟图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1-图5示出了本发明航空异速像移恢复装置的结构图及原理图。下面对其分别进行详细介绍。

请参考图1，本发明航空异速像移恢复装置的结构示意图。本发明航空异速像移恢复装置包括像移补偿电路、CCD、前端处理电路、图像采集电路。模糊图像在CCD靶面成像，CCD感光面上的前向像移速度不一致，产生异速像移。像移补偿电路根据在发生像移时相机移动速度、CCD靶面大小、相机倾斜角度以及像移补偿精度要求，计算像移补偿速度V，发送信号给所述CCD。CCD接收像移补偿电路的信号，根据所述像移补偿电路的信号改变电荷转移速度。前端处理电路对所述CCD产生的信号进行处理，得到低噪声的数字图像信号。图像采集电路接收所述前端处理电路的数字图像信号。

在本实施例中，CCD为面阵CCD，即为面阵电荷耦合原件，是一种半导体元器件，能够把光学影像转化为电信号。

所述CCD与所述垂直驱动电路之间还设置有直流偏置电路。

航空异速像移恢复装置还包括镜头及闪光灯，所述闪光灯及镜头用于获取图像。镜头为光学镜头，所述快门为电子快门。快门为电子快门，当按下快门按钮时候，使用电子时间电路，使得CCD只工作一个指定的时间长短，也能获得像有快门瞬间打开一样的效果。

本实施例中，前端处理电路是用专门的芯片实现，CCD产生信号经过前端处理电路负责黑电平箝位补偿、放大、相关双采样和模数转换，输入到计算机采集卡。

本实施例中，图像采集电路包括SDI采集卡、图像采集软件及计算机，所述SDI采集卡获取所述前端处理电路的数字图像信号，并经过所述图像采集软件采集，由所述计算机显示电子式像移补偿后的图像。其中，SDI采集卡为数字分量串行接口。串行接口相对于其他视频接口有很大的不同，其是将数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送的接口。图像采集软件，是利用OPENCV，一个基于BSD许可(开源)发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统上。计算机为高性能计算机。

本发明航空异速像移恢复装置一个实施例的具体工作过程为：

(1)像移补偿期间，电子快门曝光，模糊图像通过18-500光学镜头在CCD靶面成像，由于面阵CCD感光面上的前向像移速度不一致，产生异速像移V。

(2)像移补偿电路的异速像移时序控制器根据载机飞行速度，CCD靶面大小，载机倾斜角度，像移补偿精度要求，通过异速相移补偿公式，将面阵CCD的若干列像素划分出合适的分块数，并计算像移补偿速度。

(3)像移补偿电路的异速像移时序控制器按照像移速度变化规律变化的离散脉冲来同步电荷转移速度和像移速度，面阵CCD每个组合列内部的每列用统一的电荷转移速率，产生垂直转移驱动时序，经过垂直转移驱动器(TDA9991)、放大，经直流偏执电路，控制电荷转移。

(4)像移补偿电路的异速像移时序控制器产生水平转移驱动时序，水平驱动电路对异速像移补偿像移补偿电路输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲RG和水平像元合并栅极驱动时钟SG进行放大和平移，使其达到CCD的要求。产生CCD直流偏置电压与水平驱动电平。

(5)面阵CCD产生的信号通过前端信号器CCD输出的视频信号需要经过一系列的前端处理过程才能得到低噪声的数字图像信号，对于面阵CCD这类高性能的专业级CCD来说，前端信号处理电路的性能是影响图像质量的关键因素之一。如果采用分离元器件进行设计，具有设计难度大、电路复杂、调试困难等缺点，且电路的性能得不到保证，因此最好的方法是使用专用集成芯片进行设计。本发明的一个实施例中选用TDA9965作为前端信号处理器。处理经过黑电平箝位补偿、放大、相关双采样和模数转换输入到SDI采集卡进行图像采集，SDI采集卡为天创恒达TC542N2，利用图像采集软件采集图像，图像采集软件为OPENCV2.0.最终在计算机上显示电子式像移补偿后的图像。所述计算配置为CPU-I7 3.5G，硬盘为256SSD，内存为8G内存，显卡为GeForce 9600，主板为华硕主板。

为了更清楚地介绍航空异速像移恢复装置的实现原理，下面对像移补偿电路及其工作原理进行具体介绍。像移补偿电路包括：

请参阅图2-图5，对移速补偿电路的具体原理进行介绍：

异速像移分析计算过程：异速像移分析如图2所示。面阵CCD相机倾斜照相时，由于飞机倾斜时，在单幅地面区域内，近点目标在像面上的前向像移速度同远点的前向像移速度相比，方向相同，大小不等。这将这种方向相等，大小不等的前向像移速度定义为异速像移。相机俯角和相机视场角是异速像移产生的主要原因，此外，飞机姿态角，如飞机横滚角也会产生异速像移。下面将对异速像移产生的原因，异速像移的大小和方向做深入研究。

整个阵列中，飞机飞行方向上焦平面的像移速率并不是不变的。它是由倾斜的范围和斜距R(即镜头到地面景物对应点的距离)决定的。范围越大，焦平面处像移速率越小。具体地，在垂直飞行方向上，某点P2处的像移速率前像像移V_P2为：

其中，ε是视场角的一半，δ是相机的俯角，f是镜头焦距；V是飞机飞行速度；R是斜距，即镜头到与焦平面对应地面的点的距离。由图2，焦平面阵列FPA在几何学上可被进一步做如下描述：

这里，对于任意一个给定的θ，y是在垂直于飞行方向上所拍摄地面区域的某点距中心线的距离。如下所示：

其中，δ是俯角，即视场中心与水平线间的夹角；H是飞机的高度。因此：

直于焦平面方向的像移对于图像质量的影响可以由计算焦平面阵列像移调制传递函数MTF得出。由(4)式，对于给定的镜头焦距f、俯角δ、视场角ε和飞机的速高比V/H，在垂直于焦平面方向上，图像某点x处的速度v_x可表示为：

经计算与分析可知异步像速只与相机的横向视角和倾斜角有关,与飞机的纵向视角无关。

分块选取计算原理分析：依据像移补偿精度要求通过公式将面阵CCD的若干列像素划分通过公式计算出合适的分块数与像移补偿速度。其原理如图3所示。

镜头横向的俯仰角度为δ,镜头的焦距为f,镜头半视场角为θ,地面远景点速度为

地面近景点在CCD阵面上的N点处的像移速度为:

近、远景点间像移速度比值

当ε取固定值时V_N/V_F值随俯仰角δ的减小而增大,当δ变动范围在[90°,θ)时,V_N/V_F的取值范围[1,+∞)，这说明镜头的横向俯仰角度对地面远近物点在CCD面上对应像点的像移速度差值影响很大,随着δ的减小像移速度差异已经无法近似忽略。

将CCD的像面分成如图3所示的相等的块，每块的宽度为

其中d为分的块数。

前向像移的速度只与纵向视场角有关，与横向视场角无关，像面上视场角点N处的像移速度为:

按相邻两块像移速度中间值进行补偿,则：

V_N-V_N-1＝V_N-1-V_N-2＝......＝V₂-V₁

按照补偿像移残差不超过1/3像元计算，则

w为像元尺寸

解得

异速像移像面块划分原理分析。对像移变化的补偿，采用一种分级的前向运动补偿技术来实现。焦平面阵列的一些相邻的列构成一个“块”，因此，焦平面阵列就由许多“块”组成。在曝光时，电荷沿着像移方向从一个像素移动到相邻另一个像素。在横向方向上(如横穿“块”的方向上)，电荷移动速度各不相同。因此，通过同步电荷的移动速度和控制在阵列上电荷像移速度的大小，便能逐级的实现前向像移补偿，而不需要动用任何的部件。在理想情况下，像素的每一列都应有其各自的纵向电荷移动速率。但是，从实际角度出发，将焦平面阵列分成一系列的“块”，每一块的电荷移动速率为该块中各列速率的平均值。

对于较大像素的焦平面阵列，上述方法的应用情况如图3所示。阵列中的像素信息被细分为许多“块”，根据每一块中心处的像移速度，每一个块都有其各自的电荷移动速率。图中，用箭头代表这些电荷移动速率，箭头长度越长表示速率越大。距离阵列边缘NADIR越近的“块”的电荷移动速率越大，距离水平线越近的“块”的电荷移动速率越小，在阵列横向方向上电荷移动速率是单调变化的。曝光时，当快门打开时，包含景物信息的电荷被采集到阵列中的像素上，然后根据每个“块”的电荷移动速率将电荷从一个像素移动到相邻的另一个像素上。当快门关闭，即曝光结束后，将包含图像信息的这些积聚的电荷顺序地从阵列读出到寄存器，每次读一行。信息再由寄存器被送入信号处理器件，以供使用者评估。当信号读出结束后，阵列便可以进行下一次曝光。

一些实施中，所述的异速像移时序控制器为FPGA器件，利用VHDL语言进行编程，将时序发生器进行模块划分，将其划分为四大模块：

水平驱动产生模块：产生面阵CCD所需的水平驱动时序；

垂直驱动产生模块：产生无像移时CCD所需的垂直驱动时序；

异速像移驱动产生模块：产生异速像移时CCD所需的垂直驱动时序；

其他时序产生模块：产生定时脉冲，控制信号等信号。

本发明另一个实施例中，异速像移时序控制器采用Xilinx公司的Virtex-ⅡPro系列FPGA—XC2VP20,在Xilinx公司的ISE8.2开发软件下，使用硬件描述语言(VHDL)FPGA内部功能模块进行描述，采用自上而下的开发方法，实现了高层次复杂逻辑的设计，使逻辑关系非常清晰，降低了逻辑设计的复杂性，从而实现了硬件设计的软件化。

一些实施中，所述的异速像移补偿电路，如图5所示，其设计如下所述。对不同的组设置各自的控制及时钟驱动电路(同一组内各列的控制和时钟驱动电路是相同的)，使电荷包转移速度与像移速度同步，以消除像移影响。组划分得越多，补偿效果越好，但系统越复杂。每一组光敏元C_i(i＝1～N)都有一个计数器CN_i和一个时钟驱动器CD_i。控制计算机产生主时钟信号，帧启动/停止信号、预置数信号。曝光期间，计数器对主时钟信号计数。当计数值和预置数的值相等时，则产生一个触发信号，启动时钟驱动电路产生驱动脉冲使该组的电荷包沿像移方向转移一行。转移结束后，时钟驱动电路重置计数器的计数值，准备下一轮转移。改变计数器的计数值，就可以改变电荷包转移的速度，使之和像移、速度同步。

设CCD光敏元的中心距为b，则为了补偿像移，单位时间内CCD需要转移的行数(即时钟驱动器CD_i的触发次数)M_iM_i＝/b若主时钟的频率为f_m，则计数器CN_i的计数值N_i为N_i＝f_m/M_i，曝光结束后，根据曝光期间各组CCD转移行数的不同，采用不同的转移速度(即各计数器采用不同的计数值)，使同一行CCD同时到达移位寄存器后。

此外，本发明航空异速像移恢复方法，包括以下步骤：

模糊图像通过镜头在所述CCD靶面成像，所述CCD感光面上的前向像移速度不一致，产生异速像移；

所述异速像移补偿电路根据载机飞行速度、CCD靶面大小、载机倾斜角度及像移补偿精度要求，计算像移补偿速度，并根据所述像移补偿速度将所述CCD的列像素划分为块；

所述图像采集电路接收所述前端处理电路的数字图像信号。

航空异速像移恢复装置的另一个实施例：

本发明的有益效果是：本发明可对航空异速像移进行实时恢复，可克服传统式电子式像移补偿无法恢复异速像移补偿的缺点。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。