用于目标跟踪的大视场CCD相机自动调光方法及实现

    1 引  言

    动态目标跟踪技术已经广泛应用于机载火力控制系统、机载预警系统、弹载系统、战场监视系统和地面警戒系统等大量军事系统中。所谓动态目标跟踪,就是利用获得的视频图像信息,自动进行动态目标的检测、识别、定位,自动控制相机的运动,跟踪和锁定目标。而实现这一过程的第一步就是要设计出一种可以获得高质量、高帧频的视频图像信息的成像系统。

    电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点,而在分辨率、动态范围、灵敏度等方面也具有其他器件无法比拟的优越性,所以CCD已经广泛应用到各种高性能的成像系统中。对用于动态目标跟踪的成像系统而言,大视场、高分辨率的成像器件能够极大地提高目标捕获和识别的概率。而目前国内外各大厂商生产的大面阵CCD,尽管最大的像元数已经达到了9k@9k,但是随着CCD像元数的增加,帧频也无法避免地随之降低,不能满足对动态目标精确跟踪的要求,因此,将多片小面阵CCD拼接方法得到了普遍的采用。将多片小面阵CCD拼接的方法既保证了精确跟踪所需的高帧频,另外,也满足了大视场、高分辨率的需要。目前面阵CCD的拼接方法有很多,如机械拼接、多镜头拼接、棱镜拼接、反射镜拼接等,其中棱镜拼接方法具有拼接精度高、拼接效果好、不需要复杂的图像配准处理以及接缝处没有渐晕现象等优势。针对这种拼接结构的相机,自动调光系统需要具备快速捕获特征参数并及时调整曝光时间的能力。同时对于目标跟踪系统而言,成像系统需要具备较大的动态范围以满足全天候的需要。目前常用的调光方法多为通过捕获特征值并与参考值比较后,通过变密度盘、电子快门或增益调节的方法来进行调光;但是在对特征值的捕获上,对于宽视场、大面阵的CCD成像系统而言,往往无法满足系统的实时性。为此,文中提出了一种新的自动调光方法,在采用电子快门调节方法的基础上,利用多区域灰度加权的方法提出特征参数,具有调光速度快、实时性好、适应性强以及调光范围宽的优点。

    2 光学拼接原理

    光学系统采用分光棱镜对两片面阵CCD进行光学焦平面拼接[1],即采用分光棱镜把光学成像物镜所成的光学图像均匀地分成两路,形成两个成像效果相同的焦平面(焦平面1和焦平面2),在每个焦平面所对应的不同半视场的位置上各放置一个面阵CCD,并使两个器件的头尾有效像敏单元/零距离0搭接,其光学拼接原理图如图1所示。分光棱镜是实现拼接的关键部件,对分光棱镜的光学材料、透射和反射光波段、分光比例均有一定的要求,尤其是分光棱镜的透射光和反射光光程应尽可能相同,以确保两个CCD器件的共面性。CCD器件在像方光学焦平面处拼接,不仅可以根据需要使任意CCD的始、末像敏单元位置处搭接,而且可以保证拼接后所有像敏单元上的光照度均匀,不会产生渐晕现象。这种拼接方法可以保证在不降低帧频的情况下使成像系统的视场角增加一倍。视场角越大,对动态目标跟踪成功的概率就越高。