禹凱等

摘要： 車載掃描凝視系統(tǒng)在掃描成像時由于轉臺轉動而引起的像移必然造成圖像質量下降，進而導致虛警率升高，要消除像移必須進行像移補償?；谙褚飘a生原因以及雙光楔對光束的導向模型，推解出因轉臺旋轉而需補償?shù)墓庑ǖ某跏嘉恢眉靶D速度，來補償曝光階段引起的像移。提出了基于雙光楔的像移補償?shù)男路椒ā?/p>

關鍵詞： 車載掃描； 雙光楔； 初始位置及速度； 像移補償

中圖分類號： 文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.012

Abstract： The image motion caused by the turntables rotation when vehicle scanning gaze system works leads to the increase of false alarm rate. To eliminate the image motion， image motion compensation must be conducted. Based on the cause of image motion and the model of beam steering， this paper calculates the double wedges initial position and rotational speed through the double wedge image motion compensation analysis to compensate the image motion in the exposure phase caused by the turntables rotation. This paper proposes a new method on image motion compensation based on a double wedge.

Keywords： vehicle scanning system； double wedge； motor control； image motion compensation

引言車載預警系統(tǒng)的掃描部件在對周圍環(huán)境攝影時，由于轉臺的旋轉使被照物體在曝光時間內其焦平面上成的影像與感光介質間存在相對運動，即產生像移進而引起了成像模糊。像移的存在極大影響了相機的像質，使圖像分辨率明顯下降，可能引起漏警率、虛警率的提高。為避免此類事故的發(fā)生，必須進行像移補償來獲取高清、高精度的圖像[1]。實現(xiàn)像移補償?shù)募夹g途徑多種多樣，可歸納為縮短曝光時間補償法、機械式像移補償法、光學式像移補償法、電子學像移補償法、軟件補償?shù)葞追N方法。本文采用轉動安裝在鏡頭前面的雙光楔，使光線移動，使產生的補償速度與像速度相同，補償方向與鏡頭轉動方向相反，從而達到補償像移的目的。此方法屬于光學式補償法的范疇[2]。

像移產生原因本文所研究的是車載掃描凝視系統(tǒng)，在對周圍環(huán)境實施360°掃描成像時，必須對目標進行實時跟蹤，因此我們選擇面陣CCD進行感光成像。面陣CCD工作周期分為三個階段：曝光階段、幀轉移階段和電荷復位階段，而像移就產生在曝光階段。圖1為轉臺周掃時像移產生的示意圖。曝光開始時點A發(fā)出的光垂直入射鏡頭，在CCD上成的像在A10。曝光結束時，鏡頭隨轉臺轉到了圖中虛線所示位置，則點A在CCD上成的像在A20位置，則線段A10A20就是產生的像移。如果知道了轉臺旋轉的角速度ω和CCD的曝光時間Δt以及鏡頭焦距f，就可以算出像移量的大小s，即s=f·ω·Δt（1）光學儀器第37卷

第3期禹凱，等：基于雙光楔的像移補償方法研究

2基于雙光楔的像移補償分析首先假設所研究的掃描系統(tǒng)的視場角為φ1，在鏡頭隨轉臺轉動對周圍環(huán)境進行掃描時，面陣CCD前后曝光得到的幀圖像必須有一定的重合率，這樣通過拼接才能得到360°的環(huán)境圖像。假設有Δφ的重合度，則CCD前后曝光之間轉臺轉過的角度為φ2=φ1-Δφ，即轉臺每轉過φ2角度CCD曝光一次。若CCD曝光時間為Δt，則像移的產生就發(fā)生在這Δt時間內，我們只需在此Δt時間內對像移進行補償即可。如圖2所示為旋轉雙棱鏡光束指向系統(tǒng)示意圖，通過改變兩光楔的光楔角、旋轉速度和初始相位，可以得到不同的掃描軌跡。國外學者Marshall[3]在不同模式下對掃描軌跡進行了實驗。實驗設施如圖2所示，通過改變兩光楔的轉速比M=ω1/ω2、光楔角度之比k=A1/A2、兩光楔的初始相位差，可以得到各種不同的掃描軌跡。其中，當M=-1、k=1、=180°時的軌跡對本文的研究極為重要，如圖3所示（其中M=ω1/ω2，k=A1/A2，ω1、ω2分別為兩光楔的旋轉角速度，A1、A2分別為兩光楔的楔角）[3]。

曝光時間內轉臺旋轉引起的像移發(fā)生在水平方向，根據圖3中的參數(shù)，我們可以假定在曝光開始時，物點在CCD上成的像在中點位置，此時給定兩光楔一定的相位差及旋轉速度ω1、ω2，使在整個曝光過程中光線經過光楔折射以后始終在CCD中心成像，這樣可以對像移進行補償。當確定了兩光楔的初始相位差及旋轉速度ω1、ω2后，可以對與光楔相連的電機進行控制來完成像移補償。其實現(xiàn)過程為：在CCD曝光開始時光楔Π1和光楔Π2必須位于初始位θ1、θ2，隨后兩光楔按各自的角速度ω1、ω2旋轉，在曝光時間Δt內對像移進行補償，在曝光結束到下一次曝光開始時，光楔Π1、Π2要迅速轉到初始位置，并且速度也要達到既定的ω1、ω2。在這個過程中，我們可以使光楔加速旋轉，等接近初始位置時減速，而在達到初始位置時使角速度達到ω1、ω2，參與到下一次的補償運動中；同時，我們要設計電機的速度環(huán)和位置環(huán)，使光楔的速度和位置都達到既定要求。其實，系統(tǒng)掃描的過程就是上述過程的無限重復，我們只需研究一個周期即可。旋轉雙棱鏡系統(tǒng)在曝光開始時兩光楔的初始像位θ1、θ2及旋轉速度ω1、ω2是關鍵參數(shù)，只有得出這些參數(shù)才可以對光楔進行控制來實現(xiàn)像移補償。3雙光楔參數(shù)確定當雙棱鏡系統(tǒng)對光束的偏轉角較小時，傳統(tǒng)的一級近軸近似法的計算結果與非近軸光線追跡法的結果相差較小，一級近軸近似法可用來描述出射光束的指向。假設掃描的速度為1 s一圈，則角速度為2 πrad/s，CCD曝光時間為1/100 s，則在曝光時間內轉臺轉過的角度為3.6°，屬于小角度范圍光束轉向，因此采用傳統(tǒng)的一階近軸近似方法進行研究。

圖2所示模型是已知入射光線和兩光楔旋轉角度來確定光束指向，而我們所研究的是已知入射光線和出射光線，來確定兩光楔的旋轉角度，屬于一個逆過程。如圖4所示，點A發(fā)出的光線AA11經過光學系統(tǒng)以后在CCD上成的像為A10，當光學系統(tǒng)旋轉一個角度θ=ωt（0

4結論在旋轉雙棱鏡光束指向理論的基礎上，提出了利用旋轉雙光楔來進行像移補償?shù)男路椒?。對車載紅外掃描系統(tǒng)像移進行了分析，并通過計算，分析出旋轉雙光楔與像移的關系，以此實現(xiàn)了像移補償。參考文獻：

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[2]張玉欣，劉宇，葛文奇.像移補償技術的發(fā)展與展望[J].中國光學與應用光學，2010，3（2）：112118.

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[4]周遠，魯亞飛，黑沫，等.旋轉雙棱鏡光束指向解析解[J].光學 精密工程，2013，21（6）：13731379.

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（編輯：程愛婕）