一种主动式温度压力补偿的实时传输型航空摄影相机镜头 【技术领域】
本发明涉及一个实时传输型航空摄影相机附件，特别涉及一种主动式温度压力补偿的实时传输型航空摄影相机镜头。
背景技术
在目前的航空摄影相机中，占主导地位的还是传统的胶片型航空摄影，但胶片型航空摄影有很多不足：(1)冲印处理耗费大量的时间与人力，胶片保管维护麻烦；(2)必须先进行扫描输入才能进行计算机处理，耗费时间，难以及时对数据进行分析，并可能损伤胶片；(3)胶片感光层和其光谱特性限定了其信息获取的能力；(4)对拍摄图像的质量和使用的曝光参数是否合适不能直接确认和实时检验；(5)处理时间周期长，处理工艺流程复杂。(6)特别是实时性差，难于满足目前图像从获取到应用的时间周期。
针对胶片型航空摄影的不足，世界各国争相研究发展实时传输型航空摄影系统来解决这些问题。实时传输型航空摄影系统的优点是显而易见的。比如：(1)获取数字图像后，直接通过通信传输链路实时或准时下传到地面站；(2)下传到地面站的数字图像直接在计算机上进行各种处理，时间周期短；(3)实时或准实时图像数据信息更接近目前航空摄影的应用需求；(4)数字传感器光谱响应范围宽，图像数据信息更加丰富；(5)具有当代高技术水平的数字传感器线性响应度好、有数字增强功能、对地光照灵敏度高；(6)没有胶片盒，重量大大减小、体积小；(7)运作部件少、工作寿命长；(7)记录介质反复使用、易于存储保存等。
在中高空飞行平台上，由于环境温度随海拔高度升高而降低，因此航空摄影相机的环境温度非常低。而光学镜头特别是长焦距镜头由于对温度造成材料折射率、间距变化、元件面形变化等非常敏感，目前国内外的航空摄影相机系统通常做法是对镜头进行保温，即让其工作在一个相对恒定的常温环境，比如20±2℃。需要一套温控装置即加温和降温装置，必将增加系统体积和重量，同时还需提供几十甚至上百瓦的功率为镜头提供热源用于加温。这些措施与平台对载荷的轻量化、小型化、低功耗等要求背道而驰，这样对飞行平台是一个非常大的负担。
采用主动式温度补偿实现镜头的宽温工作。当飞行平台平飞时，摄影相机系统与平台一起处于稳定的温度环境，通过地面标定或自动检焦方式获取镜头的最佳焦面，移动一组元件或CCD像面组件实现温度调焦，保障镜头在任意航高均能获取高质量的清晰图像数据。
由于飞行平台上压力随高度增加而降低，而且高度越高非线性越严重，因此传统相机系统多采用恒压或压力控制装置来保障系统正常工作，这些恒压或压力装置将大大增加系统重量和体积。这与飞行平台对体积和重量严格要求不相符。
采用主动式压力补偿实现镜头的低压工作，则相机系统不需附加装置，内外环境压力一致。通过地面标定或自动检焦方式获取镜头的最佳焦面，移动一组元件或CCD像面组件实现压力调焦，保障镜头在任意航高均能获取高质量的清晰图像数据。
目前，不同航高的飞行平台越来越多，其相应的工作温度和压力环境也将不一致。为减少研制成本，航空摄影相机系统应能适应不同的飞行平台，而镜头的宽温低压适应能力解决了这一问题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：采用主动式温度补偿实现镜头的宽温工作，无需附加恒温或温度控制装置，减小摄影相机的重量和体积，同时降低摄影相机系统对平台的能源需求；经主动式温度补偿后镜头能够优良成像的温度范围为-60℃～+60℃。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用主动式压力补偿实现镜头的低压工作，无需附加恒压或压力控制装置，减小摄影相机的重量和体积；经主动式压力补偿后镜头能够优良成像的压力范围为0～1个大气压。
(2)同时温度和压力调焦采用相机中间部分的同一组调焦元件进行调节，简化机构，降低系统的复杂性，增加了系统可靠性，特别减小相机系统体积和重量。镜头宽温低压适应能力同时满足多种不同飞行高度的飞行平台。
【附图说明】
图1为本发明航空摄影相机镜头的结构图；
图2为在常温常压环境下(温度20℃、1个大气压)本发明航空摄影相机镜头的传递函数MTF图；
图3为不经过调焦措施时，各温度下的调制传递函数MTF图；
图3(a)为不经过调焦措施时，-60℃时的调制传递函数MTF图；
图3(b)为不经过调焦措施时，-40℃时的调制传递函数MTF图；
图3(c)为不经过调焦措施时，-20℃时的调制传递函数MTF图；
图3(d)为不经过调焦措施时，0℃时的调制传递函数MTF图；
图3(e)为不经过调焦措施时，40℃时的调制传递函数MTF图；
图3(f)为不经过调焦措施时，60℃时的调制传递函数MTF图；
图4为经过调焦透镜(9)的调节，对温度变化进行补偿后的理论航空摄像机镜头传递函数MTF图；
图4(a)为调焦后，-60℃时的调制传递函数MTF图；
图4(b)为调焦后，-40℃时的调制传递函数MTF图；
图4(c)为调焦后，-20℃时的调制传递函数MTF图；
图4(d)为调焦后，0℃时的调制传递函数MTF图；
图4(e)为调焦后，40℃时的调制传递函数MTF图；
图4(f)为调焦后，60℃时地调制传递函数MTF图；
图5为未经过调焦，各压强下系统的传递函数MTF图；
图5(a)为未经过调焦，1个大气压下的调制传递函数MTF图；
图5(b)为未经过调焦，0.8个大气压下的调制传递函数MTF图；
图5(c)为未经过调焦，0.6个大气压下的调制传递函数MTF图；
图5(d)为未经过调焦，0.4个大气压下的调制传递函数MTF图；
图5(e)为未经过调焦，0.2个大气压下的调制传递函数MTF图；
图5(f)为未经过调焦，0个大气压下的调制传递函数MTF图；
图6为经过调焦透镜(9)的调节，对压强变化进行补偿后的理论航空摄像机镜头的传递函数MTF图。
图6(a)为调焦后，1个大气压下的调制传递函数MTF图；
图6(b)为调焦后，0.8个大气压下的调制传递函数MTF图；
图6(c)为调焦后，0.6个大气压下的调制传递函数MTF图；
图6(d)为调焦后，0.4个大气压下的调制传递函数MTF图；
图6(e)为调焦后，0.2个大气压下的调制传递函数MTF图；
图6(f)为调焦后，0个大气压下的调制传递函数MTF图；
【具体实施方式】
如图1所示，本发明的相机镜头具体参数：焦距650mm、F数8、视场5.5°、第一透镜1至第十一透镜11的长度为440mm、第一透镜1到像面距离600mm、第一透镜1的口径110mm。
如图1所示，本发明的航空摄影相机镜头由前组、中组、光阑(8)、调焦透镜9和后组组成。其中前组由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5组成、中组由第六透镜6、第七透镜7组成；后组由第十透镜10、第十一透镜11组成。所有透镜依次排列在同一光轴上。
以下是本发明的航空摄影相机的部分参数(常温常压下)：
前组焦距345.3mm，前组由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5组成，其中第一透镜1为火石玻璃，第二透镜2为冕牌玻璃，第三透镜3和第四透镜4为CAF2，第五透镜5为火石玻璃。因为本发明的焦距很长(650mm)，视场角不大(5.5°)，相对口径也不大(8)。所以对像差校正的突出矛盾是二级光谱。因此，在前组的第三透镜3和第四透镜4采用了CAF2，同时，第一透镜1、第二透镜2、第五透镜5的冕牌玻璃和火石玻璃的合理搭配，来对系统进行复消色差。
中组距前组最后一面的轴向距离为65mm，中组焦距为-181.6mm；中组由第六透镜6、第七透镜7组成，其中第六透镜6的材料为冕牌玻璃，第七透镜7为火石玻璃。
中组后是15mm处是光阑8，光阑口径30mm。
光阑8后约50mm处为调焦透镜9，其焦距158.9mm，材料为火石玻璃。
调焦透镜9后为后组，由第十透镜10和第十透镜11组成。其中，第十透镜10焦距为-127mm，材料为火石玻璃；透镜11焦距239.4mm，材料为冕牌玻璃。
图2为在常温常压环境下(温度20℃、1个大气压)航空摄影相机镜头的传递函数图。从图2可以看出来，各视场的调制传递函数在55lp/mm时均大于0.48，能获得高分辨率的地面图像信息。
当环境因素(如周围的温度和空气压力)变化时，光学系统的性能将要改变。这里要考虑以下三个主要因素：1、玻璃的折射率：玻璃的绝对折射率和温度与波长有关。相对折射率(即玻璃相对于空气的折射率)也随着压力的变化而变化；2、镜头的半径和厚度：随着温度的变化，镜头进行膨胀和收缩，其半径和厚度将随之改变；3、镜头元件间隔：镜头元件之间的间隔会由于使用材料(玻璃镜头和机械结构件)的热胀冷缩而改变。
首先考虑在压力保持不变(一个大气压)、温度变化情况下(-60℃～60℃)，航空相机的像质分析以及补偿措施：
图3为本系统在不经过调焦措施时候各温度下的调制传递函数MTF图。从图3可以看出，当温度发生变化时，各视场的调制传递函数早已下降为0。这意味着行航空相机在此情况下根本无法正常工作。
表1表示的是为补偿温度所带来的影响，调焦透镜9的调节量(以常温20℃的位置为零位，)。当调焦透镜9向右(即朝向像面方向)调节时，符号为“+”，反之，当调焦透镜9向左调节时，符号为“-”。
表1 温度变化时，调焦透镜9的调节量
温度(℃) -60 -40 -20 0 20 40 60 调节量(mm) +2.2 +1.65 +1.1 +0.55 0 -0.55 -1.1
从表1可以看出，当温度每变化20℃时，调焦透镜9需要相应的调节0.55mm，以补偿温度变化所带来的影响。即，温度每变化1℃，调焦透镜9需要调节0.0275mm，以对温度变化进行补偿。
图4为经过调焦透镜9的调节，对温度变化进行补偿后的理论航空摄像机镜头传递函数MTF图。从图4可知，在55lp/mm时，当温度为-60℃时，MTF≥0.48；当温度为-40℃时，MTF≥0.55；当温度-20℃时，MTF≥0.6；当温度0℃时，MTF≥0.6；当温度为20℃时，MTF≥0.48；当温度为40℃时，MTF≥0.35；当MTF为60℃时，MTF≥0.3。
表2表示的是为补偿压强带来的影响，调焦透镜9的调节量(以1个大气压的位置为零位值)，假定温度为20℃。因为随着飞机的上升，压强随之减小，所以压强考虑的是0～1个大气压。当调焦透镜9向右(即朝向像面方向)调节时，符号为“+”，反之，当调焦透镜9向左调节时，符号为“-”。
表2 压强变化时，调焦透镜9的调节量
压强(大气压) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 调节量(mm) 0 0.085 0.170 0.255 0.340 0.425
图5表示的是未经过调焦，各压强下系统的传递函数MTF图。从图5可以看出，在不做调焦的情况下，随着压强的降低，MTF衰减的很严重，系统只能在1个大气压下正常工作，在其它的压强下面，根本无法工作。
图6表示的是经过调焦透镜(9)的调节，对压强变化进行补偿后的理论航空摄像机镜头的传递函数MTF图。从图5可以看出，当温度为20℃，在55lp/mm时，当压强为1个大气压时，MTF≥0.48；当压强为0.8个大气压时，MTF≥0.48，当压强为0.6个大气压时，MTF≥0.47；当压强为0.4个大气压时，MTF≥0.42；当压强为0个大气压时，MTF≥0.38。