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北国少帅 Blog of Shunquan

 
 
 

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云间谍眼——精益求精的航空相机  

2015-12-12 12:09:11|  分类: 军事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 击败过拿破仑的英国名将惠灵顿公爵曾说,自己戎马一生都在猜测“山那边发生了什么”。就在他去世7年后的1858年,第一张从空中拍摄的照片诞生了。自此,照相机被带到各种航空器上,从云雾之间指向敌方的领地。这种不冒烟、不喷火的武器只会发出轻微的“咔嚓”声,但事实证明它的作用决不亚于隆隆爆响的重磅炸弹。随着航空和摄影技术的飞速发展,这只“谍眼”变得愈发雪亮,日以继夜地窥探着“山那边”的动静。

“魔匣”初升空

19世纪中叶,将“针孔成像”原理和化学显影方法合二为一的摄影术开始流行,不明就里的人还以为照相机会摄去人的灵魂而避之不及,但那些更有创新精神的探索者已迫不及待要把这种“魔法匣子”升到半空,居高临下拍摄地面景观。起初,摄影师只是把普通的手动相机随身搬到载人气球上,使用的还是玻璃质地的硬式感光底片,每拍一次就要更换一块。而挂在无人气球或风筝下的相机更不能太笨重,还得用上特殊的操控装置。如1906年美国人乔治·劳伦斯发明了供军舰用的小型侦察气球,可悬挂一部半米见方的相机上升到900米高拍摄各个方位的海面。操作人员在甲板上通过长长的导线控制电磁快门曝光,再回收相机查看是否拍到远处有可疑目标,这比放出载人气球更为便捷和安全。1910年,德国蔡司公司的Model 18/1318气球用相机就配备了专门的固定吊架,既能保持相机平衡,又能灵活地调整拍摄角度。

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 乔治·劳伦斯使用的气球相机

飞机的出现促进了航空摄影器材的变革,相机的手拨快门改为机械快门、单镜头变成多镜头组合、光圈可多档调节以及增加稳定底座等。为了提高空中拍摄的效率,能自动更换硬式底片的相机很快应运而生,而美国伊斯曼·柯达公司推出的软式胶片更适应在较快的飞行速度下连续拍摄大量照片的需要。1911年,俄国军官V.F.波特设计出第一种半自动胶片型航空专用相机,每个暗盒装有10米长的胶卷,可拍摄50张13×18厘米像幅的照片,除卷片是自动的外,其它操作仍需手动进行。次年蔡司公司也生产出带有握把和瞄准具的手持式照相机,便于飞行员使用。

第一次世界大战中,各国新组建的航空部队担当起侦察对方动向和绘制战场地图的重任。1915年英国飞机开始装备实用型航空相机,柯达公司也为美国海军研制了多种航空相机,3年后推出了第一种全自动航空相机K-1型,快门可在时间间隔控制器作用下按规定时间自动曝光。其它国家也相继采用以电和机械配合工作的同类产品。当时还出现了特殊的“鸽子相机”,即把轻巧的小型相机绑在受过训练的信鸽胸前,让信鸽从低空飞过敌方阵地,由相机内的气动定时器控制快门开启。不过鸽子的飞行路线、拍摄时机和照片质量都难以掌握,因此这种航拍手段并未得到普及。

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 一战中的航空相机需要由后座观察员手持操作,或固定在机身侧面进行垂直拍摄,在大型飞机上才能装入机舱内

一战结束后,航空摄影转而在地理勘察和测绘制图等民用领域得到广泛应用。美国人谢尔曼·费尔柴尔德改进了相机结构,把快门设在镜片之间,大幅提高了快门速度和照片清晰度,并成为行业标准。他在1920年成立自己的公司,推出一系列高性能的航空相机,后来还扩展到自行研制专用飞机作为空中摄影平台。到1930年代,费尔柴尔德公司生产出当时世界上最大的长焦距航空相机,带有电加热装置,可在近万米高空的低温环境下进行全自动拍摄。同一时期,蔡司公司开发出多种RMK型自动航空相机,不仅镜头质量高,电机驱动的内部机件运作起来也更为精确。

蔡司RMK自动航空相机

二战的爆发让配备航空相机的飞机再度成为战场上空的急先锋,交战各方在航拍技术上展开新的竞争。德国空军主要使用固定在飞机内部的Rb系列侦察相机,以及乘员携带的HK系列手持相机,也有把小型相机架设在座舱内拍摄前向视野。英国空军在初期采用的是皇家航空研究院设计的F.24型航空相机,后来换成幅面更大的F.52型,内置底片也从250张增加到500张。美国陆海军航空兵大量装备费尔柴尔德的K-17、K-22、F-56等型号的航空相机,配有多种规格的镜头从不同高度进行拍摄,夜间用自动相机可依靠照明弹的光芒触发感光元件来开启快门。美军同时研制了机载快速冲洗设备,在大中型侦察机上不到5分钟就可将一张拍好的底片处理成照片,缩短了情报获取和传递的时间。

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 美军在二战中使用的各种航空相机,通常配用15到60厘米焦距的镜头,最长可达152厘米

壮大的家族

伴随着喷气飞行时代的到来,冷战也拉开了序幕,探察对方底细的需要继续推动着航空摄影的进步。在性能不断提升的同时,航空相机也因为用途和构造等方面的差别衍生出许多类型。其中按用途可分为侦察型与测绘型两大类,前者拍摄的影像主要用于目标判读,后者主要用于精密测量,对相机内部参数的要求更为严格。航空相机也可按照片像幅的大小、镜头焦距的长短或视角的宽窄来分类。而依据结构和工作方式的不同,还可分为画幅式、航线式和全景式三种:

画幅式相机-也称框幅式相机,是最常见的类型。与普通相机每开启一次快门就拍到一张照片的方式相同,画幅式相机无论在在垂直拍摄或倾斜拍摄时镜头指向都不变,直接将景物影像聚焦在底片上。这样得到的一幅幅照片分辨率高,各处几何关系航线式相机-也称缝隙式相机,是在相机焦平面处设置一个宽度可调的狭缝来代替快门,并使胶片与进入镜头的目标影像同步卷动,通过狭缝进行连续曝光,从而不间断地记录下目标区域的影像,适用于进行有重叠度要求的航空摄影。

全景式相机-是利用镜头中心具有较高分辨率的部分进行活动扫描,将较宽的目标区域拍摄下来的一种航空相机。其扫描方式分为通过转动镜头进行的直接扫描、让光线经过转动的反射棱镜进入固定镜头的旋转扫描、转动整个相机的整体旋转扫描三种。全景相机可以一次拍摄到左右地平线之间180°范围内的景物,但拍下的照片存在图像畸变、比例不一的缺陷,因此多用于大面积普查和目标搜索。

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 全景式相机结构原理图

根据这些不同的特点,通常在低空高速侦察时采用航线式和全景式相机,在高空时采用画幅式或全景式长焦距相机,进行航空测绘的话就要选择畸变小、焦距短的广角相机。为了获取更丰富的目标信息和揭示复杂的伪装,二战期间就已出现的彩色和红外摄影技术在航空相机上得到进一步的发展,可同时在可见光、红外光和紫外光波段上拍摄物体影像的多光谱相机也日趋成熟,所拍出的图像经过处理和对比,能够更准确地识别目标的性质和细节。

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 用悬挂吊架固定在L-4轻型观测机内的K-20低空侦察相机

航空相机安装到飞机上时,根据飞机的承载能力和任务的需要会有不同的安装布局。在空间有限的机型上,通常将小型相机独立装入机身的不同部位或外挂吊舱内。如前苏联用米格-25截击机改装的照相型战术侦察机在机头下方装有5部画幅相机,一部镜头垂直向下,两部左右倾斜15°,两部左右倾斜45°。对于专用侦察机或大型飞机,航空相机则与其它侦察设备构成情报搜集系统。美国的U-2高空侦察机在前机身下装有3部并列的HR-732相机,分别用于垂直拍摄和左右倾斜拍摄,进行测绘航拍时则换装一台焦距更长且镜头可左右摆动的HR-73B相机。改进后的U-2R既加装了合成孔径雷达,也有包含全景相机在内的多波段情报侦察成像系统(IRIS),增强了综合侦察能力。在SR-71战略侦察机上除雷达外同样少不了多种航空相机,包括拍摄指定区域的HR-308高分辨率技术目标相机、全程记录所飞航线的F-489中等分辨率地形目标相机和进行大角度拍摄的全景相机等。

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 U-2侦察机的前机身下可装入3部HR-732相机,镜头指向不同角度

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   U-2侦察机使用的A-2航空相机结构图

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 U-2从高空拍到的苏联机场照片

从相机到仪器

经过近百年的技术积累,航空相机已发展成一整套复杂精密的光学仪器,结合电子和机械控制装置,可进行高精度、大范围、自动化的拍摄和测量,因此现代航空相机也常被称为航空摄影仪,简称航摄仪。与普通相机一样,航摄仪的工作原理也是通过光学透镜摄取地面目标的影像,并记录在感光材料上,经过冲印和放大等加工后获得可供判别的照片。不过航摄仪要在特殊的飞行条件下稳定而可靠地运作,技术要求就要比普通相机高得多。比如镜头必须具有很高的光学性能,尽可能消除各种像差,保证影像的清晰;内部要有压平装置,使底片在曝光时紧紧贴合在成像焦平面上,防止影像变形;采用结实的结构和固定座架,避免各种震动、过载或气温气压变化等外部因素影响到拍摄质量等。

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米格-25装备的航空相机

航摄仪最基本的部件就是摄影镜箱和胶片暗盒(如图所示)。摄影镜箱的前端是装有物镜的镜筒,物镜是由多个不同曲率和厚度的透镜组合成的光学系统,镜筒将所有透镜的光轴严格保持在同一直线上,而控制曝光时间的快门和调节光线强度的光圈都设在透镜组之间。镜筒前还可加装各种滤光片,进行不同光谱或亮度下的拍摄。镜箱的外壳起到整体保护的作用,并可遮挡旁射光的影响。镜箱的后部是用来与暗盒紧密衔接的贴附框,其平面与镜头的主光轴保持垂直,旁边还有显示时间、高度、序号等信息的指示器,在每次拍摄时同时被记录在底片上作为参考。

暗盒顾名思义是一个不透光的盒子,安装在镜箱贴附框上,其内部除了放入感光胶片外,还设有传动机构,在每次曝光完成后都会按规定的长度自动输送胶片。而暗盒底部的压平装置采用真空吸气或机械压板的方法,使胶片在曝光瞬间能完全平贴在焦平面上,以确保成像质量。

要完成整个拍摄工作,还需要一部电子控制器,它的一端接通电源,另一端与航摄仪内的各个子系统相连。航拍人员通过操作控制器面板上的各种开关,使航摄仪按程序自动进行修正、压平、曝光、卷片等一系列循环动作。航摄仪要通过特制的座架安装在飞机机舱内,座架由内外活动环和前后支架等部件构成,在飞行过程中不仅具有减震缓冲的作用,还可让航摄仪作三轴旋转调整,以便在动态环境下保持水平姿态和拍摄角度。

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航摄仪的主体部分示意图:01暗盒、02外壳、03镜筒、04滤光片、05透镜组、06镜头焦距、07焦平面、08压平板、09快门和光圈、10胶片传动轴

除了以上四大部分外,航摄仪还有许多配套的重要附件。在航拍中如果想毫无遗漏地覆盖整个目标区域或进行立体观测,相邻的照片之间须有一定的重叠度。这时就要用到重叠度调整器,按照设定的重叠比例计算出相应的拍摄间隔时间,以此控制快门的开启。重叠度调整器通常结合在用于观察目标的检影器中使用。而在运动速度快的飞机上拍照,即使曝光时间很短,胶片上的影像也会因为产生位移变得模糊。因此需要像移补偿装置根据相关参数计算出位移量,在曝光时间内通过伺服机构使光学部件或胶片作相应的移动,抵消像移的影响。此外还有可测定正确曝光时间的自动测光系统和自动对焦系统等,均可有效保障航摄仪的拍摄质量。

“照”进数字化

在各种遥感技术当中,航空摄影尽管受天气影响大、容易被干扰,但仍具有使用灵活、图像分辨率高、直观易辨、成本较低的优点,因此一直都是重要而有效的空中侦察和勘测手段。对传统航空相机的改进主要有:提高光学系统的物理成像质量和胶片的感光性能、结合微电子技术实现自动控制、以陀螺稳定悬挂装置加强减震效果、采用模块化设计并减小各部件的重量和尺寸来适合直升机和无人机使用等。然而,这类相机的一个固有缺点是所拍摄的胶片必须送回地面进行后续处理,扫描成数字影像还需要更多时间,越来越不能满足现代高技术战争对战场侦察和作战评估的时效性要求,也不便于利用测绘数据建立地理信息系统,而光电一体化的数码摄影技术就为解决这样的问题开辟了新路。

与胶片相机的感光成像不同,数码相机采用具有自扫描功能的电荷耦合器件即CCD作为图像传感器,让目标影像通过光学镜头聚焦于CCD阵列上进行光电转换,将模拟信号解析成数字信息,经处理后完成图像的存储或传输。这一过程不仅避免了传统方式中化学和机械因素对拍摄效果的不良影响,还可实现图像的快速显现和实时传输。CCD相机可接收的光谱带更宽、灵敏度更高,能够穿透薄雾和揭示伪装,而且存储容量大,便于信息共享,因此已经成为航空摄影技术中的发展重点。

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第三代CCD航空相机CA-260已经装备在F-16战斗机的模块化侦察吊舱内使用

CCD航空相机按成像方式分为线阵和面阵两类。美国Itek公司在1970年代研制出第一代CCD相机,以多片CCD拼成线性阵列,随载机飞行方向向前推进,一行一行地扫描出地面目标的图像,扫描效果受飞行状态影响较大。第二代CCD相机引入了时间延时积分技术改善图像质量,但仍沿用推扫方式,不能象胶片相机那样获得分幅图片,而且线阵加大后会出现画面畸变。到1990年代,随着制造技术的成熟,高像素的CCD面阵传感器开始投入应用。美国侦察光学公司将含有前移补偿技术的芯片结合到CCD面阵中,推出了第三代分幅式相机CA-260,可从空间一点对整个目标进行快速拍摄,几何精度高,并具有立体成像能力,还能有效消除飞行机动造成的位移模糊。适于远距离倾斜拍摄的CA-261、具备可见光和红外双波段拍摄能力的CA-295等更先进的CCD相机也陆续面世。在发展趋势上,CCD相机一方面向多光谱甚至全光谱化扩展,提高反伪装和反隐身能力,另一方面追求高灵敏度、多功能和微型化,以适应信息化作战的需要。

在民用测绘领域,线阵推扫式CCD相机仍有用武之地。如莱卡公司的ADS40三线阵航空相机,在成像面装有前视、下视、后视三个CCD线阵,构成三条航带进行拍摄,能同时获取立体影像和彩色多光谱影像,并集成了GPS和惯性测量装置。而大面阵相机多由几个小面阵CCD构成,Z/I公司的DMC数字成图相机就组合了4台全色相机和4台多光谱相机,拍摄时同时曝光,带有电子像移补偿装置。4台全色相机倾斜安装,互成一定的角度,所拍到的影像有1%的重叠度,经过数据处理系统的校正和拼接后得到最终的数字化图像。

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 安装在航测飞机内的ADS40线阵推扫式CCD相机

与发达国家相比,我国在研制航空相机方面起步较晚,人民空军早期装备的主要是АФА系列苏制相机。我国自1950年代末从仿制开始发展胶片型航空相机,1964年原国营二二八厂生产出新中国第一部全自动黑白航空相机。此后,该厂与上海照相机三厂、江南光学仪器厂等厂家先后研制出“航甲”、“航丁”等系列航空相机,分别适用于高、低空侦察或可见光和红外摄影,装备于空军和海军航空兵部队。我国还引进过产自前苏联、瑞士和德国的多种成套航摄仪,并自行研制出HS2323航摄仪和多光谱相机,用于国土测绘普查。近年来我国在航空数字相机领域也取得了突破,1995年中国科学院研发了三波段线阵CCD数字相机,2007年中国测绘科学研究院等单位又研制出具有自主知识产权的SWDC-4宽像幅面阵数字航摄仪,其主体由4个单机像素为3900万的数码相机拼接而成,集成了GPS和自动控制等关键技术,精度高、体积小,可由轻型飞机搭载使用。自定型以来,SWDC系列数字航摄仪已先后发展出了四种型号的SWDC-4大幅面航摄仪和SWDC-5倾斜摄影仪,使我国的航空测绘能力达到了国际先进水平。

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 具有4个镜头的国产SWDC-4型CCD面阵数字航摄仪系统。

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