一种航摄相机纵走式焦平面快门研究

摘要

航空相机快门作为控制成像曝光时间的主要部件，是决定成像质量的关键要素，在航空成像需求的牵引下发展日益成熟，随着相机成像器件的不同要求，形成了多种快门技术。我国由于发展起步较晚，与国外相比还有较大差距，尤其表现在面阵CCD相机对焦平面快门的需求，实际上，焦平面快门已经成为制约面阵CCD相机发展的瓶颈。
　　根据快门在相机光学系统中安装位置和运动特点不同可分为物镜快门和焦平面快门两类。本文针对某面阵CCD航空相机技术指标要求，研制一种电磁纵走式焦平面快门，解决了大面阵CCD航空相机高频大幅面快门难题，快门频率达到每秒3帧,快门最短曝光时间1/500秒，曝光均匀性优于10％。该快门具有体积小、幅面宽（48mm×36mm）、频率高、寿命长等特点，且具备自动上紧、自动释放、自动调节曝光时间等功能，该快门主要由前帘、后帘两组叶片组成，每组包括四片叶片，曝光时通过前帘、后帘叶片组边缘形成的曝光狭缝使感光介质曝光。
　　对本文研究的快门，其结构参数、驱动弹簧参数对快门的运动特性影响较大，直接决定了快门的曝光时间、曝光均匀性等性能，本文推导了快门叶片运动数学模型，快门曝光时间数学模型，并通过仿真分析给出了相机整个成像幅面内各位置快门曝光时间分布情况及通光效率，同时，通过Abaqus软件对快门叶片进行了动力学分析，模拟了快门叶片的运动过程，对快门叶片运动数学模型进一步验证，分析了快门叶片在运动过程中的应力变化情况，对叶片的易损部位进行了预测，为快门结构设计、参数优化、修改完善提供了理论依据。
　　为分析电磁纵走式焦平面快门曝光过程对光学系统传递函数的影响，通过 codeV软件分析了快门曝光过程中成像幅面内不同位置光学系统的静态传函，照度变化，以及快门运动对传递函数的影响，分析表明，快门帘尽可能的靠近像面，增大帘缝式快门的缝宽，提高快门移动速度可减小快门运动对传递函数的影响。
　　论文分析了快门帘缝在曝光运动过程中对成像畸变的影响，结合帘缝式快门的工作特点，阐述相机成像畸变是由于像移补偿残差的存在及帘缝式快门分时曝光成像导致的，推导出相机在无姿态角变化时，相机在垂直、侧倾、前倾三种成像方式下及相机存在姿态角时像面上各点像移补偿速度残差及畸变量数学模型，并通过MATLAB仿真给出了在相机整个成像幅面内各位置像移补偿速度残差分布情况及畸变分布情况。
　　最后，通过快门曝光时间测试试验和成像畸变测试试验，对快门的曝光时间进行测试，并对论文分析方法及结果进行验证，试验结果表明快门性能指标满足相机的使用要求。

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第一章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究背景及意义

1.3快门的基本类型及其发展

1.4航空相机快门的研究内容

第二章 航摄纵走式焦平面快门设计

2.1 引言

2.2 相机成像方式

2.3 设计要求及方案选择

2.4焦平面快门曝光原理

2.5快门工作特性分析

2.6快门的设计思路

2.7快门的结构设计

2.8快门前帘和后帘运动曲线

2.9快门曝光时间

2.10快门通光效率

2.11本章小结

第三章 航空纵走式焦平面快门叶片动力学分析

3.1引言

3.2有限元基本原理

3.3 有限元建模

3.4 分析结果

3.5本章小结

第四章 航摄纵走式焦平面快门对光学系统传递函数的影响

4.1 引言

4.2帘缝快门曝光过程

4.3静态传递函数

4.4快门对光学系统传递函数影响分析

4.5减小快门运动对传递函数影响的措施

4.6本章小结

第五章 航摄纵走式焦平面快门对成像畸变的影响

5.1 引言

5.2像移补偿计算

5.3相机在不同照像倾斜角下快门对成像畸变的影响分析

5.4 本章小结

第六章 快门曝光时间测试

6.1 引言

6.2镜头像面照度

6.3 快门曝光时间检测

6.4 本章小结

第七章 成像畸变测试

7.1引言

7.2成像畸变测试试验原理

7.3成像畸变测试试验装置

7.4成像畸变测试试验数据处理

7.5 本章小结

结论与展望

1全文总结

2创新点

3展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

作者简介