中波红外相机利用3~5 μm波长范围内的电磁波感光成像。在这一波段范围内，相机接收的电磁波既包含地物的反射辐射信息，也包含发射辐射信息，并且对雾霾等不良天气具有良好的穿透性，在遥感领域中具有巨大的应用潜力。然而，目前国内外高分辨率中波红外影像的遥感应用鲜有报道，主要是缺少宽幅高分辨率中波红外成像系统。

相较于常见的可见光近红外相机，中波红外相机具有独特的感光成像原理^[1-3]，制造工艺十分复杂，制作大幅宽的中波红外相机十分困难^[4]。目前国内见诸报道的最大幅宽的中红外相机是高分四号的百万像素级别中红外相机^[5](1 024像素×1 024像素)，最常见的依然是512像素×512像素(或640像素×512像素)甚至更小幅宽的相机^[6-8]，像幅远远小于普通的可见光相机。而航空摄影测量中航高较高且要求影像具有一定的重叠度，对相机的像幅大小要求较高。现有小像幅的中红外相机难以满足航空影像获取的需要。

针对这一难题，本文借鉴以色列A3航空数码相机原理，设计了摆扫式中波红外成像方式，通过成像瞬间中红外相机的横向摆动实现宽幅成像。成像装置中同时集成大幅面可见光数码相机，在解决了时间同步控制等关键技术的基础上，研制了国内首台机载宽幅中波红外成像系统。根据机载宽幅成像系统获得的中红外和可见光影像特点设计了两者联合几何处理技术流程，能够同时获得高分辨率宽幅中红外影像、可见光影像和数字表面模型(digital surface mode，DSM)。

1 摆扫式宽幅成像方案 1.1 宽幅成像方式设计

基于视场拼接原理，可以利用小像幅相机获得等效的大幅面影像。常见视场拼接方式有两种：①多台小相机拼接获得宽幅视场，其典型代表相机如国外的DMC^[9]、UCD^[10]，以及我国的SWDC航空数码相机^{[11, 12]}；②单台相机通过摆动在不同转动角度成像，影像拼接获得宽幅视场。典型的代表相机是以色列A3面阵摆扫式航空数码相机^[13]。中红外相机价格昂贵，体积相对较大，第一种方式需要多台相机，成本较高且安置难度较大。因此，本文借鉴了以色列A3相机原理，采用第二种摆扫式的宽幅成像方式。

A3相机在飞行航摄过程中，相机垂直于飞行方向做匀速摆动，多次成像。单次摆动扫视后的影像通过纠正后可合成幅面达到62 000像素×8 000像素的超宽幅影像。本文借鉴A3相机摆扫的基本原理，通过横向摆动、多次曝光获得宽幅视场。在这一过程中，中红外相机影像的倾角差异较大，其空三等几何处理过程可以借鉴倾斜摄影测量中的相关方法^{[14, 15]}。

考虑到中红外相机的像幅较小，本文设计的成像系统中同时集成一台宽幅可见光相机。利用可见光相机获取高分辨率的可见光影像，其摄影测量结果(空三加密结果和数字高程模型)可用于辅助生成中波红外正射影像，所以无需对摆扫影像进行投影拼接处理，而是对每一幅小的红外影像进行正射纠正，再拼接成生大的红外正射影像基准图。因此，在摆扫过程中，可以设计前后两次成像的重叠度较小以尽可能获得更大总的合成视场。以每次摆扫中红外相机曝光5次为例，设计5次摆扫的情况下，视场分布如图 1所示，此时总的成像视场角约为70°，足以获得宽幅影像。

航飞过程中摆扫成像的视场覆盖关系如图 2所示。

1.2 成像系统总体设计

本文研制的成像系统包含中红外相机和可见光相机共两台相机。除相机外，整个成像系统还包括POS(positioning and orientation system)系统、稳定平台、飞控计算机、操作平台等组成部分，其系统构成如图 3所示。两台相机集成于稳定平台内，其中可见光相机为垂直向下拍摄，POS系统的IMU(inertial measurement unit)单元置于可见光相机之上，用于实时记录拍摄位置和姿态信息；红外相机工作于连续摆扫状态，其摆扫的工作方式是通过步进电机带动齿轮连续传动，通过控制电机实现来回摆扫。为了保证影像几何处理过程的精度，要求两台相机应该具有一致的时间基准。本文研制成像系统采用GPS的UTC时间作为时间基准，系统采用高稳晶振+GPS授时的方式，可以保证在12 h之内时间误差小于1 ms。同步控制电路接收POS系统的秒脉冲信号，并在计算机控制下完成对时。由内部计时电路产生的相机曝光脉冲分别输送到红外相机和可见光彩色相机。输出的曝光脉冲满足相机的触发需要。

1.3 系统样机研制

本文波红外宽幅成像系统的样机研制过程中选择的中红外相机是Onca-MCT640相机，其幅宽为640像素×512像素，工作波长范围为3.7~4.8 μm，影像量化比特数为14 bit；选用的宽幅可见光相机为哈苏H6D-100C，其11 600像素×8 700像素，包含RGB 3个成像波段。

中红外相机每次摆扫的周期为5.4 s，Onca-MCT640相机的帧速为60 FPS，在这个时间段内，中波红外相机可以做5~31次曝光，通过摆扫多次成像大大提高了中红外相机的视场覆盖范围，从而达到与可见光相机相匹配的视场。摆扫式成像相机组合设计中，可见光相机处于固定位置。中红外相机在摆扫过程中，左右各一个限位开关，控制左右的极限位置，在两个极限位置范围及极限位置内的等分点，触发曝光信号。如图 4所示，采用步进电机，利用圆柱直齿轮传动(传动比1:7.5)实现红外相机完成0°、±17.6°、±35.2°摆扫(以5次曝光为例)。

2 实验与分析

本文研制的中波红外成像系统可以同时获得中红外影像和可见光影像。可见光影像像幅大，相邻重叠度高，首先利用可见光影像进行摄影测量处理(空三加密、生成DSM和正射影像)，然后对中红外影像进行定向，最终结合已生成的DSM对每张中红外影像进行正射纠正并拼接获得宽幅影像。

中波红外成像的正射影像生成的技术路线如图 5所示。利用本文研制的中波红外宽幅成像系统在荆门市漳河机场进行航飞成像，测试成像系统和影像几何处理技术。漳河机场本场测试飞行的区域面积为5.25 km²，飞行设定航高1 000 m，中红外相机和可见光相机的地面分辨率分别约为0.63 m、0.14 m。

本次航飞共计10条航线，有效航线总长22.8 km，摄区最短基线长184 m。前4条航线为东西走向，每条航线长2.9 km，后6条航线为南北走向，每条航线长1.8 km。航飞共获取可见光影像130景，中红外影像1 415景。对原始影像进行航带拼接、几何校正及影像裁剪等预处理，结合飞控中记录的GPS坐标及惯导姿态参数，首先利用可见光影像生成可见光正射影像和DSM，然后对中红外影像进行空三处理，结果如图 6所示。最后对中红外影像进行正射纠正并镶嵌得到整幅研究区中红外正射影像，如图 7所示。

3 结束语

本文针对目前已有的中波红外相机像幅较小的问题，研究设计了摆扫式中波红外宽幅成像方式，研制成功了国内首台机载宽幅中波红外成像系统。该系统可以同时获得中红外影像和可见光影像，针对两类影像的特点，本文提出的完整影像几何处理流程可以最终获得宽幅中红外正射影像。通过在荆门市漳河机场进行航飞实验，证明了本文研制的机载宽幅中波红外成像系统及其影像几何处理流程的有效性。该系统可以为中波红外遥感应用提供可靠的数据源。