米格-25装备的航空相机
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。
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。
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。
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。
安装在航测飞机内的ADS40线阵推扫式CCD相机及其控制系统。
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，使我国的航空测绘能力达到了国际先进水平。
具有4个镜头的国产SWDC-4型CCD面阵数字航摄仪系统。
本文刊登于《航空知识》2011年第2期
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