一種單站被動式光學測距系統

王陸，王藝梅

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

現有獲取目標位置信息的方法主要分為主動式測距和被動式測距兩種。主動式測距大部分是通過發出某特定波長的電磁波，并通過回波與出射波的時間差推導出探測器與被測目標之間的距離。例如，激光測距、超聲波測距等。該方法由于是主動發出探測波，所以容易被對方截獲，并加以利用。被動式測距主要是通過接收被測目標所發出的某一特定波段的信號，從而達到對目標測距。現有被動式測距系統往往采用多系統立體式探測的方法，通過坐標系解算從而得到被測目標的相應信息［1］。例如雙平臺被動測距等。但是此類傳統測距系統機構復雜，造價較高，不利于機動探測。

本文提出的單站被動式光學測距系統是以周掃描系統為基礎，通過半反半透鏡對光學系統進行“鏡像”，從而虛擬出另一套成像光學系統，并根據坐標系推導解算出探測器與被測目標之間的角度信息和距離信息，從而達到單站被動測距的效果［2］。該系統方法簡單，移動性好，適用于紅外、激光、可見、紫外等多種系統。

1 單站被動式光學測距系統

1.1 測距原理

最為經典和復雜的被動探測系統即為“人眼”。它通過兩只眼睛的相互配合從而達到對目標進行空間定位的效果。

圖1 人眼立體視差示意圖

若物點A到基線的距離為L，則視差角θα為：

不同距離的物體對應不同的視差角，其差異Δθα稱為“立體視差”。傳統的被動測距系統正是參考該原理，通過建立雙站或者多站被動式光學測距系統，對同一目標進行觀測，從而推導出基線與目標的距離和方位、俯仰角度等信息［3］。然而，該方式需要兩套或更多固定在特定位置上的測距系統進行組合測距。對于人力和物力的耗費都比較大，并且只能對特定區域進行覆蓋，不利于機動探測。

故此，文中提出了一種通過同一探測系統經折反系統對同一物體從不同角度進行二次探測方法，從而達到人眼立體成像的效果［4］。該方式可以獨自完成被動測距，機構簡單、造價低廉，便于機動探測，如圖2所示。

1.2 系統組成與公式推導

系統主要由周掃描系統、光闌、半反半透鏡、光學成像系統等組成。在光學成像系統前方以一定距離處（此處以45°為例）放置一個半反半透鏡（保證系統二個光路全部無遮擋。），并在半反半透鏡前分別放置一個可變光闌［5］。周掃描系統正常工作情況下（主光闌開啟，側光闌關閉。），當探測到目標并記錄下目標方位角α1后（可由轉臺讀出方位角），將系統進入第二圈周掃狀態（同時關閉主光闌，開啟側光闌。），記錄下被測目標第二次的方位角α2。

已知，光學成像系統的焦距 f′，半反半透鏡與探測器的距離D，被測物體與半反半透鏡片的距離為L，根據正弦定理可知：

文中為處理方便，選取了特定位置進行計算，取Δα=|α2-α1|。在實際探測中，由于目標出現的位置不定，應根據目標的位置具體分析。

2 探測距離與誤差分析

2.1 極限探測距離

其中β為轉臺穩定精度。

2.2 定位誤差

假設轉臺精度為0.01°，D為300mm，當目標出現在近距離L1=10m的位置時，根據公式可知Δα=88.330955，則

同理，當目標處于極限探測距離1.719km時，根據公式可知Δα=89.99°，則

由此可見，定位誤差主要有轉臺穩定精度和反射鏡與光學系統間距決定［6］，且探測距離越近，定位精度越高。最大誤差出現在極限探測距離處。

2.3 反射鏡安裝誤差

2.3.1 偏轉誤差

當反射鏡俯仰方向存在±0.1°的偏差時［7］，由于該測距系統對距離信息的探測主要依據水平方向上的角度差，所以俯仰方向的角度誤差對于距離探測影響不大。

圖2 單站被動式測距系統示意圖

圖3 反射鏡水平偏轉示意圖

當反射鏡水平方向存在0.1°的偏差時反射鏡偏轉0.1°，光線偏轉0.2°，如圖3所示，由以下公式：

以上可知，在不同探測距離會相應出現0.2°時所對應的距離誤差。

2.3.2 位置誤差

當反射鏡由于安裝誤差而導致前后移動ΔD時，則

當 D=300mm，ΔD=10mm，Δα=89.99時，根據上式可知

由此可知，在此種單站被動式光學測距系統中，反射鏡前后位置和橫向位置的略微變化對探測距離影響不大。

3 結論

該方法具有簡單易用，移動性強的特點。但是其缺點也同樣是明顯的，那就是探測距離比較近，并且只有在近距離探測時誤差才會比較小。

不過，如果用該方法結合圖像處理或者人工輔助圖像標識的的話，可以隱蔽、快速的對方位360°全視場內所有近距離物體進行三維立體成像［1］。從而時現對目標外形特征的建模。

［1］付小寧，吳德懷.只測角的單站三維紅外被動測距算法［J］.兵工學報，2008，29（10）：1188-1191.

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［4］梅逐生.光電子技術［M］.北京：國防工業出版社，2004：87-91.

［5］王志堅.光學工程基礎［M］.北京：兵器工業出版社，2005：98-101，136-139.

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