某機(jī)載短焦距電視探測能力研究*

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 長春 130033)

某機(jī)載短焦距電視探測能力研究*

時(shí)魁陳兆兵

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 長春 130033)

在滿足機(jī)載吊艙型光電測量電視小空間、大振動環(huán)境要求及CCD成像尺寸為Φ80μm、目標(biāo)截面長度尺寸為2m、距離為10km的工作條件下,對某可見光測量電視進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì),其焦距為400mm,口徑為65mm。采用分析計(jì)算的方法對所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的焦距、目標(biāo)/背景對比度進(jìn)行了相應(yīng)的估算分析,得到了相應(yīng)的目標(biāo)/背景比值結(jié)果,從而對該電視的探測距離進(jìn)行了校核分析,可以認(rèn)為此可見光電視光學(xué)系統(tǒng)滿足系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離探測要求。

機(jī)載吊艙;光電測量;可見光電視;探測距離

ClassNumberO439

1 引言

可見光測量電視是一種較為成熟的設(shè)備[1～3]。但將測量電視置于空間狹小的機(jī)載吊艙頭部則需要對電視的光學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),以滿足機(jī)載小空間、高振動要求[4～15]。本文以某型機(jī)載可將光電視為研究背景,對其光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、合理選擇了探測器、確定了調(diào)焦方式。根據(jù)本電視的焦距、口徑等條件對該電視的作用距離進(jìn)行了分析計(jì)算,驗(yàn)證了本光學(xué)設(shè)計(jì)的合理性與有效性。

2 某可見光電視光機(jī)設(shè)計(jì)

本文所探討的可見光測量電視由可見光鏡頭、可見光探測器、調(diào)焦機(jī)構(gòu)等組成。為了滿足電視跟蹤系統(tǒng)的目標(biāo)遠(yuǎn)近變化的要求及空間要求,采用變焦距的可見光電視系統(tǒng)。為了能夠滿足電視跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),在設(shè)計(jì)中從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:在保證成像質(zhì)量的前提下,盡可能減小系統(tǒng)的體積;在保證成像質(zhì)量的前提下,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,有較高的光能利用率;既能夠滿足系統(tǒng)震動、沖擊的要求,又能耐受較大的溫度沖擊,提高系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定性。

本電視的有效作用距離為10km,可見光電視系統(tǒng)焦距初步設(shè)為400mm,口徑為65mm。吊艙頭部外緣直徑為390mm,由于吊艙空間有限,為盡可能地減少光學(xué)系統(tǒng)所占的吊艙空間,光學(xué)系統(tǒng)采用攝遠(yuǎn)方案設(shè)計(jì),系統(tǒng)分為兩組,采用較大正光焦度的前組保證系統(tǒng)總光焦度,采用一個(gè)負(fù)光焦度的后組縮短系統(tǒng)長度,光欄設(shè)置在前組上,盡量減小系統(tǒng)的口徑。這樣設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)既能滿足光學(xué)指標(biāo)要求,又能滿足系統(tǒng)苛刻的體積指標(biāo)要求。在結(jié)構(gòu)方面為滿足吊艙頭部的小空間要求,需將光路設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)折式結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備的使用要求,選擇BASLER公司的可見光探測器,該探測器的參數(shù)見表1。

表1 相機(jī)參數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)主要有三項(xiàng),分別為口徑φ65mm;焦距400mm;調(diào)焦精度15μm。設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局見圖1。由圖1可見,整個(gè)系統(tǒng)由五片透鏡組成,前三片透鏡組成的正光焦度前組,后兩片透鏡為攝遠(yuǎn)后組。前組因?yàn)檎饨苟容^大,采用一片TF3和兩片F(xiàn)K61光學(xué)材料組合校正系統(tǒng)二級光譜。系統(tǒng)采用一片反射鏡折轉(zhuǎn)光路以適應(yīng)空間尺寸的要求。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果,對可見光電視系統(tǒng)進(jìn)行了光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖2所示。

圖2 可見光電視光機(jī)結(jié)構(gòu)效果圖

3 作用距離分析

首先對本可見光電視的焦距進(jìn)行分析,根據(jù)設(shè)計(jì)要求可見光電視的作用距離要求大于10km,以傳統(tǒng)戰(zhàn)斗飛機(jī)為例,設(shè)其有效截面直徑為2m,以CCD像素尺寸為5.5μm計(jì)算。則距離10km的飛機(jī)成像在像面上的大小為

(1)

根據(jù)約翰遜判據(jù),要發(fā)現(xiàn)目標(biāo),成像至少需要占據(jù)2×2個(gè)像素。表3為飛機(jī)成像在電視像面上的大小。

表3 飛機(jī)成像在像面上的大小計(jì)算

下面對本可見光電視的口徑進(jìn)行分析。電視接收系統(tǒng)像面照度與目標(biāo)亮度L,目標(biāo)的反射率ρ,光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑(D/f),大氣透過率與光學(xué)系統(tǒng)透過率相關(guān)。對于大口徑、小視場的光學(xué)系統(tǒng),其像面光照度的推導(dǎo)過程如下:

如果從物面到像面上的傳遞過程有能量損失,則像面上的光通量可以表示為式(2)。

Φ′=KΦ=KπLdSsin2(U)

(2)

像面中心的照度可以寫成式(3)或式(4)。

(3)

E′=KπLsin2(U)/β2

(4)

對于攝影和望遠(yuǎn)物鏡,其相對孔徑為2sin(U),故視場中心的像面照度正比于相對孔徑的平方,所以像面的照度可以寫成式(5)所示狀態(tài)。

(5)

在晴朗的天空背景條件下,天空背景的光照度為20000 lx,則目標(biāo)的光出射度為ρE。假設(shè)天空中的飛機(jī)的反射率為0.3,則光出射度為600 lx;目標(biāo)的光亮度為1909cd/m2;平均透過率約為0.8,則在光學(xué)系統(tǒng)像面上的光照度的表達(dá)式可以寫成式(6)所示狀態(tài)。

(6)

大氣平均透過率為0.4,假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.8,目標(biāo)的亮度為1909cd/m2,并考慮到各種使光斑擴(kuò)展的因素,則像面照度為式(7):

(7)

根據(jù)選用的CCD參數(shù)指標(biāo),在1×增益的情況下,其最小照度為5.5 lx,根據(jù)式(9)可以計(jì)算出最小通光孔徑為60mm?？紤]到系統(tǒng)要有一部分余量,選用通光口徑為65mm的光學(xué)系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng)受到衍射效應(yīng)的限制,衍射光斑在靶面上的衍射光斑擴(kuò)展為下式。

(8)

此時(shí),采樣率為式(9)所示。

(9)

此時(shí)的采樣率大于0.2,能夠滿足圖像探測采樣率的要求,可以滿足指標(biāo)要求。光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率為227.27 lp/mm,中間頻率為113.6 lp/mm,CCD象元的尺寸為5.5μm,特征頻率為90 lp/mm,滿足特征頻率小于中間頻率的要求?？紤]到大氣的影響,大氣抖動造成的光束擴(kuò)展約為2″,在CCD靶面形成的目標(biāo)光斑擴(kuò)展為:os=σ×f=9.6μm。

光學(xué)系統(tǒng)的像差引起的光斑擴(kuò)散,經(jīng)過CodeV元件分析,可以將光學(xué)系統(tǒng)的像差設(shè)計(jì)在8左右,考慮到實(shí)際裝調(diào)像差,可以認(rèn)為由像差引起的光斑擴(kuò)散為:daber=10μm。

物體運(yùn)動造成的光斑擴(kuò)展,可以通過下式計(jì)算得出。

(10)

則總的光斑面積可以表示為式(11)。

(11)

當(dāng)口徑D=65mm時(shí),像面的照度為E′=8.0 lx?？梢赃x擇CCD像面照度靈敏度小于6.5 lx的CCD就可以滿足要求,目前CCD相機(jī)的靈敏度一般優(yōu)于Emin=5.5 lx。此時(shí),使用的光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑為D/f=1/8。

下面對目標(biāo)/背景對比度進(jìn)行分析。目標(biāo)經(jīng)過大氣傳輸后,由于大氣的“路徑”輻射效應(yīng),探測器接收的目標(biāo)的視亮度可以表示為式(12):

(12)

(13)

目標(biāo)與背景的對比度為相機(jī)接收到的目標(biāo)的光照度與相機(jī)接收到的背景的光照度之比,其定義為式(14)。

(14)

由于目標(biāo)比背景“暗”,上式應(yīng)當(dāng)做修正,應(yīng)取上式的倒數(shù)作為對比度的值。目標(biāo)在像面上的照度可以表示為式(15)。

(15)

同理背景的照度可以表示為下式。

(16)

式(16)中各個(gè)參數(shù)取值同上節(jié),可以計(jì)算得出C=3.9562。當(dāng)電視跟蹤測量系統(tǒng)捕獲運(yùn)動目標(biāo)時(shí),目標(biāo)以V的速度相對視軸運(yùn)動。當(dāng)目標(biāo)距離為L時(shí),每幀圖像的積分時(shí)間為為th內(nèi),目標(biāo)在圖像上的穿越長度為

(17)

穿越的象元數(shù)為

(18)

對應(yīng)的動態(tài)對比度可以表示為Cd=CKd。Kd為動態(tài)衰減系數(shù),定義為

(19)

動態(tài)對比度Cd=3.3883。就目前圖像處理的要求而言,要求圖像的對比度要大于0.04,為了得出探測器靶面上的最小對比度,這里定義一個(gè)系數(shù)K,其定義為:C=K+1,即K=0.04。對比度與調(diào)制傳遞函數(shù)的關(guān)系為式(20)。

(20)

則Cm=1.05;則像面上的要求的最小對比度Cmin可以表示為式(21)。

(21)

大氣調(diào)制函數(shù)主要是由大氣的擾動引起的,記做MTFatoms,大氣擾動由于大氣折射率和大氣密度是隨著氣壓和氣溫變化而變化的,所以當(dāng)大氣密度和折射率不均勻時(shí),來自一個(gè)物點(diǎn)并通過大氣和波前就會產(chǎn)生變形,這種變化在自然界總是存在的,并且是隨機(jī)的,故叫做擾動,其引起的調(diào)制傳遞函數(shù)可以表達(dá)為式(22)。

(22)

式中v0被相干距離歸化的空間頻率,可以表示成v0=vλf/d0,式中:λ為波長;ν為光學(xué)系統(tǒng)空間頻率;f為光學(xué)系統(tǒng)焦距(mm);d0為大氣相干長度。

波長為550nm,空間頻率為67lp/mm,f為400mm,d0為5.55cm,可以計(jì)算得出MTFatmos=0.45。CCD探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)通常為0.5左右,這里采用MTFCCD=0.5。經(jīng)過計(jì)算得出結(jié)果為3.24。

綜上所述,能夠該套系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足下述兩式。可以認(rèn)為本光學(xué)設(shè)計(jì)能夠滿足10km的作用距離要求。

E′≥Emin

(23)

Cd≥Cmin

(24)

4 結(jié)語

針對某機(jī)載測量電視的設(shè)計(jì)要求與使用環(huán)境,以某型可見光電視為研究目標(biāo),對其進(jìn)行了相應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì),同時(shí)通過對該系統(tǒng)作用距離的分析計(jì)算,驗(yàn)證了本光學(xué)設(shè)計(jì)的合理性與有效性。為類似機(jī)載型測量電視的光機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇提供了參考。

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DetectingCapabilityResearchofthePlaneCarryingShortFocusTelevision

SHI Kui CHEN Zhaobing

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033)

The optics design of the visible light TV was done. Its focus is 400 mm, and caliber is 65 mm. This TV can satisfy some special requests to the plane carrying cabin, such as small space, high libration, Φ80 μm CCD imaging dimension, 2 m aim section length and 10 km detecting distance. The focus and aim/background contrast of the optics system was calculated and analyzed using calculation method. The aim/background contrast result was gained and used to check and analyze the detecting distance of the TV. It can be seen that this short focus television can satisfy the long distance detecting request.

plane carrying cabin, optic-electronic measure, visible light TV, detecting distance

2013年11月7日,

:2013年12月12日

時(shí)魁,男,碩士,助理研究員,研究方向:光機(jī)結(jié)構(gòu)總體。

O439DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.039