無人機(jī)載面陣數(shù)字相機(jī)光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)

蔣 寧，賈繼強(qiáng)，金燦強(qiáng)，謝 斌

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033；2.空軍航空大學(xué) 航空機(jī)械工程系，吉林 長 春130022）

無人機(jī)載面陣數(shù)字相機(jī)，是以無人機(jī)為平臺(tái)，以面陣數(shù)字相機(jī)為信息獲取的主要有效載荷，實(shí)時(shí)獲取測(cè)繪保障所需要的立體影像數(shù)據(jù)，通過攝影測(cè)量處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速精確定位、測(cè)繪信息產(chǎn)品的快速更新以及各類應(yīng)急任務(wù)的測(cè)繪保障等。受無人機(jī)體積的限制，要求面陣測(cè)繪相機(jī)滿足體積小、質(zhì)量小、分辨率高的要求。作為相機(jī)的重要部件，光學(xué)鏡頭的品質(zhì)，直接影響相機(jī)的成像品質(zhì)和測(cè)繪精度。

1 面陣數(shù)字相機(jī)光學(xué)鏡頭的參數(shù)確定

針對(duì)具體的技術(shù)要求指標(biāo)，對(duì)面陣數(shù)字相機(jī)光學(xué)鏡頭的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)波段為0.50～0.75μm，中心波長為0.656 3μm。系統(tǒng)的畸變?cè)O(shè)計(jì)值，在各個(gè)視場范圍內(nèi)均小于3μm。具體技術(shù)要求如下：

面陣數(shù)字相機(jī)像元數(shù)≥4 k×4 k；

像元地面分辨率≤0.5m（飛行高度為5000m時(shí)）；面陣數(shù)字相機(jī)視場≥23.15°×23.15°；

圖像灰度量化等級(jí)256；

波段范圍0.5～0.75μm全色波段；

混合光傳遞函數(shù)≥0.38。

1.1 焦距

焦距是一項(xiàng)重要參數(shù)，不僅直接影響系統(tǒng)的性能，而且直接影響儀器的體積和重量。面陣CCD靶面尺寸確定后，焦距值與地面像元分辨率及飛機(jī)航高有關(guān)，理想成像關(guān)系為

式中，

f'為鏡頭的焦距；

a為CCD像元尺寸；

H為航高；

GSD為像元地面分辨率。

我們選用的面陣CCD為4 096×4 096，像元尺寸為0.009 mm，航高為5 000 m，像元地面分辨率指標(biāo)為0.5 m，經(jīng)過計(jì)算，可得鏡頭的焦距：f'=90 mm。

1.2 視場角

視場角是光學(xué)系統(tǒng)的重要參數(shù)，因?yàn)槠浯笮〈碇娇照障噙^程的效率及其經(jīng)濟(jì)效果。相機(jī)的視場角2α 由下式計(jì)算：

式中，

D為CCD邊線長度；

f'為鏡頭焦距。

經(jīng)過計(jì)算，

D =0.009×4 096=36.864 mm；

f'=90 mm；

由于選用的面陣CCD像元數(shù)為4 096×4 096，所以CCD靶面的兩個(gè)邊長相等。即視場角為23.15°×23.15°，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.3 相對(duì)孔徑

光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑，決定了理論分辨率和探測(cè)器靶面照度。在滿足分辨率的前提下，要根據(jù)靶面照度來選擇CCD探測(cè)器。初步選取

現(xiàn)從能量的角度來分析所選CCD的實(shí)用性。

像元面積Sp=8.1×10-11m2；

暗電流50e/pixel/sec(e—電子)；

本底噪聲20e(e—電子)；

量子效率的平均值η =0.482(λ =0.486 1～0.852 1μm)

對(duì)應(yīng)的平均波長λa=0.51μm

CCD靶面上的照度公式為

其中，

對(duì)我們來說，我們的工作除了要將優(yōu)秀的設(shè)計(jì)提供給像酒店、地產(chǎn)商這樣專業(yè)的客戶，我們更要嘗試把優(yōu)秀的設(shè)計(jì)帶進(jìn)更多人的生活中去。以我自己的WS SPACE 無·集為例。這里是一個(gè)能夠用設(shè)計(jì)感染人的空間。在這里設(shè)計(jì)和人們之間幾乎沒有距離，在這里你可能喝完一杯咖啡就發(fā)現(xiàn)眼前的杯子能給你此時(shí)此刻帶來一絲愉悅，這其實(shí)就是所謂的設(shè)計(jì)走進(jìn)生活。同理，你在這里聞到某個(gè)香薰時(shí)，它也會(huì)給你帶來片刻的聯(lián)想以及所謂的氛圍營造。我個(gè)人很喜歡用這些小的東西去影響、感染別人，而我設(shè)計(jì)這個(gè)空間的目的就在于將設(shè)計(jì)與美的東西帶給更多人。

E地為地面目標(biāo)的照度，lx；

ρ為地面目標(biāo)的漫反射系數(shù)；

τ大為大氣透過率；

τ光為光學(xué)系統(tǒng)透過率。

CCD單個(gè)像元所產(chǎn)生的電子數(shù)為

其中，

Vλ為λa的視見函數(shù)值；

h為普朗克常數(shù)；

c為光速。

λa的視見函數(shù)值Vλ=0.503；

h =6.626 2×10-34J·s；

光速c=2.997 9×1011mm/s。

太陽輻射在地球表面上的照度，取決于太陽在地平線上的高度角，現(xiàn)取高度角為0°到30°幾種情況，進(jìn)行分析計(jì)算。

CCD積分時(shí)間取為t =2 ms，此時(shí)暗電流可忽略不計(jì)。

信號(hào)噪聲為20 e。當(dāng)ρ=0.05～0.5；

τ大=0.5；

τ光=0.8；

D/f'=1/5.6，

則信噪比的計(jì)算值如表1。

表1 信噪比的計(jì)算值

從表1值可以看出，對(duì)于太陽高度角為0°和5°時(shí)，可適當(dāng)增加積分時(shí)間，以滿足S/N的要求。選用的CCD，在光學(xué)系統(tǒng)選擇D /f '=1/5.6時(shí)，是可以滿足要求的。

2 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式的確定

經(jīng)過比較。面陣數(shù)字相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)采用對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械筒長度短，有利于裝調(diào)；當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓變化時(shí)，由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可以使垂軸像差的變化量部分自動(dòng)相消，尤其對(duì)要求極其嚴(yán)格的光學(xué)系統(tǒng)的畸變校正較為有利。

圖1 面陣數(shù)字相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)圖

3 鏡頭光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

面陣數(shù)字相機(jī)鏡頭，由前鏡筒組件、光闌組件、后鏡筒組件及快門等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 面陣數(shù)字相機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)圖

正確的曝光量控制，是相機(jī)獲得高清晰圖像的重要指標(biāo)之一，只有曝光正確時(shí)，景物細(xì)節(jié)部分才能正確地反映出來，信息豐富，具有較高的判讀效果。相機(jī)的檢光和調(diào)光控制，也就是控制像面的最佳曝光量。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5.6～16連續(xù)可調(diào)光圈，通過電機(jī)組件帶動(dòng)光闌組件運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。光圈從最小值增到最大值所需時(shí)間＜8 s。光闌直徑由電位計(jì)檢測(cè)并反饋。

4 試驗(yàn)結(jié)果

加工裝調(diào)后的鏡頭，對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 傳遞函數(shù)值

鏡頭安裝在平臺(tái)上，和整機(jī)一起進(jìn)行了振動(dòng)，高低溫，電磁兼容等試驗(yàn)，鏡頭在試驗(yàn)中始終保持工作正常，成像清晰。圖3為裝調(diào)好的鏡頭。

圖3 鏡頭實(shí)物圖

5 結(jié)束語

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)無人機(jī)載面陣測(cè)繪相機(jī)鏡頭的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足主要指標(biāo)要求，該設(shè)計(jì)達(dá)到了高質(zhì)量、混合光傳遞函數(shù)大于指標(biāo)0.38；鏡頭安裝在相機(jī)平臺(tái)上，進(jìn)行了多次試飛，取得了許多高質(zhì)量的圖片。

[1]韓昌元.高分辨力空間相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)研究[J].光學(xué)精密工程，2008，16(11)：2165-2172.

[2]李東源，張曉光，閆秀生，侯藍(lán)田，周桂耀，鄭榮山.CCD攝像機(jī)大視場光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27(2)：105-107.

[3]李興華.高分辨力空間攝影相機(jī)像移補(bǔ)償控制技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院，2000.

[4]王 智，張立平，李朝輝.傳輸型立體測(cè)繪相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2009，17(5)：1051-1056.

[5]苗健宇，張立平，吳清文.測(cè)繪相機(jī)光學(xué)鏡筒設(shè)計(jì)、加工及裝配[J].光學(xué)精密工程，2008，16(9)：1648-1653.

[6]李志來，薛棟林，張學(xué)軍.長焦距大視場光學(xué)系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2008，16(12)：2485-2490.