高速電視測量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在航天靶場中的應(yīng)用

王玉超，劉劍鋒，趙 宇，周 袁，姚大為，田光龍，盛華雄，馬忠權(quán)

(1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000; 2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西西安 710000)

1 引 言

高速電視測量是航天靶場光學(xué)測控系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著萬里測控第一站的重要任務(wù)。高速電視測量儀主要用于完成導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭初始段跟蹤與電視實(shí)時(shí)圖像記錄及漂移量測量任務(wù)［1-5］。高速電視測量光學(xué)系統(tǒng)是整個(gè)測量系統(tǒng)中的核心部分，其性能的優(yōu)劣直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤測量能力，關(guān)系到導(dǎo)彈和火箭初始段的跟蹤測量以及實(shí)況記錄任務(wù)。目前，航天靶場對光學(xué)設(shè)備的測控能力要求越來越高，傳統(tǒng)的定焦光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足導(dǎo)彈和火箭實(shí)時(shí)高清圖像記錄、跟蹤測量以及漂移量測量的任務(wù)［6-8］。為適應(yīng)航天靶場試驗(yàn)任務(wù)要求，不斷提高靶場光學(xué)測控水平，我們設(shè)計(jì)了一套焦距為25～350 mm的變焦距光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用使高速電視測量設(shè)備的布站更加機(jī)動靈活，跟蹤測量更加穩(wěn)定，跟蹤距離更遠(yuǎn)，并有效解決了定焦光學(xué)系統(tǒng)中容易出現(xiàn)重影、倒影以及存儲圖片上有干擾條紋的問題，成像更加清晰，顯著提高了我國航天靶場的光學(xué)測控能力。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 定焦光學(xué)系統(tǒng)成像中的問題

高速電視測量儀的光學(xué)系統(tǒng)完成對目標(biāo)的拍攝任務(wù)，但是在夜間拍攝火箭目標(biāo)時(shí)，火箭尾焰的強(qiáng)烈光照會導(dǎo)致定焦鏡頭不同程度出現(xiàn)倒影和重影現(xiàn)象，如圖1所示。重影中出現(xiàn)的尾焰倒影和探照燈倒影會對箭體拍攝造成一定程度的遮擋，可能會造成1～2 s的任務(wù)弧段無法完成漂移量判讀。另外，定焦光學(xué)系統(tǒng)跟蹤測量距離有限，并且為了確保對初始目標(biāo)清晰成像，設(shè)備只能部署在幾個(gè)固定的點(diǎn)位，影響設(shè)備的機(jī)動性，戰(zhàn)時(shí)生存能力較弱。為了解決定焦光學(xué)系統(tǒng)成像中的問題，持續(xù)提高我國航天靶場的光學(xué)測控水平，我們設(shè)計(jì)了一套新的變焦光學(xué)系統(tǒng)。

圖1 定焦鏡頭成像倒影和重影現(xiàn)象Fig.1 Inversion image and shadow phenomenon of the fixed focus lens

2.2 變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連續(xù)變焦鏡頭采用透射式、機(jī)械補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的鍍膜及濾波技術(shù)。系統(tǒng)由前固定組、變焦組、補(bǔ)償組、后固定組及可變光闌等組成，機(jī)械補(bǔ)償式變焦距光學(xué)系統(tǒng)具有變倍過程中像面移動量小、成像質(zhì)量較好、變倍比大等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。變焦組作直線運(yùn)動改變系統(tǒng)焦距，為穩(wěn)定像面需設(shè)置補(bǔ)償組，補(bǔ)償組作非直線運(yùn)動補(bǔ)償像面的移動。

圖2 高速電視變焦距光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.2 Zoom optical system diagram of high speed TV

變焦距鏡頭結(jié)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)高速測量電視系統(tǒng)功能和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由變焦距凸輪機(jī)構(gòu)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)、可變光闌機(jī)構(gòu)、攝像機(jī)安裝固定機(jī)構(gòu)、箱體及遮光罩等主要部件組成。

(1)變焦距凸輪機(jī)構(gòu)。變焦距凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、導(dǎo)釘和驅(qū)動裝置組成。按變焦鏡組、補(bǔ)償鏡組的運(yùn)動軌跡，在活動鏡筒上加工變焦凸輪槽和補(bǔ)償凸輪槽，變焦凸輪槽的加工精度高于0.01 mm。在凸輪槽內(nèi)設(shè)置導(dǎo)釘，導(dǎo)釘分別與變焦鏡組、補(bǔ)償鏡組連接。驅(qū)動裝置帶動活動鏡筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)變焦鏡組、補(bǔ)償鏡組的移動。導(dǎo)釘是一聯(lián)桿件，一端裝微型軸承置于凸輪槽內(nèi)，另一端與變焦鏡組鏡框以及補(bǔ)償鏡組鏡框連接。驅(qū)動裝置由直流電機(jī)、齒輪減速器(輸出齒輪安裝在活動鏡筒上)和光學(xué)編碼器等組成。直流電機(jī)驅(qū)動齒輪減速器帶動活動鏡筒轉(zhuǎn)動，光學(xué)編碼器通過鋼帶無空回機(jī)構(gòu)和活動鏡筒相連，當(dāng)活動鏡筒轉(zhuǎn)動時(shí)，編碼器以脈沖形式輸出轉(zhuǎn)動量。

(2)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。調(diào)焦機(jī)構(gòu)由調(diào)焦鏡組、減速器、直流電機(jī)和編碼器等組成，減速器輸出齒輪安裝在調(diào)焦鏡組鏡框上，直流電機(jī)驅(qū)動減速器帶動調(diào)焦鏡組移動，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。減速器輸出齒輪通過過渡齒輪與編碼器連接，以數(shù)字脈沖形式反饋調(diào)焦量。

(3)可變光闌機(jī)構(gòu)?？勺児怅@機(jī)構(gòu)由6個(gè)光闌片、活動環(huán)、固定環(huán)、拔銷、減速器和直流電機(jī)組成。光闌片兩端均有銷釘，兩端分別放在固定環(huán)孔和活動環(huán)槽內(nèi)，固定環(huán)與活動環(huán)的間隙通過壓圈調(diào)節(jié)，活動環(huán)與減速器輸出齒輪通過拔銷連接。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動減速器時(shí)，拔銷帶動活動環(huán)轉(zhuǎn)動，光闌片在活動環(huán)帶動下，改變光闌通光孔的大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

該光學(xué)系統(tǒng)具有自動變焦、自動調(diào)焦、自動調(diào)光功能，變焦、調(diào)焦、調(diào)光機(jī)構(gòu)具有高精度位置反饋元件，保證焦距輸出精度和距離自動調(diào)焦精度，能夠滿足高速電視測量儀漂移量和實(shí)況記錄的需要。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

圖3、4是焦距為25 mm的MTF圖與點(diǎn)列圖。圖5、6是焦距為350 nm的MTF圖與點(diǎn)列圖。從MIF圖和點(diǎn)列圖中可以看出，鏡頭焦距為25 mm和350 mm時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量均良好，從鏡頭中心到邊緣的成像差距比較小，鏡頭的分辨率較好。

圖3 MTF曲線圖Fig.3 MTF curves

圖4 點(diǎn)列圖Fig.4 Point graph

圖5 MTF曲線圖Fig.5 MTF curves

圖6 點(diǎn)列圖Fig.6 Point graph

3 光學(xué)系統(tǒng)跟蹤測量效果

從實(shí)際使用效果來看，新設(shè)計(jì)的高速電視測量變焦光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)拍攝清晰，圖像質(zhì)量良好，具備從火箭點(diǎn)火瞬間開始一直到一、二級分離的跟蹤測量能力，如圖7、圖8、圖9所示，完全可以滿足導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭初始段跟蹤與電視實(shí)時(shí)圖像記錄及漂移量測量要求。

圖7 起飛段高速電視實(shí)況景象Fig.7 Live scene in the take-off section of high speed television

圖8 初始段高速電視實(shí)況景象Fig.8 Live scene in the beginning section of high speed television

圖9 一、二級分離段高速電視實(shí)況景象。Fig.9 Live scene in one and two stage separation section of high speed television

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套焦距為25～350 mm的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使高速電視測量設(shè)備布站更加靈活，成像質(zhì)量良好，跟蹤測量穩(wěn)定，并有效解決了定焦光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)容易出現(xiàn)倒影、重影以及存儲圖像上有干擾條紋現(xiàn)象等問題，顯著提高了我國航天靶場的光學(xué)測控能力。