一種雙視場電視/激光測距接收共光路一體化機(jī)設(shè)計(jì)

常偉軍，李超良，楊華梅，李明星，于 躍，張 智

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

雙視場電視/激光測距接收共光路一體化機(jī)(以下簡稱一體化機(jī))主要提供良好的晝間電視圖像，與系統(tǒng)激光發(fā)射組合，對目標(biāo)進(jìn)行重頻測距，能夠?qū)罩羞\(yùn)動的遠(yuǎn)距離目標(biāo)、近距離目標(biāo)進(jìn)行探測、識別[1-3]。一體化機(jī)通過視頻控制單元接收系統(tǒng)指令，操控大/小視場切換。在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時，可選用長焦距/小視場，以保證跟蹤距離和精度；在捕獲和觀察時，使用短焦距/大視場，可以很好地兼顧系統(tǒng)對目標(biāo)的捕獲、跟蹤與監(jiān)視[4-5]。激光測距發(fā)射組件發(fā)射激光信號至被測目標(biāo)，被測目標(biāo)對激光信號進(jìn)行散射，通過一體化機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、分光鏡透射會聚于雪崩管靶面上，激光測距接收組件可進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制，實(shí)現(xiàn)激光回波信號的接收，并完成激光測距工作。

1 技術(shù)指標(biāo)

雙視場電視/激光測距接收共光路一體化機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為

1）光學(xué)視場角

電視大視場：6.9°×5.5°（水平×垂直）；

電視小視場：1.8°×1.4°（水平×垂直）；

激光接收視場：3.25 mrad。

2）電視作用距離

能見度不小于23 km；

相對濕度不大于80%條件下，對2 m×2 m 目標(biāo)跟蹤距離≥13 km。

3）相對孔徑

電視大視場：1/4；

電視小視場：1/5.5；

激光接收視場: 1/0.96。

4）工作波段

700 nm～900 nm &1 064 nm。

5）整機(jī)質(zhì)量

整機(jī)質(zhì)量不大于10 kg。

2 器件選型

2.1 CMOS 選型

CMOS 選型主要基于兩點(diǎn)考慮：一是光學(xué)系統(tǒng)的適配性，二是器件幀頻特性、動態(tài)范圍、照度特性以及小型化等。根據(jù)應(yīng)用需求，大視場時Camera-Link 數(shù)字視頻采用1 280×1 024 @100±0.5% fps 進(jìn)行輸出，小視場時可輸出2×2 并的1 280×1 024 @100±0.5% fps 視頻。選擇IMX252 型CMOS 圖像探測器成像組件，技術(shù)指標(biāo)為：有效像素數(shù)2 560×2 048，像素大小3.5 μm×3.5 μm，幀頻100 fps，電子快門為全局。其光譜響應(yīng)曲線如圖1 所示。

圖1 CMOS 光譜響應(yīng)曲線Fig.1 Spectral response curves of CMOS

2.2 雪崩管選型

根據(jù)激光測距接收要求，選擇Excelitas Technologies 公司(美國)的C30950E-EL 型雪崩管，技術(shù)指標(biāo)是：激光波段1.064 μm，光敏面直徑Φ0.8 mm，光譜響應(yīng)度1.41×105V/W。其光譜響應(yīng)曲線如圖2所示。

3 光學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了降低光學(xué)系統(tǒng)的空間尺寸，以及具備較大的相對孔徑成像能力，本光學(xué)系統(tǒng)采用寬波段、雙視場電視/激光測距接收共光路設(shè)計(jì)方案。雙視場電視單元工作過程是：當(dāng)目標(biāo)反射光從共光路鏡組入射后，經(jīng)分光鏡、大視場中繼鏡組、反射鏡至共用COMS，通過大視場中繼鏡組的切換來改變系統(tǒng)焦距，從而實(shí)現(xiàn)電視大/小視場之間的切換。其中大視場中繼鏡組在光路中默認(rèn)為大視場，大視場中繼鏡組切出光路時為小視場，大/小視場光學(xué)系統(tǒng)如圖3 和圖4 所示。激光測距接收單元工作過程是：當(dāng)目標(biāo)反射光從共光路鏡組入射后，經(jīng)過分光鏡透射至激光接收鏡組，與系統(tǒng)激光發(fā)射組合，通過激光測距接收鏡組進(jìn)行激光回波接收，完成激光測距工作。

圖3 大視場光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of big field of view optical system

圖4 小視場光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of small field of view optical system

根據(jù)一體機(jī)的視場要求以及CMOS 探測器件的靶面尺寸要求，按照公式(1)計(jì)算各視場焦距[5-6]：

式中：f′為焦距，單位mm；ω為垂直半視場角，單位（°）；d為水平（垂直）靶面半高度，單位mm。具體計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 電視視場焦距計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of focal length of fields on TV camera

3.2 像質(zhì)評價

3.2.1 幾何分辨率計(jì)算

根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則，以及探測識別目標(biāo)所需的空間頻率，根據(jù)公式（2）計(jì)算出作用距離[5]：

式中：l為目標(biāo)到系統(tǒng)距離，單位m；Z為目標(biāo)臨界尺寸（最小高度或?qū)挾龋瑔挝籱；N為識別目標(biāo)所需空間頻率，單位lp/m；f′為物鏡焦距，單位mm；Nc為CMOS 的極限分辨率，單位lp/mm。幾何分辨率計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 幾何分辨率計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of geometric resolution

由幾何分辨率計(jì)算結(jié)果可知，該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及選擇的CMOS 探測器件能夠滿足指標(biāo)要求的探測與識別作用距離。

3.2.2 點(diǎn)列圖

用點(diǎn)列圖中點(diǎn)的密集程度可以判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。電視大視場可見光點(diǎn)列圖如圖5 所示。從圖5 可以看出，點(diǎn)列圖中點(diǎn)的密集程度較高，整體像質(zhì)優(yōu)良。電視小視場可見光點(diǎn)列圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，點(diǎn)列圖中點(diǎn)的密集程度較高，點(diǎn)列圖的均方根（RMS）小于或接近探測器像元尺寸，整體像質(zhì)優(yōu)良。激光測距接收可見光點(diǎn)列圖以及激光回波光斑與探測器靶面分析示意圖如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 可以看出，激光接收系統(tǒng)在不同視場點(diǎn)列圖的均方根（RMS）均小于光敏面直徑（Φ0.8 mm），且激光回波光斑在不同視場的大部分能量落在探測器靶面之內(nèi)。

圖5 大視場點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram of large field of view

圖6 小視場點(diǎn)列圖Fig.6 Spot diagram of small field of view

圖7 激光測距接收點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagram of laser ranging reception

圖8 激光回波光斑在探測器靶面的分析示意圖Fig.8 Analysis schematic diagram of laser echo spot on detector target surface

4 光、機(jī)一體化設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保障可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡可能使系統(tǒng)模塊化、輕量化，以提高互換性，同時使一體化機(jī)性能更好地滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求[7-9]。一體化機(jī)從功能上分為雙視場電視/激光共光路光學(xué)組件、分光鏡組件、大/小視場切換組件、反射棱鏡組件、視頻控制組件、CMOS組件、激光測距接收組件。其中分光鏡組件、大/小視場切換組件、反射棱鏡組件安裝在整機(jī)主殼體底部且在同一平面上；視頻控制組件安裝在整機(jī)主殼體頂部，當(dāng)視頻控制單元接收到視場切換指令，電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪傳動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠托舉裝有大視場中繼透鏡組的支撐板，沿著光桿軸向作直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)大視場中繼透鏡組的切入/切出；CMOS 組件、激光測距接收組件與整機(jī)主殼體采用軸孔配合方式進(jìn)行安裝，確保CMOS 組件、激光測距接收組件與入射光線良好耦合。一體化機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖9 所示。

圖9 一體化機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.9 Structure composition diagram of integrated machine

4.2 整機(jī)主殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于一體化機(jī)的共光路光學(xué)組件尺寸較大、鏡片數(shù)量多，為更好地適應(yīng)車載環(huán)境沖擊、振動以及共光路的設(shè)計(jì)要求，采用主鏡筒與整機(jī)主殼體一體化設(shè)計(jì)，并在垂直于安裝面方向和主鏡筒方向增加加強(qiáng)肋板，如圖10 所示。最后采用整體鑄造方式進(jìn)行加工，材料選用鑄鋁ZL101A，提高主鏡筒與殼體的強(qiáng)度。

為減少光軸零位走動，對各鏡組進(jìn)行定中心裝調(diào)，采用灌膠固定、止螺固定，提高各鏡組間的穩(wěn)固性[8-10]。成像組件、激光測距接收組件與主殼體采用軸孔配合方式進(jìn)行安裝，提高光軸的一致性。

5 通信控制單元設(shè)計(jì)

一體化機(jī)通信控制單元采用雙H 橋電機(jī)啟動芯片并聯(lián)控制設(shè)計(jì)方案。該方案首先提高了運(yùn)行額定電流，其次，當(dāng)大視場中繼透鏡組的支撐板觸發(fā)限位開關(guān)撥片時，限位開關(guān)向通信控制單元反饋檢測結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)對傳動部件的精準(zhǔn)限位控制。通信控制單元主要包括通信、大/小視場切換控制功能，主要通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，控制原理框圖如圖11 所示。

圖11 通信控制單元原理圖Fig.11 Schematic diagram of communication control unit

通信控制單元控制過程如下：

1）通過配置單片機(jī)脈寬調(diào)制(PWM）寄存器的參數(shù)來調(diào)整PWM 的占空比，通過控制占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)速大小的控制。

2）通過采集霍爾元件、開關(guān)信息獲得視場切換到位的信息。

3）通過RS422 異步串口通信獲得系統(tǒng)控制指令、成像組件與視頻處理單元的反饋信息，同時向成像組件及視頻處理單元發(fā)送控制指令，并向系統(tǒng)反饋相關(guān)信息。

6 設(shè)計(jì)結(jié)果

依據(jù)應(yīng)用需求，首先開展CMOS、雪崩管器件的選型工作，然后開展光學(xué)、機(jī)械、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，一體化機(jī)滿足雙視場電視和激光接收視場、作用距離、搜索/跟蹤等技術(shù)指標(biāo)要求，一體化機(jī)的實(shí)際質(zhì)量為9.4 kg，滿足設(shè)計(jì)要求和尺寸包絡(luò)要求，外形如圖12 所示。

圖12 一體化機(jī)外形圖Fig.12 Outline drawing of integrated machine

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款雙視場電視與激光測距接收共光路一體化機(jī)，主要對晝間目標(biāo)進(jìn)行成像，通過視場切換組件達(dá)到大/小視場的切換，適應(yīng)大/小兩種場景目標(biāo)的觀測，激光測距接收組件與系統(tǒng)激光發(fā)射組合，可對目標(biāo)進(jìn)行重頻測距。給出了光學(xué)系統(tǒng)大/小視場計(jì)算結(jié)果、幾何分辨率計(jì)算結(jié)果和相關(guān)點(diǎn)列圖，通過理論分析以及Zemax 光學(xué)軟件和UG 建模軟件的仿真評估可知，該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等滿足指標(biāo)要求，可廣泛應(yīng)用于車載光電探測、跟蹤等方面。