王陸，王藝梅

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

現(xiàn)有獲取目標(biāo)位置信息的方法主要分為主動(dòng)式測(cè)距和被動(dòng)式測(cè)距兩種。主動(dòng)式測(cè)距大部分是通過(guò)發(fā)出某特定波長(zhǎng)的電磁波，并通過(guò)回波與出射波的時(shí)間差推導(dǎo)出探測(cè)器與被測(cè)目標(biāo)之間的距離。例如，激光測(cè)距、超聲波測(cè)距等。該方法由于是主動(dòng)發(fā)出探測(cè)波，所以容易被對(duì)方截獲，并加以利用。被動(dòng)式測(cè)距主要是通過(guò)接收被測(cè)目標(biāo)所發(fā)出的某一特定波段的信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)測(cè)距。現(xiàn)有被動(dòng)式測(cè)距系統(tǒng)往往采用多系統(tǒng)立體式探測(cè)的方法，通過(guò)坐標(biāo)系解算從而得到被測(cè)目標(biāo)的相應(yīng)信息［1］。例如雙平臺(tái)被動(dòng)測(cè)距等。但是此類傳統(tǒng)測(cè)距系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，不利于機(jī)動(dòng)探測(cè)。

本文提出的單站被動(dòng)式光學(xué)測(cè)距系統(tǒng)是以周掃描系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)半反半透鏡對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行“鏡像”，從而虛擬出另一套成像光學(xué)系統(tǒng)，并根據(jù)坐標(biāo)系推導(dǎo)解算出探測(cè)器與被測(cè)目標(biāo)之間的角度信息和距離信息，從而達(dá)到單站被動(dòng)測(cè)距的效果［2］。該系統(tǒng)方法簡(jiǎn)單，移動(dòng)性好，適用于紅外、激光、可見(jiàn)、紫外等多種系統(tǒng)。

1 單站被動(dòng)式光學(xué)測(cè)距系統(tǒng)

1.1 測(cè)距原理

最為經(jīng)典和復(fù)雜的被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)即為“人眼”。它通過(guò)兩只眼睛的相互配合從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)進(jìn)行空間定位的效果。

圖1 人眼立體視差示意圖

若物點(diǎn)A到基線的距離為L(zhǎng)，則視差角θα為：

不同距離的物體對(duì)應(yīng)不同的視差角，其差異Δθα稱為“立體視差”。傳統(tǒng)的被動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)正是參考該原理，通過(guò)建立雙站或者多站被動(dòng)式光學(xué)測(cè)距系統(tǒng)，對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，從而推導(dǎo)出基線與目標(biāo)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(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行組合測(cè)距。對(duì)于人力和物力的耗費(fèi)都比較大，并且只能對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行覆蓋，不利于機(jī)動(dòng)探測(cè)。

故此，文中提出了一種通過(guò)同一探測(cè)系統(tǒng)經(jīng)折反系統(tǒng)對(duì)同一物體從不同角度進(jìn)行二次探測(cè)方法，從而達(dá)到人眼立體成像的效果［4］。該方式可以獨(dú)自完成被動(dòng)測(cè)距，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，便于機(jī)動(dòng)探測(cè)，如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)組成與公式推導(dǎo)

系統(tǒng)主要由周掃描系統(tǒng)、光闌、半反半透鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)等組成。在光學(xué)成像系統(tǒng)前方以一定距離處（此處以45°為例）放置一個(gè)半反半透鏡（保證系統(tǒng)二個(gè)光路全部無(wú)遮擋。），并在半反半透鏡前分別放置一個(gè)可變光闌［5］。周掃描系統(tǒng)正常工作情況下（主光闌開(kāi)啟，側(cè)光闌關(guān)閉。），當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)并記錄下目標(biāo)方位角α1后（可由轉(zhuǎn)臺(tái)讀出方位角），將系統(tǒng)進(jìn)入第二圈周掃狀態(tài)（同時(shí)關(guān)閉主光闌，開(kāi)啟側(cè)光闌。），記錄下被測(cè)目標(biāo)第二次的方位角α2。

已知，光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距 f′，半反半透鏡與探測(cè)器的距離D，被測(cè)物體與半反半透鏡片的距離為L(zhǎng)，根據(jù)正弦定理可知：

文中為處理方便，選取了特定位置進(jìn)行計(jì)算，取Δα=|α2-α1|。在實(shí)際探測(cè)中，由于目標(biāo)出現(xiàn)的位置不定，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)的位置具體分析。

2 探測(cè)距離與誤差分析

2.1 極限探測(cè)距離

其中β為轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定精度。

2.2 定位誤差

假設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)精度為0.01°，D為300mm，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在近距離L1=10m的位置時(shí)，根據(jù)公式可知Δα=88.330955，則

同理，當(dāng)目標(biāo)處于極限探測(cè)距離1.719km時(shí)，根據(jù)公式可知Δα=89.99°，則

由此可見(jiàn)，定位誤差主要有轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定精度和反射鏡與光學(xué)系統(tǒng)間距決定［6］，且探測(cè)距離越近，定位精度越高。最大誤差出現(xiàn)在極限探測(cè)距離處。

2.3 反射鏡安裝誤差

2.3.1 偏轉(zhuǎn)誤差

當(dāng)反射鏡俯仰方向存在±0.1°的偏差時(shí)［7］，由于該測(cè)距系統(tǒng)對(duì)距離信息的探測(cè)主要依據(jù)水平方向上的角度差，所以俯仰方向的角度誤差對(duì)于距離探測(cè)影響不大。

圖2 單站被動(dòng)式測(cè)距系統(tǒng)示意圖

圖3 反射鏡水平偏轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)反射鏡水平方向存在0.1°的偏差時(shí)反射鏡偏轉(zhuǎn)0.1°，光線偏轉(zhuǎn)0.2°，如圖3所示，由以下公式：

以上可知，在不同探測(cè)距離會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)0.2°時(shí)所對(duì)應(yīng)的距離誤差。

2.3.2 位置誤差

當(dāng)反射鏡由于安裝誤差而導(dǎo)致前后移動(dòng)ΔD時(shí)，則

當(dāng) D=300mm，ΔD=10mm，Δα=89.99時(shí)，根據(jù)上式可知

由此可知，在此種單站被動(dòng)式光學(xué)測(cè)距系統(tǒng)中，反射鏡前后位置和橫向位置的略微變化對(duì)探測(cè)距離影響不大。

3 結(jié)論

該方法具有簡(jiǎn)單易用，移動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)也同樣是明顯的，那就是探測(cè)距離比較近，并且只有在近距離探測(cè)時(shí)誤差才會(huì)比較小。

不過(guò)，如果用該方法結(jié)合圖像處理或者人工輔助圖像標(biāo)識(shí)的的話，可以隱蔽、快速的對(duì)方位360°全視場(chǎng)內(nèi)所有近距離物體進(jìn)行三維立體成像［1］。從而時(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)外形特征的建模。

［1］付小寧，吳德懷.只測(cè)角的單站三維紅外被動(dòng)測(cè)距算法［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，29（10）：1188-1191.

［2］路遠(yuǎn)，凌永順，吳漢平，等.地面目標(biāo)的紅外被動(dòng)測(cè)距研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2004，23（1）：77-80.

［3］劉科，謝敬輝，李卓.被動(dòng)式光學(xué)測(cè)距誤差分析［J］.光學(xué)技術(shù)，2005，31（4）：586-591.

［4］梅逐生.光電子技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：87-91.

［5］王志堅(jiān).光學(xué)工程基礎(chǔ)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2005：98-101，136-139.

［6］王之江，顧培夫.實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：333-342.

［7］郁道銀，談恒英.工程光學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：125-128.