何佳融

（吉林省計(jì)量科學(xué)研究院 吉林省計(jì)量測(cè)試儀器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130103）

引 言

如何能實(shí)時(shí)地跟蹤瞄準(zhǔn)目標(biāo)是激光武器實(shí)施精確打擊的關(guān)鍵，這需要系統(tǒng)在捕捉到運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方式對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)焦，使目標(biāo)所成的像清晰、穩(wěn)定地呈現(xiàn)在CCD上。對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，如果系統(tǒng)處于離焦的狀態(tài)，即物鏡組的像方焦平面沒有與目鏡組的物方焦平面重合，則CCD上呈現(xiàn)的像是不清晰的，這會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和精確打擊。此時(shí)我們會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)焦鏡組使兩焦平面重合，來(lái)獲得清晰圖像。由此可以看出，實(shí)時(shí)調(diào)焦、精確快速調(diào)焦是動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的技術(shù)核心。如何對(duì)遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤瞄準(zhǔn)，設(shè)計(jì)快速、高精度的調(diào)焦結(jié)構(gòu)，使圖像系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地采集到清晰、穩(wěn)定的圖像是本文研究的重點(diǎn)。本文將設(shè)計(jì)一套對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)的系統(tǒng)，滿足對(duì)遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)焦，精確對(duì)準(zhǔn)，并且成像清晰、穩(wěn)定[1-3]。

調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)可以分為外調(diào)焦系統(tǒng)和內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)。外調(diào)焦是通過(guò)調(diào)節(jié)目鏡組和物鏡組的位置來(lái)進(jìn)行焦距變化的。外調(diào)焦系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)焦方便，只需調(diào)節(jié)目鏡組與物鏡組的間距就可以完成調(diào)焦；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。外調(diào)焦系統(tǒng)缺點(diǎn)是：系統(tǒng)尺寸大；密封性差[4]。而本文采用的內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)不需要改變系統(tǒng)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，只通過(guò)移動(dòng)一組鏡片就可以完成調(diào)焦，使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更精密，同時(shí)保證了系統(tǒng)的小型化和密封性。

1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)的是一款基于內(nèi)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟瞄設(shè)備。通過(guò)望遠(yuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕捉，并對(duì)被測(cè)目標(biāo)成像后，由CCD采集圖像，將被測(cè)目標(biāo)的圖片信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算電路的處理，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)鏡組移動(dòng)，進(jìn)行調(diào)焦。當(dāng)被測(cè)物體的像方焦面恰好與CCD重合時(shí)，伺服電機(jī)停止工作，完成調(diào)焦[5]。

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)跟瞄系統(tǒng)如圖1所示，大致分為四個(gè)部分：前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)，內(nèi)調(diào)焦光機(jī)系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig. 1 System diagram

動(dòng)態(tài)目標(biāo)通過(guò)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、調(diào)焦光學(xué)結(jié)構(gòu)所成的像被CCD接收，由CCD將圖片信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給圖像處理系統(tǒng)。當(dāng)成像效果模糊時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)焦結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)鏡組的移動(dòng)，使系統(tǒng)能夠在1 000 m到4 000 m內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)焦對(duì)準(zhǔn)，成像清晰。

2 調(diào)焦機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)焦鏡組鏡筒設(shè)計(jì)

根據(jù)優(yōu)化后光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)可知，調(diào)焦鏡組的半孔徑為30 mm，通過(guò)表1確定鏡片的大小，表1中D為壓圈內(nèi)徑。

表1 壓圈固定法透鏡外徑與通光口徑的關(guān)系Tab. 1 The relation between the diameter of lens and the aperture of pressing ring mm

鏡片外徑為62.5 mm，設(shè)計(jì)鏡筒壁厚為5 mm，鏡筒二維圖如圖2所示。

2.2 調(diào)焦凸輪設(shè)計(jì)

在調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)各移動(dòng)組之間的距離就可以使焦距發(fā)生變化。在調(diào)焦過(guò)程中，要想達(dá)到要求的焦距值，就必須應(yīng)用某種機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足調(diào)焦要求。本文使用調(diào)焦凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)焦，用凸輪來(lái)控制調(diào)焦組的移動(dòng)量，從而使調(diào)焦精確。完成光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，需要考慮的就是通過(guò)凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的焦距。為了使焦距精確，需要計(jì)算調(diào)焦鏡組的移動(dòng)量，用這個(gè)關(guān)系來(lái)加工凸輪運(yùn)動(dòng)的軌道，這樣加工出的凸輪就可以準(zhǔn)確控制調(diào)焦組的移動(dòng)量[6-9]。

圖2 鏡筒結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Lens tube structure

2.2.1 凸輪曲線擬合

在對(duì)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，需要對(duì)多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，使這些不同的位置都能達(dá)到像差的平衡。在進(jìn)行凸輪曲線擬合的過(guò)程中，通過(guò)編程輸出的數(shù)據(jù)用MATLAB來(lái)合成曲線，得到理想的曲線。此種方法有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 該方法主要是通過(guò)軟件來(lái)輸出數(shù)據(jù)、進(jìn)行計(jì)算，減小了人工運(yùn)算的工作量，簡(jiǎn)單方便；

(2) 通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)中組元頂點(diǎn)的位置來(lái)定義移動(dòng)量，避開了對(duì)主面位置的討論；

(3) 此種方法非?？旖荩筛鶕?jù)需要隨時(shí)擬合成曲線，便于研究曲線和光學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)的不同種情況[10-11]。

在1 000 m到4 000 m之間，每10 m一個(gè)步長(zhǎng)，對(duì)物距變化和鏡組移動(dòng)量進(jìn)行采點(diǎn)，初步擬合一條曲線，如圖3所示。

圖3 物距變化與調(diào)焦鏡組位置關(guān)系Fig. 3 The distance change of object and a focusing lens group location sampling

物距變化和調(diào)焦鏡組位置擬合的二次方程為：

式中：x為物距；y為調(diào)焦鏡組的位置。

圖4中曲線a為初步采點(diǎn)曲線，曲線b為優(yōu)化后的曲線。優(yōu)化后的曲線更平滑，可以使調(diào)焦鏡組運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)卡滯。由于凸輪的旋轉(zhuǎn)角度為0～60°，則凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和鏡組的移動(dòng)位置如圖5所示。

圖4 優(yōu)化曲線Fig. 4 The profile of optimization

圖5 鏡組位置與凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系圖Fig. 5 The relationship between the position of the mirror group and the angle of rotation of the cam

凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度和調(diào)焦鏡組位置擬合的二次方程為：

式中：θ為凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度；y為調(diào)焦鏡組的位置。

2.2.2 凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的調(diào)焦光學(xué)結(jié)構(gòu)通過(guò)齒輪和凸輪相結(jié)合的方法來(lái)完成光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)焦。齒輪和凸輪結(jié)合的方法綜合了齒輪傳動(dòng)和凸輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，齒輪傳動(dòng)使用性能優(yōu)良，可以保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)整周的回轉(zhuǎn)；調(diào)焦凸輪通過(guò)加工出不同的凸輪槽，可完成任意種類復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)在于：傳動(dòng)功率和速度適應(yīng)范圍大；傳動(dòng)比精準(zhǔn)、可靠；機(jī)械效率高；傳遞相同的功率時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊密，尺寸更小。本文設(shè)計(jì)的齒輪模數(shù)m=1，通過(guò)對(duì)鏡片和鏡筒尺寸的計(jì)算，確定齒輪分度圓的直徑d為90 mm，α為20°，則通過(guò)以下公式：

圖6 調(diào)焦系統(tǒng)裝配圖Fig. 6 Assembly drawing of focusing system

2.3 材料的選擇

對(duì)某一系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不但要考慮如何滿足所需要的機(jī)械性能，還要對(duì)機(jī)械零件的輕量化進(jìn)行分析。由于系統(tǒng)在實(shí)際工作中外界溫度環(huán)境會(huì)產(chǎn)生變化，為了使鏡片和機(jī)械零件不因溫度變化產(chǎn)生形變，從而影響成像質(zhì)量，所以鏡片的線膨脹系數(shù)和機(jī)械固定件的線膨脹系數(shù)必須吻合。如表2所示，在選擇材料的過(guò)程中，既要使其能夠滿足整體的機(jī)械性能，又要考慮透鏡和金屬零件的線膨脹系數(shù)以及性價(jià)比。調(diào)焦凸輪和鏡筒選擇機(jī)械性能好，材料密度小的鈦合金鍛件(TC4)，考慮工作環(huán)境，齒輪表面需要鍍防冷焊膜時(shí)需要選用不銹鋼(9Cr18)。

表2 材料性能Tab. 2 Material performance

在選材過(guò)程中，光學(xué)元件與機(jī)械零件的線膨脹系數(shù)必須相吻合。當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，透鏡鏡片和機(jī)械零件之間就會(huì)出現(xiàn)間隙。如果在設(shè)計(jì)的過(guò)程中預(yù)留的間隙小于實(shí)際溫度間隙，在使用過(guò)程中溫度的改變會(huì)使透鏡鏡片和機(jī)械零件之間出現(xiàn)應(yīng)力，從而使透鏡鏡片出現(xiàn)形變，甚至破裂，使成像質(zhì)量降低。所以，如果系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度變化較大，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)考慮溫度間隙，計(jì)算式為

式中：D為內(nèi)工作件的直徑；為內(nèi)工作件的線膨脹系數(shù)；為外工作件的線膨脹系數(shù)；T1為最低溫度；T2為檢驗(yàn)時(shí)的溫度。

在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要遵循溫度間隙公式，還要將機(jī)械零件加工誤差考慮進(jìn)去。

3 像質(zhì)評(píng)價(jià)與精度分析

3.1 像質(zhì)評(píng)價(jià)

光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)定的基準(zhǔn)有：能量集中程度、低對(duì)比分辨力和OTF值。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不適用所有情況，必須由采集到的特征信號(hào)確定。MTF可以表示目標(biāo)位于不同頻率的分辨效果，全面表征像質(zhì)。在MTF圖中，低頻部分、中頻部分、高頻部分分別體現(xiàn)的是物體輪廓、層次和細(xì)節(jié)的傳遞效果，綜合來(lái)看，MTF可以準(zhǔn)確、客觀、全面地評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)。但是，MTF由于其計(jì)算量大，在優(yōu)化初期通常選用幾何像差，設(shè)計(jì)完成后再用MTF來(lái)評(píng)價(jià)。如表3為整組移動(dòng)調(diào)焦的MTF值[12-13]。

表3 鏡組調(diào)焦過(guò)程 MTF 值Tab. 3 The MTF value of mirror group in focusing process

在整個(gè)過(guò)程中能夠保證系統(tǒng)的MTF值在0.6以上，系統(tǒng)會(huì)有很好的成像質(zhì)量，達(dá)到了技術(shù)要求。

3.2 誤差合成

影響調(diào)焦精度的因素有：透鏡放置誤差、齒輪傳遞誤差和曲線加工誤差三個(gè)方面。齒輪傳遞誤差Δ2由兩部分組成，大致分為齒輪誤差和安裝誤差。由于本文設(shè)計(jì)的凸輪曲線采用數(shù)控加工方法，曲線為平滑曲線，且有三組相同的曲線同時(shí)控制位置，可起到誤差均化的作用。由此引入的凸輪曲線加工誤差Δ3可控制在1 μm以內(nèi)。

由于在齒輪傳遞過(guò)程中和凸輪曲線的加工過(guò)程中都會(huì)存在一定的誤差，因此需要對(duì)兩種誤差進(jìn)行合成：Δ2=0.487 μm，Δ3=1 μm，所以

計(jì)算Δ總為±1.1 μm。則系統(tǒng)精度為±1.1 μm，滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并選取了調(diào)焦凸輪作為調(diào)焦機(jī)械結(jié)構(gòu)。該光學(xué)系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行捕捉、跟蹤和成像功能。調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，全面理解其工作原理和技術(shù)指標(biāo)，利用光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件Zemax中的MTF值對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證，像差基本達(dá)到平衡，成像圖像清晰，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。利用誤差理論對(duì)伺服電機(jī)帶動(dòng)調(diào)焦凸輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行誤差分析，調(diào)節(jié)精度為±1.1 μm。