趙 野，高 揚，程少圓

(北京空間機電研究所，北京 100094)

引言

地基大口徑光電測量系統(tǒng)是一種適于軍用靶場的高精度光電成像測量設備，主要完成目標的實況記錄，實現(xiàn)目標方位角、俯仰角、姿態(tài)變化和目標輻射特性的測量。光電測量系統(tǒng)主要用于對飛機、導彈、衛(wèi)星等飛行目標的高清成像以及高精度測量。時至今日，現(xiàn)代光電測量系統(tǒng)仍在航空航天、國防軍事和科學研究等領域中發(fā)揮著重要的作用，常用的地基經(jīng)緯儀如圖1所示。地基光電測量系統(tǒng)跟蹤測量目標，系統(tǒng)往往處于高速運動狀態(tài)，完成對近距離目標的測量成像任務。光電測量成像系統(tǒng)若不能實時對光學系統(tǒng)調(diào)焦，將導致圖像模糊，進而對目標彈道數(shù)據(jù)測量、姿態(tài)測量和目標輻射特性測量產(chǎn)生不利影響[1-5]。

傳統(tǒng)光電經(jīng)緯儀調(diào)焦主要依靠手動模式調(diào)節(jié)，人眼主觀地判斷圖像清晰與否，控制操作調(diào)焦機構實現(xiàn)光電系統(tǒng)的調(diào)焦。手動調(diào)焦最大的弊端是操作人員的主觀性很強，調(diào)焦快慢取決于人員的熟練程度，自動化和智能化不足，遠遠滿足不了現(xiàn)代信息化系統(tǒng)靶場建設的要求[6-8]。

圖1 地基經(jīng)緯儀

目前，光電測量系統(tǒng)的調(diào)焦方式主要有距離調(diào)焦和溫度調(diào)焦。距離調(diào)焦是靶場上常見的主動式調(diào)焦方法，主要是利用激光測距儀高精度的測距，完成高精度的調(diào)焦。該種調(diào)焦需要發(fā)射和接受激光，調(diào)焦精度高，但主動發(fā)射信號方式容易受天氣影響且易被反偵察和信號干擾。另外，大口徑光電經(jīng)緯儀的調(diào)焦方式是溫度調(diào)焦。由于系統(tǒng)尺寸較大，易受到工作環(huán)境溫度變化的影響，系統(tǒng)的理想焦面位置受溫度變化影響較大。光電測量系統(tǒng)在出廠之前，需要進行大量的實驗標定，對不同溫度離焦情況進行擬合，完成溫度調(diào)焦量的計算。溫度調(diào)焦存在大量的標定任務，工作量大[9-14]。

基于上述考慮，本文提出一種新型相位-圖像復合被動調(diào)焦方法，該檢測調(diào)焦方式屬于被動式，通過檢測調(diào)焦系統(tǒng)對圖像信息的處理，配合相應的自動搜索算法，計算出需要的調(diào)焦量，最終找到最佳焦面位置，該檢測調(diào)焦方式無需測距激光器輔助設備，大大節(jié)約了成本，同時也不必對每個溫度進行標定，適用范圍廣。

1 自動調(diào)焦系統(tǒng)設計

1.1 成像光學系統(tǒng)設計

從國內(nèi)外大口徑光電測量系統(tǒng)的主光學系統(tǒng)結構來看，屬于長焦距，小視場射遠型成像系統(tǒng)?？紤]到當今對多波段成像的要求，大多采用反射式結構。發(fā)射式結構的最大特點是大孔徑且無色差?，F(xiàn)在靶場常用的是主次鏡組合的雙反射系統(tǒng)，常見的雙反射系統(tǒng)主要有兩大類：第1類是牛頓式，該系統(tǒng)主反射鏡為拋物面，次鏡為平面，牛頓式結構可以實現(xiàn)對無限遠的軸上點無像差成像，但軸外像差較大且同等規(guī)格下系統(tǒng)較長，使用不方便。第2類是卡塞格林式，該結構由主反射鏡為拋物面和次鏡為雙曲面的透鏡組成，系統(tǒng)對無限遠的軸上點無像差成像，鏡筒短、焦距長、結構緊湊，更適合作為大口徑的光電測量設備。

圖2是大口徑光電測量系統(tǒng)主光學系統(tǒng)結構形式。從圖2可以看出，在口徑和焦距相同時，卡塞格林系統(tǒng)主鏡筒更短，系統(tǒng)設計更為緊湊?；谏鲜隹紤]，本文中樣機的設計將采用卡塞格林式結構，樣機光學系統(tǒng)主要指標如表1所示。

圖2 經(jīng)緯儀主光學系統(tǒng)結構形式

表1 光學系統(tǒng)主要指標

圖3給出原理樣機的成像光學系統(tǒng)的光路。在表2中給出該光學系統(tǒng)的成像參數(shù)。

圖3 成像光學系統(tǒng)

表2 成像系統(tǒng)參數(shù)

1.2 檢測調(diào)焦系統(tǒng)設計

成像主光學系統(tǒng)實現(xiàn)目標光能的匯聚，利用分光棱鏡對成像光線和檢測調(diào)焦光線進行分光，分離的部分光線用于檢測調(diào)焦系統(tǒng)。成像與檢測調(diào)焦同時進行，滿足實時檢測調(diào)焦的設計要求。其光機結構如圖4所示。

表3給出了檢測調(diào)焦系統(tǒng)的光學設計參數(shù)。

表3 檢測調(diào)焦系統(tǒng)參數(shù)

2 調(diào)焦精度測試與分析

為了驗證復合被動式檢測調(diào)焦系統(tǒng)檢測調(diào)焦精度，加工裝調(diào)原理樣機實物圖如圖5所示。

圖4 混合檢測調(diào)焦樣機光機結構

圖5 檢測調(diào)焦樣機實物圖

復合被動式檢測調(diào)焦的整個工作數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

圖6 混合調(diào)焦流程圖

當光學系統(tǒng)從500 m處向無窮遠調(diào)焦，系統(tǒng)整個調(diào)焦量約為2.53 mm。系統(tǒng)采用經(jīng)典地變步長爬山法，該種調(diào)焦方法屬于圖像檢測調(diào)焦，其檢測調(diào)焦的效率和初始步長的設置密切相關。檢測調(diào)焦開始時，首先設置步長為0.2 mm，檢測調(diào)焦經(jīng)過13步后越過圖像的峰值，然后減小步長，對圖像進行反向搜索。搜索到最佳焦點附近0.02 mm 范圍內(nèi)時，圖像處理20步?？赏茢嗳舨捎眯∮?.2 mm的采樣步長，圖像調(diào)焦過程將需要更多次采樣；相反，若使用大于0.2 mm初始步長，總采樣次數(shù)有所減少，但折反次數(shù)會更多，導致傳動機構的回轉誤差增大，影響調(diào)焦精度。不同步長的檢測調(diào)焦結果如表4所示。

對于上述需求，使用本文所提出的復合調(diào)焦方案，僅僅4步就能完成檢測調(diào)焦過程：首先利用裂像相位法調(diào)焦，檢測調(diào)焦探測器進行采樣和圖像增強處理，完成相位差運算，傳輸指令使電機快

表4 調(diào)焦效率對比

速驅(qū)動到達焦點附近；其次利用圖像探測器采樣3次，并計算評價函數(shù)的結果，經(jīng)過曲線擬合運算，快速找到最佳焦點。在整個檢焦調(diào)焦過程中，都是順序采樣。

3 結論

本文對光電測量系統(tǒng)相位-圖像復合檢測調(diào)焦方案的可行性進行了分析，設計了檢測調(diào)焦光學結構，加工并搭建了實驗裝置，對系統(tǒng)進行了實驗室標定，完成了相應的數(shù)據(jù)處理和結果分析。結果表明，該系統(tǒng)的相位調(diào)焦精度優(yōu)于0.08 mm，復合調(diào)焦精度優(yōu)于0.02 mm，滿足光電測量系統(tǒng)高精度調(diào)焦的需要。同時，相比于傳統(tǒng)的圖像調(diào)焦，復合調(diào)焦具有更高的時效性。