某机载短焦距电视探测能力研究*

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春 130033)

某机载短焦距电视探测能力研究*

时魁陈兆兵

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春 130033)

在满足机载吊舱型光电测量电视小空间、大振动环境要求及CCD成像尺寸为Φ80μm、目标截面长度尺寸为2m、距离为10km的工作条件下,对某可见光测量电视进行了光学设计,其焦距为400mm,口径为65mm。采用分析计算的方法对所设计的光学系统的焦距、目标/背景对比度进行了相应的估算分析,得到了相应的目标/背景比值结果,从而对该电视的探测距离进行了校核分析,可以认为此可见光电视光学系统满足系统的远距离探测要求。

机载吊舱;光电测量;可见光电视;探测距离

ClassNumberO439

1 引言

可见光测量电视是一种较为成熟的设备[1～3]。但将测量电视置于空间狭小的机载吊舱头部则需要对电视的光学系统、结构系统、电子学系统进行合理的优化设计,以满足机载小空间、高振动要求[4～15]。本文以某型机载可将光电视为研究背景,对其光学系统进行了设计、合理选择了探测器、确定了调焦方式。根据本电视的焦距、口径等条件对该电视的作用距离进行了分析计算,验证了本光学设计的合理性与有效性。

2 某可见光电视光机设计

本文所探讨的可见光测量电视由可见光镜头、可见光探测器、调焦机构等组成。为了满足电视跟踪系统的目标远近变化的要求及空间要求,采用变焦距的可见光电视系统。为了能够满足电视跟踪系统设计的各项技术指标,在设计中从以下几个方面进行考虑:在保证成像质量的前提下,尽可能减小系统的体积;在保证成像质量的前提下,系统结构简单,有较高的光能利用率;既能够满足系统震动、冲击的要求,又能耐受较大的温度冲击,提高系统的视轴稳定性。

本电视的有效作用距离为10km,可见光电视系统焦距初步设为400mm,口径为65mm。吊舱头部外缘直径为390mm,由于吊舱空间有限,为尽可能地减少光学系统所占的吊舱空间,光学系统采用摄远方案设计,系统分为两组,采用较大正光焦度的前组保证系统总光焦度,采用一个负光焦度的后组缩短系统长度,光栏设置在前组上,尽量减小系统的口径。这样设计的光学系统既能满足光学指标要求,又能满足系统苛刻的体积指标要求。在结构方面为满足吊舱头部的小空间要求,需将光路设计为转折式结构。根据设备的使用要求,选择BASLER公司的可见光探测器,该探测器的参数见表1。

表1 相机参数

光学系统指标主要有三项,分别为口径φ65mm;焦距400mm;调焦精度15μm。设计的光学系统结构布局见图1。由图1可见,整个系统由五片透镜组成,前三片透镜组成的正光焦度前组,后两片透镜为摄远后组。前组因为正光焦度较大,采用一片TF3和两片FK61光学材料组合校正系统二级光谱。系统采用一片反射镜折转光路以适应空间尺寸的要求。

图1 光学系统结构布局图

根据光学设计结果,对可见光电视系统进行了光机结构设计,如图2所示。

图2 可见光电视光机结构效果图

3 作用距离分析

首先对本可见光电视的焦距进行分析,根据设计要求可见光电视的作用距离要求大于10km,以传统战斗飞机为例,设其有效截面直径为2m,以CCD像素尺寸为5.5μm计算。则距离10km的飞机成像在像面上的大小为

(1)

根据约翰逊判据,要发现目标,成像至少需要占据2×2个像素。表3为飞机成像在电视像面上的大小。

表3 飞机成像在像面上的大小计算

下面对本可见光电视的口径进行分析。电视接收系统像面照度与目标亮度L,目标的反射率ρ,光学系统相对孔径(D/f),大气透过率与光学系统透过率相关。对于大口径、小视场的光学系统,其像面光照度的推导过程如下:

如果从物面到像面上的传递过程有能量损失,则像面上的光通量可以表示为式(2)。

Φ′=KΦ=KπLdSsin2(U)

(2)

像面中心的照度可以写成式(3)或式(4)。

(3)

E′=KπLsin2(U)/β2

(4)

对于摄影和望远物镜,其相对孔径为2sin(U),故视场中心的像面照度正比于相对孔径的平方,所以像面的照度可以写成式(5)所示状态。

(5)

在晴朗的天空背景条件下,天空背景的光照度为20000 lx,则目标的光出射度为ρE。假设天空中的飞机的反射率为0.3,则光出射度为600 lx;目标的光亮度为1909cd/m2;平均透过率约为0.8,则在光学系统像面上的光照度的表达式可以写成式(6)所示状态。

(6)

大气平均透过率为0.4,假设光学系统透过率为0.8,目标的亮度为1909cd/m2,并考虑到各种使光斑扩展的因素,则像面照度为式(7):

(7)

根据选用的CCD参数指标,在1×增益的情况下,其最小照度为5.5 lx,根据式(9)可以计算出最小通光孔径为60mm。考虑到系统要有一部分余量,选用通光口径为65mm的光学系统,光学系统受到衍射效应的限制,衍射光斑在靶面上的衍射光斑扩展为下式。

(8)

此时,采样率为式(9)所示。

(9)

此时的采样率大于0.2,能够满足图像探测采样率的要求,可以满足指标要求。光学系统的截止频率为227.27 lp/mm,中间频率为113.6 lp/mm,CCD象元的尺寸为5.5μm,特征频率为90 lp/mm,满足特征频率小于中间频率的要求。考虑到大气的影响,大气抖动造成的光束扩展约为2″,在CCD靶面形成的目标光斑扩展为:os=σ×f=9.6μm。

光学系统的像差引起的光斑扩散,经过CodeV元件分析,可以将光学系统的像差设计在8左右,考虑到实际装调像差,可以认为由像差引起的光斑扩散为:daber=10μm。

物体运动造成的光斑扩展,可以通过下式计算得出。

(10)

则总的光斑面积可以表示为式(11)。

(11)

当口径D=65mm时,像面的照度为E′=8.0 lx。可以选择CCD像面照度灵敏度小于6.5 lx的CCD就可以满足要求,目前CCD相机的灵敏度一般优于Emin=5.5 lx。此时,使用的光学系统的相对孔径为D/f=1/8。

下面对目标/背景对比度进行分析。目标经过大气传输后,由于大气的“路径”辐射效应,探测器接收的目标的视亮度可以表示为式(12):

(12)

(13)

目标与背景的对比度为相机接收到的目标的光照度与相机接收到的背景的光照度之比,其定义为式(14)。

(14)

由于目标比背景“暗”,上式应当做修正,应取上式的倒数作为对比度的值。目标在像面上的照度可以表示为式(15)。

(15)

同理背景的照度可以表示为下式。

(16)

式(16)中各个参数取值同上节,可以计算得出C=3.9562。当电视跟踪测量系统捕获运动目标时,目标以V的速度相对视轴运动。当目标距离为L时,每帧图像的积分时间为为th内,目标在图像上的穿越长度为

(17)

穿越的象元数为

(18)

对应的动态对比度可以表示为Cd=CKd。Kd为动态衰减系数,定义为

(19)

动态对比度Cd=3.3883。就目前图像处理的要求而言,要求图像的对比度要大于0.04,为了得出探测器靶面上的最小对比度,这里定义一个系数K,其定义为:C=K+1,即K=0.04。对比度与调制传递函数的关系为式(20)。

(20)

则Cm=1.05;则像面上的要求的最小对比度Cmin可以表示为式(21)。

(21)

大气调制函数主要是由大气的扰动引起的,记做MTFatoms,大气扰动由于大气折射率和大气密度是随着气压和气温变化而变化的,所以当大气密度和折射率不均匀时,来自一个物点并通过大气和波前就会产生变形,这种变化在自然界总是存在的,并且是随机的,故叫做扰动,其引起的调制传递函数可以表达为式(22)。

(22)

式中v0被相干距离归化的空间频率,可以表示成v0=vλf/d0,式中:λ为波长;ν为光学系统空间频率;f为光学系统焦距(mm);d0为大气相干长度。

波长为550nm,空间频率为67lp/mm,f为400mm,d0为5.55cm,可以计算得出MTFatmos=0.45。CCD探测器的调制传递函数通常为0.5左右,这里采用MTFCCD=0.5。经过计算得出结果为3.24。

综上所述,能够该套系统能够同时满足下述两式。可以认为本光学设计能够满足10km的作用距离要求。

E′≥Emin

(23)

Cd≥Cmin

(24)

4 结语

针对某机载测量电视的设计要求与使用环境,以某型可见光电视为研究目标,对其进行了相应的光学设计、机械设计,同时通过对该系统作用距离的分析计算,验证了本光学设计的合理性与有效性。为类似机载型测量电视的光机设计与参数选择提供了参考。

[1]邱丽荣,李佳,赵维谦,等.激光共焦透镜曲率半径测量系统[J].光学精密工程,2013,21(2):246-252.

[2]张良.中波红外变焦距系统的光学设计[J].应用光学,2006,27(1):32-34.

[3]Kim H S, Kim C W, Hong S M. Compact mid-wavelength infrared zoom camera with 20∶1 zoom range and automatic athemalization[J]. Opt. Eng.,2002,41(7):1661-1667.

[4]Mukesh A. Znveri, S. N. Merchant, Uduy B. Desrri. Air-borne Approaching Target Detection and Tracking in Infrared Image Sequence[C]//Proc. IEEE International Conference on Image Processing,2004:1025-1028.

[5]余卿,余晓芬,崔长彩.单光源双光路激光并行共焦测量系统设计[J].光学精密工程,2013,21(2):281-286.

[6]Mukesh A. Zaveri, S. N. Merchant, Uday B. Desai. Multiple Single Pixel Dim Target Detection in Infrared Image Sequence[C]//Proceedings of IEEE,2003:380-383.

[7]陈琛,胡春海.球幕投影通用型变焦鱼眼镜头设计[J].光学精密工程,2013,21(2):323-335.

[8]Ulisses Braga-Neto, Manish Choudhary, John Goutsias. Automatic target detection and tracking in forward-looking infrared image sequences using morphological connected operators[J]. Journal of Electronic Imaging,2004,13(4).

[9]唐巍,叶东,袁峰,等.灰色关联分析方法在双目视觉测量系统误差分析中的应用[J].光学精密工程,2013,21(2):503-513.

[10]骆守俊,何伍斌,李文虎,等.大面阵中波红外连续变焦光学系统设计[J].光学精密工程,2012,20(10):2117-2122.

[11]Charlene E. Caefer, Jerry Silverman, Jonathan M. Mooney, et al. Temporal filtering for point target detection in staring IR imagery:I. damped sinusoid filters[C]//Proc. SPIE Conference on Sicinal and Data Processinci of Small Targets,1998,3373:111-122.

[12]赵文才,马军.双向大视场消畸变低温红外目标模拟光学系统设计[J].光学精密工程,2012,20(12):2620-2625.

[13]Suyog D. Deshpande, M. H. Er, V. Ronda, et al. Max-Mean and Max-Median filters for detection of smalltargets[C]//Proc. SPIE Conference on Signal and Data Processing of Small Targets,1999,3809:74-83.

[14]郑玉权,高志良.CO2探测仪光学系统设计[J].光学精密工程,2012,20(12):2645-2653.

[15]黄群东,杨芳,赵键.姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算[J].光学精密工程,2012,20(12):2812-2820.

DetectingCapabilityResearchofthePlaneCarryingShortFocusTelevision

SHI Kui CHEN Zhaobing

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033)

The optics design of the visible light TV was done. Its focus is 400 mm, and caliber is 65 mm. This TV can satisfy some special requests to the plane carrying cabin, such as small space, high libration, Φ80 μm CCD imaging dimension, 2 m aim section length and 10 km detecting distance. The focus and aim/background contrast of the optics system was calculated and analyzed using calculation method. The aim/background contrast result was gained and used to check and analyze the detecting distance of the TV. It can be seen that this short focus television can satisfy the long distance detecting request.

plane carrying cabin, optic-electronic measure, visible light TV, detecting distance

2013年11月7日,

:2013年12月12日

时魁,男,硕士,助理研究员,研究方向:光机结构总体。

O439DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.039