高速电视测量光学系统设计及其在航天靶场中的应用

王玉超，刘剑锋，赵 宇，周 袁，姚大为，田光龙，盛华雄，马忠权

(1.西昌卫星发射中心，四川西昌 615000; 2.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安 710000)

1 引 言

高速电视测量是航天靶场光学测控系统中的一个重要组成部分，担负着万里测控第一站的重要任务。高速电视测量仪主要用于完成导弹和运载火箭初始段跟踪与电视实时图像记录及漂移量测量任务［1-5］。高速电视测量光学系统是整个测量系统中的核心部分，其性能的优劣直接决定了整个系统的跟踪测量能力，关系到导弹和火箭初始段的跟踪测量以及实况记录任务。目前，航天靶场对光学设备的测控能力要求越来越高，传统的定焦光学系统已经不能满足导弹和火箭实时高清图像记录、跟踪测量以及漂移量测量的任务［6-8］。为适应航天靶场试验任务要求，不断提高靶场光学测控水平，我们设计了一套焦距为25～350 mm的变焦距光学系统，该系统的应用使高速电视测量设备的布站更加机动灵活，跟踪测量更加稳定，跟踪距离更远，并有效解决了定焦光学系统中容易出现重影、倒影以及存储图片上有干扰条纹的问题，成像更加清晰，显著提高了我国航天靶场的光学测控能力。

2 光学系统设计

2.1 定焦光学系统成像中的问题

高速电视测量仪的光学系统完成对目标的拍摄任务，但是在夜间拍摄火箭目标时，火箭尾焰的强烈光照会导致定焦镜头不同程度出现倒影和重影现象，如图1所示。重影中出现的尾焰倒影和探照灯倒影会对箭体拍摄造成一定程度的遮挡，可能会造成1～2 s的任务弧段无法完成漂移量判读。另外，定焦光学系统跟踪测量距离有限，并且为了确保对初始目标清晰成像，设备只能部署在几个固定的点位，影响设备的机动性，战时生存能力较弱。为了解决定焦光学系统成像中的问题，持续提高我国航天靶场的光学测控水平，我们设计了一套新的变焦光学系统。

图1 定焦镜头成像倒影和重影现象Fig.1 Inversion image and shadow phenomenon of the fixed focus lens

2.2 变焦光学系统设计

连续变焦镜头采用透射式、机械补偿式结构，采用先进的镀膜及滤波技术。系统由前固定组、变焦组、补偿组、后固定组及可变光阑等组成，机械补偿式变焦距光学系统具有变倍过程中像面移动量小、成像质量较好、变倍比大等优点。其结构形式如图2所示。变焦组作直线运动改变系统焦距，为稳定像面需设置补偿组，补偿组作非直线运动补偿像面的移动。

图2 高速电视变焦距光学系统图Fig.2 Zoom optical system diagram of high speed TV

变焦距镜头结构是为实现高速测量电视系统功能和各项技术指标设计的机械结构，由变焦距凸轮机构、调焦机构、可变光阑机构、摄像机安装固定机构、箱体及遮光罩等主要部件组成。

(1)变焦距凸轮机构。变焦距凸轮机构由凸轮、导钉和驱动装置组成。按变焦镜组、补偿镜组的运动轨迹，在活动镜筒上加工变焦凸轮槽和补偿凸轮槽，变焦凸轮槽的加工精度高于0.01 mm。在凸轮槽内设置导钉，导钉分别与变焦镜组、补偿镜组连接。驱动装置带动活动镜筒转动，实现变焦镜组、补偿镜组的移动。导钉是一联杆件，一端装微型轴承置于凸轮槽内，另一端与变焦镜组镜框以及补偿镜组镜框连接。驱动装置由直流电机、齿轮减速器(输出齿轮安装在活动镜筒上)和光学编码器等组成。直流电机驱动齿轮减速器带动活动镜筒转动，光学编码器通过钢带无空回机构和活动镜筒相连，当活动镜筒转动时，编码器以脉冲形式输出转动量。

(2)调焦机构。调焦机构由调焦镜组、减速器、直流电机和编码器等组成，减速器输出齿轮安装在调焦镜组镜框上，直流电机驱动减速器带动调焦镜组移动，实现调焦。减速器输出齿轮通过过渡齿轮与编码器连接，以数字脉冲形式反馈调焦量。

(3)可变光阑机构。可变光阑机构由6个光阑片、活动环、固定环、拔销、减速器和直流电机组成。光阑片两端均有销钉，两端分别放在固定环孔和活动环槽内，固定环与活动环的间隙通过压圈调节，活动环与减速器输出齿轮通过拔销连接。当电机驱动减速器时，拔销带动活动环转动，光阑片在活动环带动下，改变光阑通光孔的大小，实现调光。

该光学系统具有自动变焦、自动调焦、自动调光功能，变焦、调焦、调光机构具有高精度位置反馈元件，保证焦距输出精度和距离自动调焦精度，能够满足高速电视测量仪漂移量和实况记录的需要。

2.3 光学系统设计结果

图3、4是焦距为25 mm的MTF图与点列图。图5、6是焦距为350 nm的MTF图与点列图。从MIF图和点列图中可以看出，镜头焦距为25 mm和350 mm时，光学系统成像质量均良好，从镜头中心到边缘的成像差距比较小，镜头的分辨率较好。

图3 MTF曲线图Fig.3 MTF curves

图4 点列图Fig.4 Point graph

图5 MTF曲线图Fig.5 MTF curves

图6 点列图Fig.6 Point graph

3 光学系统跟踪测量效果

从实际使用效果来看，新设计的高速电视测量变焦光学系统目标拍摄清晰，图像质量良好，具备从火箭点火瞬间开始一直到一、二级分离的跟踪测量能力，如图7、图8、图9所示，完全可以满足导弹和运载火箭初始段跟踪与电视实时图像记录及漂移量测量要求。

图7 起飞段高速电视实况景象Fig.7 Live scene in the take-off section of high speed television

图8 初始段高速电视实况景象Fig.8 Live scene in the beginning section of high speed television

图9 一、二级分离段高速电视实况景象。Fig.9 Live scene in one and two stage separation section of high speed television

4 结 论

本文设计了一套焦距为25～350 mm的连续变焦光学系统。该系统使高速电视测量设备布站更加灵活，成像质量良好，跟踪测量稳定，并有效解决了定焦光学系统成像时容易出现倒影、重影以及存储图像上有干扰条纹现象等问题，显著提高了我国航天靶场的光学测控能力。