一種雙視場電視/激光測距接收共光路一體化機設計

常偉軍，李超良，楊華梅，李明星，于 躍，張 智

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

雙視場電視/激光測距接收共光路一體化機(以下簡稱一體化機)主要提供良好的晝間電視圖像，與系統激光發射組合，對目標進行重頻測距，能夠對空中運動的遠距離目標、近距離目標進行探測、識別[1-3]。一體化機通過視頻控制單元接收系統指令，操控大/小視場切換。在進行目標跟蹤時，可選用長焦距/小視場，以保證跟蹤距離和精度；在捕獲和觀察時，使用短焦距/大視場，可以很好地兼顧系統對目標的捕獲、跟蹤與監視[4-5]。激光測距發射組件發射激光信號至被測目標，被測目標對激光信號進行散射，通過一體化機光學系統、分光鏡透射會聚于雪崩管靶面上，激光測距接收組件可進行自適應調整控制，實現激光回波信號的接收，并完成激光測距工作。

1 技術指標

雙視場電視/激光測距接收共光路一體化機設計技術指標為

1）光學視場角

電視大視場：6.9°×5.5°（水平×垂直）；

電視小視場：1.8°×1.4°（水平×垂直）；

激光接收視場：3.25 mrad。

2）電視作用距離

能見度不小于23 km；

相對濕度不大于80%條件下，對2 m×2 m 目標跟蹤距離≥13 km。

3）相對孔徑

電視大視場：1/4；

電視小視場：1/5.5；

激光接收視場: 1/0.96。

4）工作波段

700 nm～900 nm &1 064 nm。

5）整機質量

整機質量不大于10 kg。

2 器件選型

2.1 CMOS 選型

CMOS 選型主要基于兩點考慮：一是光學系統的適配性，二是器件幀頻特性、動態范圍、照度特性以及小型化等。根據應用需求，大視場時Camera-Link 數字視頻采用1 280×1 024 @100±0.5% fps 進行輸出，小視場時可輸出2×2 并的1 280×1 024 @100±0.5% fps 視頻。選擇IMX252 型CMOS 圖像探測器成像組件，技術指標為：有效像素數2 560×2 048，像素大小3.5 μm×3.5 μm，幀頻100 fps，電子快門為全局。其光譜響應曲線如圖1 所示。

圖1 CMOS 光譜響應曲線Fig.1 Spectral response curves of CMOS

2.2 雪崩管選型

根據激光測距接收要求，選擇Excelitas Technologies 公司(美國)的C30950E-EL 型雪崩管，技術指標是：激光波段1.064 μm，光敏面直徑Φ0.8 mm，光譜響應度1.41×105V/W。其光譜響應曲線如圖2所示。

3 光學設計

3.1 光學系統設計

為了降低光學系統的空間尺寸，以及具備較大的相對孔徑成像能力，本光學系統采用寬波段、雙視場電視/激光測距接收共光路設計方案。雙視場電視單元工作過程是：當目標反射光從共光路鏡組入射后，經分光鏡、大視場中繼鏡組、反射鏡至共用COMS，通過大視場中繼鏡組的切換來改變系統焦距，從而實現電視大/小視場之間的切換。其中大視場中繼鏡組在光路中默認為大視場，大視場中繼鏡組切出光路時為小視場，大/小視場光學系統如圖3 和圖4 所示。激光測距接收單元工作過程是：當目標反射光從共光路鏡組入射后，經過分光鏡透射至激光接收鏡組，與系統激光發射組合，通過激光測距接收鏡組進行激光回波接收，完成激光測距工作。

圖3 大視場光學系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of big field of view optical system

圖4 小視場光學系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of small field of view optical system

根據一體機的視場要求以及CMOS 探測器件的靶面尺寸要求，按照公式(1)計算各視場焦距[5-6]：

式中：f′為焦距，單位mm；ω為垂直半視場角，單位（°）；d為水平（垂直）靶面半高度，單位mm。具體計算結果如表1 所示。

表1 電視視場焦距計算結果Table 1 Calculation results of focal length of fields on TV camera

3.2 像質評價

3.2.1 幾何分辨率計算

根據約翰遜準則，以及探測識別目標所需的空間頻率，根據公式（2）計算出作用距離[5]：

式中：l為目標到系統距離，單位m；Z為目標臨界尺寸（最小高度或寬度），單位m；N為識別目標所需空間頻率，單位lp/m；f′為物鏡焦距，單位mm；Nc為CMOS 的極限分辨率，單位lp/mm。幾何分辨率計算結果如表2 所示。

表2 幾何分辨率計算結果Table 2 Calculation results of geometric resolution

由幾何分辨率計算結果可知，該光學系統的設計以及選擇的CMOS 探測器件能夠滿足指標要求的探測與識別作用距離。

3.2.2 點列圖

用點列圖中點的密集程度可以判斷光學系統的成像質量。電視大視場可見光點列圖如圖5 所示。從圖5 可以看出，點列圖中點的密集程度較高，整體像質優良。電視小視場可見光點列圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，點列圖中點的密集程度較高，點列圖的均方根（RMS）小于或接近探測器像元尺寸，整體像質優良。激光測距接收可見光點列圖以及激光回波光斑與探測器靶面分析示意圖如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 可以看出，激光接收系統在不同視場點列圖的均方根（RMS）均小于光敏面直徑（Φ0.8 mm），且激光回波光斑在不同視場的大部分能量落在探測器靶面之內。

圖5 大視場點列圖Fig.5 Spot diagram of large field of view

圖6 小視場點列圖Fig.6 Spot diagram of small field of view

圖7 激光測距接收點列圖Fig.7 Spot diagram of laser ranging reception

圖8 激光回波光斑在探測器靶面的分析示意圖Fig.8 Analysis schematic diagram of laser echo spot on detector target surface

4 光、機一體化設計

4.1 系統結構設計

在保障可靠性指標的基礎上，盡可能使系統模塊化、輕量化，以提高互換性，同時使一體化機性能更好地滿足各項指標要求[7-9]。一體化機從功能上分為雙視場電視/激光共光路光學組件、分光鏡組件、大/小視場切換組件、反射棱鏡組件、視頻控制組件、CMOS組件、激光測距接收組件。其中分光鏡組件、大/小視場切換組件、反射棱鏡組件安裝在整機主殼體底部且在同一平面上；視頻控制組件安裝在整機主殼體頂部，當視頻控制單元接收到視場切換指令，電機帶動齒輪轉動，通過齒輪傳動帶動絲杠轉動，絲杠托舉裝有大視場中繼透鏡組的支撐板，沿著光桿軸向作直線運動，實現大視場中繼透鏡組的切入/切出；CMOS 組件、激光測距接收組件與整機主殼體采用軸孔配合方式進行安裝，確保CMOS 組件、激光測距接收組件與入射光線良好耦合。一體化機結構組成如圖9 所示。

圖9 一體化機結構組成圖Fig.9 Structure composition diagram of integrated machine

4.2 整機主殼體結構設計

由于一體化機的共光路光學組件尺寸較大、鏡片數量多，為更好地適應車載環境沖擊、振動以及共光路的設計要求，采用主鏡筒與整機主殼體一體化設計，并在垂直于安裝面方向和主鏡筒方向增加加強肋板，如圖10 所示。最后采用整體鑄造方式進行加工，材料選用鑄鋁ZL101A，提高主鏡筒與殼體的強度。

為減少光軸零位走動，對各鏡組進行定中心裝調，采用灌膠固定、止螺固定，提高各鏡組間的穩固性[8-10]。成像組件、激光測距接收組件與主殼體采用軸孔配合方式進行安裝，提高光軸的一致性。

5 通信控制單元設計

一體化機通信控制單元采用雙H 橋電機啟動芯片并聯控制設計方案。該方案首先提高了運行額定電流，其次，當大視場中繼透鏡組的支撐板觸發限位開關撥片時，限位開關向通信控制單元反饋檢測結果，從而實現電機對傳動部件的精準限位控制。通信控制單元主要包括通信、大/小視場切換控制功能，主要通過單片機實現，控制原理框圖如圖11 所示。

圖11 通信控制單元原理圖Fig.11 Schematic diagram of communication control unit

通信控制單元控制過程如下：

1）通過配置單片機脈寬調制(PWM）寄存器的參數來調整PWM 的占空比，通過控制占空比實現對電機的轉動方向以及轉速大小的控制。

2）通過采集霍爾元件、開關信息獲得視場切換到位的信息。

3）通過RS422 異步串口通信獲得系統控制指令、成像組件與視頻處理單元的反饋信息，同時向成像組件及視頻處理單元發送控制指令，并向系統反饋相關信息。

6 設計結果

依據應用需求，首先開展CMOS、雪崩管器件的選型工作，然后開展光學、機械、電氣系統設計。設計結果表明，一體化機滿足雙視場電視和激光接收視場、作用距離、搜索/跟蹤等技術指標要求，一體化機的實際質量為9.4 kg，滿足設計要求和尺寸包絡要求，外形如圖12 所示。

圖12 一體化機外形圖Fig.12 Outline drawing of integrated machine

7 結論

本文設計了一款雙視場電視與激光測距接收共光路一體化機，主要對晝間目標進行成像，通過視場切換組件達到大/小視場的切換，適應大/小兩種場景目標的觀測，激光測距接收組件與系統激光發射組合，可對目標進行重頻測距。給出了光學系統大/小視場計算結果、幾何分辨率計算結果和相關點列圖，通過理論分析以及Zemax 光學軟件和UG 建模軟件的仿真評估可知，該系統的光學設計、結構設計等滿足指標要求，可廣泛應用于車載光電探測、跟蹤等方面。