无人机载面阵数字相机光学镜头设计

蒋 宁，贾继强，金灿强，谢 斌

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033；2.空军航空大学 航空机械工程系，吉林 长 春130022）

无人机载面阵数字相机，是以无人机为平台，以面阵数字相机为信息获取的主要有效载荷，实时获取测绘保障所需要的立体影像数据，通过摄影测量处理，实现目标的快速精确定位、测绘信息产品的快速更新以及各类应急任务的测绘保障等。受无人机体积的限制，要求面阵测绘相机满足体积小、质量小、分辨率高的要求。作为相机的重要部件，光学镜头的品质，直接影响相机的成像品质和测绘精度。

1 面阵数字相机光学镜头的参数确定

针对具体的技术要求指标，对面阵数字相机光学镜头的参数进行了设计计算，设计波段为0.50～0.75μm，中心波长为0.656 3μm。系统的畸变设计值，在各个视场范围内均小于3μm。具体技术要求如下：

面阵数字相机像元数≥4 k×4 k；

像元地面分辨率≤0.5m（飞行高度为5000m时）；面阵数字相机视场≥23.15°×23.15°；

图像灰度量化等级256；

波段范围0.5～0.75μm全色波段；

混合光传递函数≥0.38。

1.1 焦距

焦距是一项重要参数，不仅直接影响系统的性能，而且直接影响仪器的体积和重量。面阵CCD靶面尺寸确定后，焦距值与地面像元分辨率及飞机航高有关，理想成像关系为

式中，

f'为镜头的焦距；

a为CCD像元尺寸；

H为航高；

GSD为像元地面分辨率。

我们选用的面阵CCD为4 096×4 096，像元尺寸为0.009 mm，航高为5 000 m，像元地面分辨率指标为0.5 m，经过计算，可得镜头的焦距：f'=90 mm。

1.2 视场角

视场角是光学系统的重要参数，因为其大小代表着航空照相过程的效率及其经济效果。相机的视场角2α 由下式计算：

式中，

D为CCD边线长度；

f'为镜头焦距。

经过计算，

D =0.009×4 096=36.864 mm；

f'=90 mm；

由于选用的面阵CCD像元数为4 096×4 096，所以CCD靶面的两个边长相等。即视场角为23.15°×23.15°，满足技术指标的要求。

1.3 相对孔径

光学系统相对孔径，决定了理论分辨率和探测器靶面照度。在满足分辨率的前提下，要根据靶面照度来选择CCD探测器。初步选取

现从能量的角度来分析所选CCD的实用性。

像元面积Sp=8.1×10-11m2；

暗电流50e/pixel/sec(e—电子)；

本底噪声20e(e—电子)；

量子效率的平均值η =0.482(λ =0.486 1～0.852 1μm)

对应的平均波长λa=0.51μm

CCD靶面上的照度公式为

其中，

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E地为地面目标的照度，lx；

ρ为地面目标的漫反射系数；

τ大为大气透过率；

τ光为光学系统透过率。

CCD单个像元所产生的电子数为

其中，

Vλ为λa的视见函数值；

h为普朗克常数；

c为光速。

λa的视见函数值Vλ=0.503；

h =6.626 2×10-34J·s；

光速c=2.997 9×1011mm/s。

太阳辐射在地球表面上的照度，取决于太阳在地平线上的高度角，现取高度角为0°到30°几种情况，进行分析计算。

CCD积分时间取为t =2 ms，此时暗电流可忽略不计。

信号噪声为20 e。当ρ=0.05～0.5；

τ大=0.5；

τ光=0.8；

D/f'=1/5.6，

则信噪比的计算值如表1。

表1 信噪比的计算值

从表1值可以看出，对于太阳高度角为0°和5°时，可适当增加积分时间，以满足S/N的要求。选用的CCD，在光学系统选择D /f '=1/5.6时，是可以满足要求的。

2 光学系统的结构形式的确定

经过比较。面阵数字相机光学系统采用对称型结构，结果如图1所示，该系统结构紧凑，机械筒长度短，有利于装调；当环境温度、气压变化时，由于该系统结构的对称性，可以使垂轴像差的变化量部分自动相消，尤其对要求极其严格的光学系统的畸变校正较为有利。

图1 面阵数字相机光学系统图

3 镜头光机结构设计

面阵数字相机镜头，由前镜筒组件、光阑组件、后镜筒组件及快门等部分组成，结构如图2所示。

图2 面阵数字相机镜头结构图

正确的曝光量控制，是相机获得高清晰图像的重要指标之一，只有曝光正确时，景物细节部分才能正确地反映出来，信息丰富，具有较高的判读效果。相机的检光和调光控制，也就是控制像面的最佳曝光量。因此，系统设计了5.6～16连续可调光圈，通过电机组件带动光阑组件运动实现。光圈从最小值增到最大值所需时间＜8 s。光阑直径由电位计检测并反馈。

4 试验结果

加工装调后的镜头，对传递函数进行了检测。检测数据见表2。

表2 传递函数值

镜头安装在平台上，和整机一起进行了振动，高低温，电磁兼容等试验，镜头在试验中始终保持工作正常，成像清晰。图3为装调好的镜头。

图3 镜头实物图

5 结束语

依据技术指标，对无人机载面阵测绘相机镜头的参数设计计算，确定了光学系统的结构形式，对机械结构进行了设计。光学镜头的设计结果满足主要指标要求，该设计达到了高质量、混合光传递函数大于指标0.38；镜头安装在相机平台上，进行了多次试飞，取得了许多高质量的图片。

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