基于传感器的经纬仪自动变焦系统设计

尹宏建，高慧斌

（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.中国科学院大学，北京 100039）

0 引言

光电经纬仪是对目标进行实时跟踪测量的光学设备，而跟踪的目标往往是动态的，因此，目标与经纬仪之间的观测距离也在不断变化，目标在视场中的大小就会随之变化，如果目标速度不大，运动过程中距离变化不是很明显，对观察结果不会造成太大影响;相反，如果距离变化超出一定范围，目标在视场中成像大小就会有很大差别，这对于观察目标的飞行姿态、尺寸形状，观测目标速度都是不利的［1］。

为了使目标在视场中成像大小保持不变（或基本不变），需要引入变焦技术。目前，经纬仪采用的方法都是手动变焦。手动变焦主要存在以下不足:1）画面会存在“跳跃”感，即不能实现稳定平滑变焦;2）变焦需要人为控制，实时性不高;3）不能把人从简单重复工作中解脱出来，浪费人力资源［2］。

基于以上原因，本文设计了一种基于传感器的自动变焦系统，由距离传感器传回的距离信息控制整个系统自动变焦，为以后的变焦技术提供了一种新思路。

1 自动变焦原理

光学变焦是依靠变焦距镜头来实现的，变焦距镜头通常是由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组四光组组合的光学系统。变焦过程中前固定组和后固定组固定不动，变倍组做线性移动改变目标成像大小，补偿组做相应非线性移动补偿像面偏移。

根据镜头透射原理

式中f为变焦距镜头焦距，即四光组组合的光学系统焦距;D为观测目标距离;h为CCD（charge-coupled device）图像传感器高度;H为观测画面的实际高度。

其中，D可以由距离传感器测量，h在选用器件后为已知，H根据工程的实际需要可以设定。例如:要求对一个移动中的人物进行观察，并且希望其在视场中成像大小不变，假设人物高度1.70 m，由常识可知，要想清晰观察一个人物，人物高度约占画面高度2/3，由此知，观测画面实际高度H为人物高度1.5倍，为2.55 m。这样，对于指定工程，每次测距传感器传回一个距离值，就可以算出焦距值，而对于其他工程，重新设定H参数，同样适用。

由变焦距光学系统理论公式可知，还要满足如下关系

式中f1，f2，f3分别为前固定组、变倍组和补偿组的焦距;L1变倍组与补偿组的距离;L2固定组与补偿组的距离;f为光学系统焦距［3，4］。

由式（1）～式（3）联立可得

由式（4）、式（5）可知，由距离传感器每传回一次距离值，就可以知道变倍组与补偿组的准确位置，通过电机驱动组元到计算出的位置，从而达到自动变焦的目的［5］。

将系统光学参数代入式中，取H=2.25 m，得到变倍组与补偿组的位移曲线，如图1所示。

图1 变倍组与补偿组位移曲线Fig 1 Displacement curve of magnifier and compensation groups

2 硬件系统

2.1 变焦系统方案

自动变焦控制系统如图2所示，TMS320LF2407是设计系统的控制核心，电源提供DSP所需+5 V供电，管理计算机与DSP进行串行接口通信，距离传感器输出距离信号，经过放大，A/D转换电路作为DSP输入信号，驱动各自歩进电机带动变倍组、补偿组移动。电位计把组元位置信息反馈回 DSP，形成闭环控制［6～8］。

图2 自动变焦系统原理框图Fig 2 Principle block diagram of auto-zooming system

2.2 距离传感器

距离传感器是利用“飞行时间法”的原理来实现测量距离，以检测物体距离的一种传感器。距离传感器发射短的光脉冲，通过测量发射和物体反射回来的光脉冲时间间隔来计算距离。

本文实验测量用的是深圳思信科技有限公司的SRF200M01A—H激光测距传感器，其最大量程为1500 m，精度为0.1 m，传感器采用 RS—232接口，波特率为9600，工作供应电压9.24 V。

2.3 硬件电路设计

本自动变焦系统采用的主控芯片为TI公司的16位DSP芯片 TMS320LF2407，其内部集成外设有:32 kB的FLASH程序存储器;能达到40 MIPS的执行速度，指令周期25 ns;2.5 kB的数据、程序RAM，可扩展的外部存储器为192 kB（程序、数据、I/O空间各64 kB）;定时器;看门狗;EV管理器;串行通信接口SCI，串行外设接口SPI，控制区域网络CAN;8或16通道可选的10位A/D转换器［9］。

激光测距传感器为本系统提供了关键的自动变焦信息，由于选用激光测距传感器有RS—232串口可以直接和DSP连接。串行通信接口电路如图3所示［10］。

图3 串行通信接口模块原理图ig 3 Principle diagram of serial communication interface module

本系统采用歩距角为1.8°，型号35BY007步进电机。电机驱动选择型号UP—4HB03M，适用四相混合式和两相六抽头混合式步进电机，PWM恒流控制，可选择16细分或四相八拍2种方式，驱动电流0.3A。驱动电路如图4所示，TMS320LF2407的I/O口输出脉冲信号，控制UP—4HB03M，UP—4HB03M的CP为步进脉冲输入端，上升沿有效;FREE端为驱动器脱机端，当FREE=1时，电机处于释放状态;U/D为步进电机的运行方向控制端，当U/D为高电平时，电机正转;否则，电机反转。

3 软件流程设计

本系统软件包括主程序、初始化程序、中断服务子程序、步进电机控制子程序。初始化程序主要负责初始化串行通信接口、看门狗、定时器等工作;中断服务子程序主要负责接收串行通信接口传输的距离信息;步进电机子程序控制变倍组和补偿组的移动。主程序如图5所示。首先，系统进行初始化，等待串口数据到来，检查距离值和前一采样距离值是否相等，如果相等，说明目标没有移动，不需要进行变焦处理;否则，计算此距离下目标成像大小基本不变要求的系统的焦距，然后向变倍组和补偿组步进电机发出脉冲信号，电位计返回2组元位置信息与理想值比较，若误差较大，则继续移动;若误差达到工程允许范围，则结束变焦程序。

图4 步进电机驱动电路原理图Fig 4 Principle diagram of drive circuit of step motor

图5 程序流程图Fig 5 Flow chart of program

4 实验与结果分析

实验选用变焦镜头短焦150mm，长焦1500mm，10倍变焦。由式（1）知，目标成像大小能基本恒定的距离为79.6875～796.875 m。CCD 尺寸宽为6.4mm，高为4.8mm，观察目标为速度40～50km/h的汽车，取H为2.25m。将计算所得理论值与实际值进行对比，如表1所示。

由表1知，系统精度在0.02 mm左右，分析原因主要是因为TMS320LF2407自身ADC为10位精度，电位器长度25 mm，供电电压5 V，ADC的分辨率为0.004 88 V，A/D 转换误差为0.00488×（5/25）=0.024 4 mm。如果采用精度较高的专用ADC芯片，系统的控制精度将会更高。

对移动中的汽车进行自动变焦观察，截取观察过程中的四帧图像，如图6所示，系统的实时性令人满意，目标在观察距离（79.6875～796.875m）中快速移动时，在视场中成像大小基本恒定，满足设计和工程要求。

5 结论

本文采用激光测距传感器，设计了以TMS320LF2407为控制核心的自动变焦系统，此系统具有体积小、可靠性高、功耗低、控制精度能达到较高要求等特点。提出了一种自动变焦的理论方法，进行了硬件电路和软件流程的设计。结果表明:控制精度达到0.02 mm，对快速移动中的物体实现自动变焦，维持目标在成像面上大小基本不变，验证了方法的可行性和可靠性，为以后的自动变焦系统设计提供了一种新的思路。

表1 实验测试对比Tab 1 Contrast of experimental test

图6 自动变焦过程中图像Fig 6 Image in the process of auto-zooming

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