一种新型相位-图像复合被动检测调焦机构设计

赵 野，高 扬，程少圆

(北京空间机电研究所，北京 100094)

引言

地基大口径光电测量系统是一种适于军用靶场的高精度光电成像测量设备，主要完成目标的实况记录，实现目标方位角、俯仰角、姿态变化和目标辐射特性的测量。光电测量系统主要用于对飞机、导弹、卫星等飞行目标的高清成像以及高精度测量。时至今日，现代光电测量系统仍在航空航天、国防军事和科学研究等领域中发挥着重要的作用，常用的地基经纬仪如图1所示。地基光电测量系统跟踪测量目标，系统往往处于高速运动状态，完成对近距离目标的测量成像任务。光电测量成像系统若不能实时对光学系统调焦，将导致图像模糊，进而对目标弹道数据测量、姿态测量和目标辐射特性测量产生不利影响[1-5]。

传统光电经纬仪调焦主要依靠手动模式调节，人眼主观地判断图像清晰与否，控制操作调焦机构实现光电系统的调焦。手动调焦最大的弊端是操作人员的主观性很强，调焦快慢取决于人员的熟练程度，自动化和智能化不足，远远满足不了现代信息化系统靶场建设的要求[6-8]。

图1 地基经纬仪

目前，光电测量系统的调焦方式主要有距离调焦和温度调焦。距离调焦是靶场上常见的主动式调焦方法，主要是利用激光测距仪高精度的测距，完成高精度的调焦。该种调焦需要发射和接受激光，调焦精度高，但主动发射信号方式容易受天气影响且易被反侦察和信号干扰。另外，大口径光电经纬仪的调焦方式是温度调焦。由于系统尺寸较大，易受到工作环境温度变化的影响，系统的理想焦面位置受温度变化影响较大。光电测量系统在出厂之前，需要进行大量的实验标定，对不同温度离焦情况进行拟合，完成温度调焦量的计算。温度调焦存在大量的标定任务，工作量大[9-14]。

基于上述考虑，本文提出一种新型相位-图像复合被动调焦方法，该检测调焦方式属于被动式，通过检测调焦系统对图像信息的处理，配合相应的自动搜索算法，计算出需要的调焦量，最终找到最佳焦面位置，该检测调焦方式无需测距激光器辅助设备，大大节约了成本，同时也不必对每个温度进行标定，适用范围广。

1 自动调焦系统设计

1.1 成像光学系统设计

从国内外大口径光电测量系统的主光学系统结构来看，属于长焦距，小视场射远型成像系统。考虑到当今对多波段成像的要求，大多采用反射式结构。发射式结构的最大特点是大孔径且无色差。现在靶场常用的是主次镜组合的双反射系统，常见的双反射系统主要有两大类：第1类是牛顿式，该系统主反射镜为抛物面，次镜为平面，牛顿式结构可以实现对无限远的轴上点无像差成像，但轴外像差较大且同等规格下系统较长，使用不方便。第2类是卡塞格林式，该结构由主反射镜为抛物面和次镜为双曲面的透镜组成，系统对无限远的轴上点无像差成像，镜筒短、焦距长、结构紧凑，更适合作为大口径的光电测量设备。

图2是大口径光电测量系统主光学系统结构形式。从图2可以看出，在口径和焦距相同时，卡塞格林系统主镜筒更短，系统设计更为紧凑。基于上述考虑，本文中样机的设计将采用卡塞格林式结构，样机光学系统主要指标如表1所示。

图2 经纬仪主光学系统结构形式

表1 光学系统主要指标

图3给出原理样机的成像光学系统的光路。在表2中给出该光学系统的成像参数。

图3 成像光学系统

表2 成像系统参数

1.2 检测调焦系统设计

成像主光学系统实现目标光能的汇聚，利用分光棱镜对成像光线和检测调焦光线进行分光，分离的部分光线用于检测调焦系统。成像与检测调焦同时进行，满足实时检测调焦的设计要求。其光机结构如图4所示。

表3给出了检测调焦系统的光学设计参数。

表3 检测调焦系统参数

2 调焦精度测试与分析

为了验证复合被动式检测调焦系统检测调焦精度，加工装调原理样机实物图如图5所示。

图4 混合检测调焦样机光机结构

图5 检测调焦样机实物图

复合被动式检测调焦的整个工作数据处理流程如图6所示。

图6 混合调焦流程图

当光学系统从500 m处向无穷远调焦，系统整个调焦量约为2.53 mm。系统采用经典地变步长爬山法，该种调焦方法属于图像检测调焦，其检测调焦的效率和初始步长的设置密切相关。检测调焦开始时，首先设置步长为0.2 mm，检测调焦经过13步后越过图像的峰值，然后减小步长，对图像进行反向搜索。搜索到最佳焦点附近0.02 mm 范围内时，图像处理20步。可推断若采用小于0.2 mm的采样步长，图像调焦过程将需要更多次采样；相反，若使用大于0.2 mm初始步长，总采样次数有所减少，但折反次数会更多，导致传动机构的回转误差增大，影响调焦精度。不同步长的检测调焦结果如表4所示。

对于上述需求，使用本文所提出的复合调焦方案，仅仅4步就能完成检测调焦过程：首先利用裂像相位法调焦，检测调焦探测器进行采样和图像增强处理，完成相位差运算，传输指令使电机快

表4 调焦效率对比

速驱动到达焦点附近；其次利用图像探测器采样3次，并计算评价函数的结果，经过曲线拟合运算，快速找到最佳焦点。在整个检焦调焦过程中，都是顺序采样。

3 结论

本文对光电测量系统相位-图像复合检测调焦方案的可行性进行了分析，设计了检测调焦光学结构，加工并搭建了实验装置，对系统进行了实验室标定，完成了相应的数据处理和结果分析。结果表明，该系统的相位调焦精度优于0.08 mm，复合调焦精度优于0.02 mm，满足光电测量系统高精度调焦的需要。同时，相比于传统的图像调焦，复合调焦具有更高的时效性。