無人機載面陣數字相機光學鏡頭設計

蔣 寧，賈繼強，金燦強，謝 斌

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；2.空軍航空大學 航空機械工程系，吉林 長 春130022）

無人機載面陣數字相機，是以無人機為平臺，以面陣數字相機為信息獲取的主要有效載荷，實時獲取測繪保障所需要的立體影像數據，通過攝影測量處理，實現目標的快速精確定位、測繪信息產品的快速更新以及各類應急任務的測繪保障等。受無人機體積的限制，要求面陣測繪相機滿足體積小、質量小、分辨率高的要求。作為相機的重要部件，光學鏡頭的品質，直接影響相機的成像品質和測繪精度。

1 面陣數字相機光學鏡頭的參數確定

針對具體的技術要求指標，對面陣數字相機光學鏡頭的參數進行了設計計算，設計波段為0.50～0.75μm，中心波長為0.656 3μm。系統的畸變設計值，在各個視場范圍內均小于3μm。具體技術要求如下：

面陣數字相機像元數≥4 k×4 k；

像元地面分辨率≤0.5m（飛行高度為5000m時）；面陣數字相機視場≥23.15°×23.15°；

圖像灰度量化等級256；

波段范圍0.5～0.75μm全色波段；

混合光傳遞函數≥0.38。

1.1 焦距

焦距是一項重要參數，不僅直接影響系統的性能，而且直接影響儀器的體積和重量。面陣CCD靶面尺寸確定后，焦距值與地面像元分辨率及飛機航高有關，理想成像關系為

式中，

f'為鏡頭的焦距；

a為CCD像元尺寸；

H為航高；

GSD為像元地面分辨率。

我們選用的面陣CCD為4 096×4 096，像元尺寸為0.009 mm，航高為5 000 m，像元地面分辨率指標為0.5 m，經過計算，可得鏡頭的焦距：f'=90 mm。

1.2 視場角

視場角是光學系統的重要參數，因為其大小代表著航空照相過程的效率及其經濟效果。相機的視場角2α 由下式計算：

式中，

D為CCD邊線長度；

f'為鏡頭焦距。

經過計算，

D =0.009×4 096=36.864 mm；

f'=90 mm；

由于選用的面陣CCD像元數為4 096×4 096，所以CCD靶面的兩個邊長相等。即視場角為23.15°×23.15°，滿足技術指標的要求。

1.3 相對孔徑

光學系統相對孔徑，決定了理論分辨率和探測器靶面照度。在滿足分辨率的前提下，要根據靶面照度來選擇CCD探測器。初步選取

現從能量的角度來分析所選CCD的實用性。

像元面積Sp=8.1×10-11m2；

暗電流50e/pixel/sec(e—電子)；

本底噪聲20e(e—電子)；

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

對應的平均波長λa=0.51μm

CCD靶面上的照度公式為

其中，

對我們來說，我們的工作除了要將優秀的設計提供給像酒店、地產商這樣專業的客戶，我們更要嘗試把優秀的設計帶進更多人的生活中去。以我自己的WS SPACE 無·集為例。這里是一個能夠用設計感染人的空間。在這里設計和人們之間幾乎沒有距離，在這里你可能喝完一杯咖啡就發現眼前的杯子能給你此時此刻帶來一絲愉悅，這其實就是所謂的設計走進生活。同理，你在這里聞到某個香薰時，它也會給你帶來片刻的聯想以及所謂的氛圍營造。我個人很喜歡用這些小的東西去影響、感染別人，而我設計這個空間的目的就在于將設計與美的東西帶給更多人。

E地為地面目標的照度，lx；

ρ為地面目標的漫反射系數；

τ大為大氣透過率；

τ光為光學系統透過率。

CCD單個像元所產生的電子數為

其中，

Vλ為λa的視見函數值；

h為普朗克常數；

c為光速。

λa的視見函數值Vλ=0.503；

h =6.626 2×10-34J·s；

光速c=2.997 9×1011mm/s。

太陽輻射在地球表面上的照度，取決于太陽在地平線上的高度角，現取高度角為0°到30°幾種情況，進行分析計算。

CCD積分時間取為t =2 ms，此時暗電流可忽略不計。

信號噪聲為20 e。當ρ=0.05～0.5；

τ大=0.5；

τ光=0.8；

D/f'=1/5.6，

則信噪比的計算值如表1。

表1 信噪比的計算值

從表1值可以看出，對于太陽高度角為0°和5°時，可適當增加積分時間，以滿足S/N的要求。選用的CCD，在光學系統選擇D /f '=1/5.6時，是可以滿足要求的。

2 光學系統的結構形式的確定

經過比較。面陣數字相機光學系統采用對稱型結構，結果如圖1所示，該系統結構緊湊，機械筒長度短，有利于裝調；當環境溫度、氣壓變化時，由于該系統結構的對稱性，可以使垂軸像差的變化量部分自動相消，尤其對要求極其嚴格的光學系統的畸變校正較為有利。

圖1 面陣數字相機光學系統圖

3 鏡頭光機結構設計

面陣數字相機鏡頭，由前鏡筒組件、光闌組件、后鏡筒組件及快門等部分組成，結構如圖2所示。

圖2 面陣數字相機鏡頭結構圖

正確的曝光量控制，是相機獲得高清晰圖像的重要指標之一，只有曝光正確時，景物細節部分才能正確地反映出來，信息豐富，具有較高的判讀效果。相機的檢光和調光控制，也就是控制像面的最佳曝光量。因此，系統設計了5.6～16連續可調光圈，通過電機組件帶動光闌組件運動實現。光圈從最小值增到最大值所需時間＜8 s。光闌直徑由電位計檢測并反饋。

4 試驗結果

加工裝調后的鏡頭，對傳遞函數進行了檢測。檢測數據見表2。

表2 傳遞函數值

鏡頭安裝在平臺上，和整機一起進行了振動，高低溫，電磁兼容等試驗，鏡頭在試驗中始終保持工作正常，成像清晰。圖3為裝調好的鏡頭。

圖3 鏡頭實物圖

5 結束語

依據技術指標，對無人機載面陣測繪相機鏡頭的參數設計計算，確定了光學系統的結構形式，對機械結構進行了設計。光學鏡頭的設計結果滿足主要指標要求，該設計達到了高質量、混合光傳遞函數大于指標0.38；鏡頭安裝在相機平臺上，進行了多次試飛，取得了許多高質量的圖片。

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