小型化多视场电视摄像系统光机设计研究

针对目前军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的搜索范围和作用距离不断提高的需求特点,通过对成熟电视摄像系统的分析比较,明确了采用小型化固定焦距多视场的结构形式。基于该研究方向,提出一种采用嵌入组合式的前物镜组的光机结构设计思路,可实现固定焦距多视场电视摄像系统小型化的设计方案。通过光学设计、光机一体化设计,最终设计完成了一种光学变倍超过20倍、光轴稳定、四视场共用2个成像器件的四视场电视摄像系统,可满足现有军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的需求。     

一种快速捕获目标的电视跟踪系统设计

兼顾电视跟踪器在实时性和稳定跟踪两方面的要求，设计了一种基于DSP的跟踪测量电视平台．系统主要利用模拟电视信号输出特点，在电视场周期内完成目标及背景图像数据的采集；利用FIFO作为图像数据缓冲器，设计DSP与其接口完成对数据的快速读取及目标位置计算．该系统经工程验证，能够快速捕获目标并实现目标稳定自动跟踪．     

中国科学院西安光机所科技成果介绍之五

112高速电影经纬仪是一种新型高速外弹道光学测量设备。它主重用于测量飞行目标的运动轨迹和摄影记录飞行姿态。全套仪器设备由经纬仪跟踪架、高速同步摄影机、电视自动跟踪测量摄像机、激光测距机和电子学控制系统等组成。     

成像系统倍率高精度测量技术研究

针对目前尚无高精度通用倍率测量方法与装置的问题,提出了基于双光纤点衍射干涉仪的成像系统倍率高精度测量方法。通过分析双点光源间距、CCD相机空间位置与点衍射干涉场相位Zernike多项式系数之间的定量关系,得到物面光纤间距和像面光纤像点间距的纳米级精度测量值,进而完成对倍率的高精度测量。分别进行仿真分析和实验验证,证明了所提测量方法的可行性和稳定性。结果表明,倍率测量的扩展不确定度为2.64×10-6。所提出的成像系统倍率高精度测量方法具有测量精度高和测量效率高的特点,且具备高可靠性,可以用于显微物镜、光刻投影物镜等高精度成像系统倍率的超高精度测量。     

基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法

像面干涉高光谱成像技术主要应用于遥感成像领域,为了实现不同距离目标的光谱成像探测,提出了一种基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法。通过在无限远成像系统中加入前端成像物镜、中继准直物镜和横向剪切分束器,构建一个二次成像的干涉系统。通过采用分离式的前端成像物镜方案,选用变焦镜头或不同焦距的定焦镜头,有效地兼顾远、近距离目标的成像光谱探测。对该方法的成像系统、光谱分辨率和推扫方式等方面进行了分析,进一步搭建了实验装置,对室内近场目标和室外远场目标进行了成像实验,并对生物组织进行了显微光谱干涉成像实验。实验结果表明,该成像方法能够有效用于不同距离目标的高光谱成像探测。     

高速电视测量光学系统设计及其在航天靶场中的应用

高速电视测量仪主要用于完成导弹和运载火箭发射试验任务中点火、起飞、飞离塔架过程中横向漂移量测量以及初始段高精度弹道测量、高帧频实况景象记录任务。为适应航天靶场测控任务的需要,持续提升我国航天靶场的光学测控水平,设计了一套焦距为25~350 mm的连续变焦光学系统。该系统可以根据不同的任务需要和布站条件,改变镜头焦距,调整摄像机的视场,确保目标在视场中成像占一定比例。另外,该系统增加了高速电视测量仪的跟踪测量距离,并有效解决了定焦光学系统相机成像时容易出现倒影、重影以及存储图像上有干扰条纹现象等问题。     

电视经纬仪跟踪测量中运动目标快速识别定位算法

为解决电视经纬仪跟踪测量系统中对运动目标快速识别定位的要求,在深入分析运动目标特性和电视经纬仪跟踪测量系统特点的基础上,利用经纬仪角度变化信息,对运动目标图像序列进行帧间差值计算以获得目标残差图,并基于残差图提出了一种新型的运动目标快速识别方法,大大减少了运算量. 结合中值滤波和图像二值化,实现了运动目标的快速定位. 通过对目标实测图像序列的实验, 结果证明：该算法具有快速、稳定、有效等优点,能够满足电视经纬仪跟踪测量系统对运动目标快速识别定位的要求.     

长焦距面视场同轴三反望远物镜设计

随着Skysat-1卫星的成功发射,高分辨率视频相机是目前竞相开发的卫星有效载荷。为降低成本、适应小卫星平台,亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场成像的长焦距光学系统。研究与设计了适于面视场成像的全视场同轴三反望远物镜,解决其固有的二次遮拦和像面引出困难等问题。由近轴几何光学理论,导出消除二次遮拦的条件和系统总长与三镜中继成像倍率的关系,讨论并得到合理的三镜中继成像倍率等参数。利用出瞳附近处的平面镜,无遮拦地引出像平面,同时用平面镜组折叠光路,减小系统总长。给出了确定初始结构参数的方法与结果,优化设计得到了有效焦距、视场角、F数分别为10m、1.1°×1°、14.3的无二次遮拦光学系统,其总长约为有效焦距的1/8,成像质量接近衍射极限。     

变焦距物镜的小型化

本文认为高斯光学是变焦距物镜的基础。当然对于变焦距物镜的小型化更应重视这个基础。在设计变焦距物镜时对其必须加深理解,选好初始参数,否则影响将是根本的。一般的军用望远系统变焦距物镜的特点是:小视场、低倍率、长焦距。例如,1.5~x变焦距指挥镜,其变焦比只有1.5~x,视场角为7°,但长位置焦距为358.14mm。所以,要使1.5~x变焦距物镜结构尺寸小型化并非是一件容易的事情。     

用DKM3经纬仪测量180/185微光标校跟踪电视光学系统的焦距和畸变

用于航摄测量,大地测量和星体测量等方面的精密光学仪器,在出厂前必须进行完整地校准和检验,以便确定它们的焦距、畸变量,并且在允许的范围之内给出畸变量的修正值。本文介绍了利用高精度光学经纬仪来测量跟踪电视光学系统的焦距和畸变,并对测量精度进行了分析。指出了测量中需要注意的几个主要问题。     

可见光变焦距电视光学系统设计

基于高斯光学理论准确选择高斯解,并采用机械补偿机构,实现了连续变焦.设计了一种焦距为20 m~200 mm可见光变焦距电视光学系统,视场角为22.62°~2.3°.系统的极限分辨率达59.5lp/mm.经过像差校正后,60lp/mm处的MTF大于0.4.     

捕获电视的精确调焦

介绍捕获电视调焦系统精确调焦的设计与实现.简要介绍了用于ST16160变焦距镜头手动与电动调焦控制的两种方式,调焦系统的组成.着重分析了捕获电视调焦系统基于距离信息,利用软件补偿提高系统跟踪精度的思路及设计方法.该方法成功地应用于Askania电影经纬仪捕获电视调焦系统中,取得了很好的效果.     

用于精密测量的自动变焦系统及标校方法的研究

介绍了变焦距镜头在高速电视测量仪中用于精密测量的控制和标校方法.系统主要采用PC104系统核心模块,运动控制卡,以及步进电机来实现对变焦系统的精确控制,再加上对镜头的精确标校修正镜头自身的系统误差,从而使得基于变焦距镜头的高速电视在用于弹道测量中成为可能,大大提高了靶场测量准确度.     

一种新型高速电影经纬仪

112高速电影经纬仪是一种新型的高速光电跟踪测量设备,可用于快速飞行目标的轨迹测量和姿态记录,单台完成定位,并有实时输出的功能。该设备与传统的电影经纬仪相比,具有明显的特点,它采用双反射镜跟踪的结构方式,减少了运动部分的惯量,并提高同步数据采集处理速率到200次/秒和高速同步摄影频率到200f/s,有利于高速跟踪测量。该设备采用电视跟踪、计算机程序控制、单杆操纵等多种跟踪方式,可根据不同的目标特性方便地选用或组合使用,可靠地完成对目标的自动捕获和跟踪测量,最大跟踪速度为90°/秒,最大跟踪加速度为90°/秒²。本文还介绍了该设备在靶场使用情况。     

基于大地坐标的目标脱靶量交汇测量方法

为提高目标的交汇测量精度,提出了一种基于大地经纬度坐标的数据交汇方法。在交汇测量系统中,根据靶心和电视经纬仪的大地经纬度和高程,建立了空间直角坐标系。当目标进入电视经纬仪视场时,电视经纬仪从视频图像中捕获目标,提取目标方位角和俯仰角;根据交汇测量模型,计算出了目标在靶心坐标系下任意时刻的空间位置坐标。该方法已应用到了试验靶场飞行目标脱靶量测量系统中。实测结果表明,该方法可实时测量目标脱靶量,相对测量误差<10-4,具有较高的测量精度。     

一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统

依据高分辨率电视图像导引头瞬时视场和作用距离的要求,结合选定相机的光敏面尺寸等,计算并确定了光学系统的焦距范围,根据光学系统分辨率以及结构尺寸等要求,确定了光学系统的F数,选择机械补偿法、负组补偿的变焦结构,给出焦距分配过程,最后,给出了焦距为40 mm～152 mm、F数为3.5的连续变焦光学系统的设计结果。设计结果表明:在整个变焦过程中,光学系统的传递函数值在106 lp/mm处达到或接近0.4,像面稳定,像质良好。     

紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，设计了一个30×连续变焦光学系统。介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路，不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况，还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变。实验结果表明:该系统工作波段3.7 μm~4.8 μm，可以实现18 mm~540 mm连续变焦，全焦距范围内的离焦量都在焦深以内，长焦段最大畸变接近于0，短焦段最大畸变小于3%。该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点，可用于红外光电探测和跟踪系统。     

补偿电视摄像机连续变焦中光轴偏移的一种新方法

针对光电侦察系统中电视摄像机在连续变焦过程中产生光轴线偏移问题,提出了采用曲线拟合电子动态补偿技术,运用软件编程方法较好地解决了电视摄像机连续变焦产生的光轴偏移。结果表明:该方法具有较好的鲁棒性,对设计类似的系统具有一定的指导意义。