经纬仪分离透镜法自动调焦模型建立与分析

　　1　引　言

　　光电经纬仪是现代化靶场用来测试外弹道数据和飞行状态的一种光学测量仪器[1],主要采用摄影和电视跟踪系统对空中飞行目标进行连续跟踪和测量。由于飞行目标距离不断变化,为使摄影和电视跟踪系统始终能得到清晰的像,系统中自动调焦机构是必不可少的[2-3]。现在诸多经纬仪是由雷达或激光测距机送来的距离信息来控制调焦机构,但由于外界温度影响,透镜焦距随温度变化而变化,从而使调焦产生偏差。目前主要采用温度修正系统利用补偿公式根据外界温度变化进行调整,但因计算公式经验不足,常需要在外场实际应用中加以修正,且效果差精度低,给使用带来很多不利因素。为解决此问题提出了分离透镜法自动调焦方案,通过检测经纬仪的成像信息进行调焦。此方案为被动式检焦,与经纬仪传统调焦方案相比具有受外界环境影响较小、结构简单、精度高的特点。

　　2　模型建立

　　2. 1　基本结构

　　经纬仪的调焦系统主要根据检焦系统提供的离焦信息移动放置在望远光路中的准直物镜来实现调焦的。以牛顿式结构经纬仪(如图1所示)为例,光线经望远主镜与反射镜后成像于第一像面,调焦系统需移动准直透镜使其前焦面与第一像面重合,保证进入后方处理机构的光线为平行光。

　　为判断第一像面与准直透镜间的离焦量并使其重新重合,从第一像面后光轴处分离部分能量(或波长)经分离透镜成像于CCD上(如图2所示)。

　　这样可以尽可能地避免轴外杂散光的干扰,提高信噪比,但必须同时保证准直物镜与分离透镜和CCD在两个轴向上同步运动。系统通过检测CCD上两成像光斑间距离来判断离焦量。以对焦准确时(即第一像面与准直透镜前焦面重合)CCD上两光斑距离AB作为基准,当第一像面位于准直物镜前焦面前方时,CCD上两光斑间距小于AB,当第一像面位于准直物镜前焦点后方时,CCD上两光斑距离大于AB。根据CCD上两光斑的位置的距离与AB的差值,由数据处理系统计算出准直镜前焦点离开经纬仪第一像面的距离,以及离焦方向。分离透镜,CCD,后方数据处理系统共同组成调焦机构的检焦部分。调焦控制系统根据离焦信息同步移动准直镜与检焦系统直至对焦准确。

　　2. 2　数学模型建立

　　如图3(a)所示,当对焦准确时,光束经分离透镜成像于CCD上A,B处,此时第一像面经分离透镜成像的物距为l,像距为l′。设分离透镜焦为f,其中心与光轴间距为h。当离焦量为δ时, CCD上像点位于A′,B′处,与A,B分别产生d/2的偏移。