基于双目视差的测距系统设计

　　0　引　　言

　　本文所研究的基于双目视差原理的测距仪采用被动式测距,具有体积小、重量轻、可测量300~8 000 m大范围距离、精度高达1%、晶体管直接读数、操作方便、不易暴露己方目标等优点。

　　1　工作原理

　　本文所研究的测距望远镜利用双目视差原理,用CCD接收相距臂长b的两路光路对同一物体所成像,经过ARM作信号匹配得到微小像差x,利用此微小像差与距离L之间的线性关系,得到所测物体的距离。如图1所示。设物体上一点A,经过两路光学系统后,被CCD接收,根据三角形相似原理,可得:

即在臂长b与焦距f′确定的情况下,被测距离L与微小像差x成反比。

　　2　系统设计

　　2.1　光学设计

　　式(2)两端对x微分,整理后得:

　　由式(3)可见:臂长b越长,相对误差ΔL/L越小,精度越高;焦距f′越长,相对误差ΔL/L越小,精度越高;被测距离L越大,相对误差ΔL/L越大;CCD像素尺寸越小,相对误差ΔL/L越小,精度越高。

　　仪器要求相对误差ΔL/L=1%,测量范围300 m≤L≤8 000 m。若设计臂长b=1 m,且系统采用TCD1501D型CCD为接收器件,像元大小7μm,有效像元个数5 000个,有效长度35 mm。即7μm≤Δx≤35 mm,同理x≤35 mm。取Δx=7μm,L=10 000 m,b=1 m,ΔL/L=1%,代入式(3),得f′=7 000 mm。

　　为了减小像差、球差、色差等,根据系统要求和实际产品,选用俄罗斯产鲁比纳尔300/4.5照相镜头和国产25mm摄像镜头。

　　2.2　机械部分设计

　　仪器外型为T字形,需要2组共4个镜头,每组镜头安装在中空铝管两端,可通过螺纹微调距离,将2组镜头分别放置在横臂的两端,在第二个镜头之后,横臂中部,各添加一面平面镜转折光路,以缩小仪器总体尺寸,方便测量。

　　2.3　电路部分设计框图

　　在T字型纵臂底部调焦面上放置CCD来接收信号,信号经过放大、A/D转换等处理,在ARM中进行信号匹配,得出被测距离,然后通过数码管显示出来。系统电路框图如图2所示。

　　3　误差分析

　　测距仪的误差主要有原理误差、光学误差以及机械误差。

　　(1)原理误差

　　成像公式:焦距f′不变,物距即被测物体l变化,像距l′变化,接收器CCD放在固定位置,除过调焦面以外,其余距离物体所成的像都是一个弥散斑。弥散斑会使信号变得模糊,频谱变得平滑,造成匹配困难,产生误差。减小原理误差的方法是调焦时尽量对较远距离,即成像较小处调焦,将弥散斑/测量量控制在一定范围内,本系统测量范围,在4 000 m处调焦。