【《双孔径波前编码测距系统的设计及其原理分析》2400字】

双孔径波前编码测距系统的设计及其原理分析1.1双孔径波前编码测距系统的工作原理在前面的章节中，我们重点接受了关于单孔径正交波前编码的工作原理和理论基础，相较于单孔径，双孔径乃至多孔径系统虽然与单孔有着相同的理论依据，但是在长距离，高近场，高精度方面有着广泛的应用.双孔径以及多孔径被动式光学测距系统也常称为线性阵列被动测距系统，它的每一个孔径都是一个独立的正交光学测距系统，当系统视场范围内出现待测目标时，该目标实际上被多个单孔径波前编码测距系统所捕捉，而被一个独立的单孔径波前编码测距系统所得到的象经过一定象移后得到的，以双孔径波前编码测距系统为例，设zo,zi,f,r,d,D图1.1双孔径光学阵列系统的光学结构根据图像，由相似三角形定律，可以算出像差ε有：ε=假设两个传感器是关于光轴对称的，则有：D1=D2=D,ε1i对(17)式进行傅里叶变换，有：I可以看出双孔径光学系统的传递函数就是在单孔径基础上作用上一个余弦调制，因此有：H式(18)即是双孔径波前编码的传递函数，对于三孔径和多孔径，其各个孔径之间的距离以及其在空间中的分布情况过于复杂，此外，孔径过多造成的成本上涨，以及不同孔径之间的加工工艺不同，很有可能造成其他一些不必要的麻烦和误差，因此，如何设计好一个光学系统，使得其能够在满足功能的同时，不引进其他设计误差和成本上升，将是我们下一个小结里重点讨论的内容，也是本文将重点介绍的内容.1.2双孔径波前编码测距系统的设计及其原理与单孔径相类似，双孔径波前正交编码系统是在单孔径的基础上，虽然其光学系统的设计灵活性要比单孔径要更强，但是相较于单孔径，双孔径的两个孔径中心频率不尽相同，因此，确定孔径间最佳间距是双孔径波前编码光学系统首先应该解决的问题.我们已经知道波前编码测距技术的核心是通过光学传递函数次极大值旁瓣对应的空间频率，得到离焦量后最终算出被测物体与探测器之间的距离.由于双孔径传递函数式(19)可以被看做两个部分：单孔径波前编码传递部分和余弦调制部分；因此，不妨将单孔径波前编码的次极大值旁瓣与余弦调制项中的最大值进行重叠，从而产生的双孔径波前编码系统的光学传递函数其次极大值旁瓣最为突出，从而代表的光学系统测距效果最好，根据这个原理，我们可以得到：ε=然而实际情况是，通过对离散空间中的阵列图像进行求和，从而产生了余弦调制项，因此设填充因子或采样周期为100%的CCD的一个像素的宽度为Δxcos联立(20)和(21)式，有：D=余弦调制为周期函数，被缩放k2π,而单孔径OTF不会变化，因此有：D从而，我们得到双孔径波前编码光学系统两个孔径之间的距离.通过调整好两个孔径之间的距离，从而使得余弦调制项的波峰与单孔径波前编码的旁瓣相重合，从而达到消除伪旁瓣的效果，根据之间我们已经推导出的式(19),可以作出当离焦量不同时候的双孔径光学传递函数图1.2不同离焦量下的双孔径波前编码测距所得到的OTF与单孔径波前编码系统相比，双孔径波前编码系统由于存在一个余弦调制项，而在之前我们已经介绍过，双孔径波前编码中包含两个部分：单孔径光学传递函数项和余弦调制项，而由于光学传递函数项的次大值旁瓣与余弦调制项的最大值重合，使得双孔径波前编码的次大值旁瓣越加明显，也使得除了次大值旁瓣的其他部分更加平缓，降低了对“伪旁瓣”的误判，从而提高了光学系统的精确性，我们以离焦量ψ=2π为例，将单孔径与双孔径波前编码系统的OTF对比如图：图1.3不同孔径对同一目标的OTF可以明显看出双孔径OTF的函数副旁瓣峰值相比单孔径更加集中于u=1处，且伪装旁瓣有明显下降，从而使得真旁瓣更加突出，也更集中了.1.3双孔径波前编码测距系统的设计优势和技术分析在确定好双孔径波前编码两个孔径之间的距离后，我们还可以对双孔径的光路以及光阑进行设计，传统的双孔径系统采用两个相互独立的单孔径系统线性排列得到，这对每个独立单孔径系统提出了较为严格要求，同时也增大了系统成本，而借助光学系统设计和多视点拍摄技术，可以设计如下光学系统：图1.4反射式双孔径正交波前编码系统的光学设计如图所示，待测物体所发出或者反射的光线经过两个平行的平面镜系统反射经过同一个光学掩膜之后分别进入不同的光学CCD中，这就避免了由于光学掩膜的细微不同从而导致的误差，提高了系统的精度.另外，在该系统中，平面镜与光轴之间的距离等效于孔径与光轴之间的距离，因此，两个反射镜相当于两个孔径，控制两个平面镜之间的距离相当于控制两个孔径之间的距离.此外，使用平面镜反射还有一个非常明显的优点，且该优点在其他同类双孔径光学系统中都不具备，那就是对高速水平飞行的物体能够稳定跟踪，其原理同转镜式高速摄影机拍摄炮弹飞行姿态时候采用的技术相同：通过计算机控制光学平面镜转动跟踪炮弹的飞行轨迹，从而达到不需要将整个光学系统移动，只需要移动光学平面镜就能稳定跟踪水平高速运动物体，从而完成动态物体的光学正交波前编码测距，扩展了光学系统的应用邻域和系统功能，从而更加提高了光学系统的准确性，降低了误差.(a)转镜式高速摄影机原理图(b)转镜式高速摄影机拍摄炮弹飞行图1.5转镜式高速摄影机原理与拍摄画面除此之外，还可以采用移动单孔径波前编码系统对一个静态待测物体进行两次波前编码成像的方式来达到双孔径波前编码系统的功能，但是该方法仅只能针对静态物体又或者对光学系统运动的时间提出了较为苛刻的要求，并引入了新的误差，不适合作为双孔径波前编码测距系统的设计.由此可以看出，双孔径被动式波前编码测距系统有着更加明显的优势，能