王陸，王藝梅

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

現(xiàn)有獲取目標位置信息的方法主要分為主動式測距和被動式測距兩種。主動式測距大部分是通過發(fā)出某特定波長的電磁波，并通過回波與出射波的時間差推導(dǎo)出探測器與被測目標之間的距離。例如，激光測距、超聲波測距等。該方法由于是主動發(fā)出探測波，所以容易被對方截獲，并加以利用。被動式測距主要是通過接收被測目標所發(fā)出的某一特定波段的信號，從而達到對目標測距。現(xiàn)有被動式測距系統(tǒng)往往采用多系統(tǒng)立體式探測的方法，通過坐標系解算從而得到被測目標的相應(yīng)信息［1］。例如雙平臺被動測距等。但是此類傳統(tǒng)測距系統(tǒng)機構(gòu)復(fù)雜，造價較高，不利于機動探測。

本文提出的單站被動式光學(xué)測距系統(tǒng)是以周掃描系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過半反半透鏡對光學(xué)系統(tǒng)進行“鏡像”，從而虛擬出另一套成像光學(xué)系統(tǒng)，并根據(jù)坐標系推導(dǎo)解算出探測器與被測目標之間的角度信息和距離信息，從而達到單站被動測距的效果［2］。該系統(tǒng)方法簡單，移動性好，適用于紅外、激光、可見、紫外等多種系統(tǒng)。

1 單站被動式光學(xué)測距系統(tǒng)

1.1 測距原理

最為經(jīng)典和復(fù)雜的被動探測系統(tǒng)即為“人眼”。它通過兩只眼睛的相互配合從而達到對目標進行空間定位的效果。

圖1 人眼立體視差示意圖

若物點A到基線的距離為L，則視差角θα為：

不同距離的物體對應(yīng)不同的視差角，其差異Δθα稱為“立體視差”。傳統(tǒng)的被動測距系統(tǒng)正是參考該原理，通過建立雙站或者多站被動式光學(xué)測距系統(tǒng)，對同一目標進行觀測，從而推導(dǎo)出基線與目標的距離和方位、俯仰角度等信息［3］。然而，該方式需要兩套或更多固定在特定位置上的測距系統(tǒng)進行組合測距。對于人力和物力的耗費都比較大，并且只能對特定區(qū)域進行覆蓋，不利于機動探測。

故此，文中提出了一種通過同一探測系統(tǒng)經(jīng)折反系統(tǒng)對同一物體從不同角度進行二次探測方法，從而達到人眼立體成像的效果［4］。該方式可以獨自完成被動測距，機構(gòu)簡單、造價低廉，便于機動探測，如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)組成與公式推導(dǎo)

系統(tǒng)主要由周掃描系統(tǒng)、光闌、半反半透鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)等組成。在光學(xué)成像系統(tǒng)前方以一定距離處（此處以45°為例）放置一個半反半透鏡（保證系統(tǒng)二個光路全部無遮擋。），并在半反半透鏡前分別放置一個可變光闌［5］。周掃描系統(tǒng)正常工作情況下（主光闌開啟，側(cè)光闌關(guān)閉。），當(dāng)探測到目標并記錄下目標方位角α1后（可由轉(zhuǎn)臺讀出方位角），將系統(tǒng)進入第二圈周掃狀態(tài)（同時關(guān)閉主光闌，開啟側(cè)光闌。），記錄下被測目標第二次的方位角α2。

已知，光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距 f′，半反半透鏡與探測器的距離D，被測物體與半反半透鏡片的距離為L，根據(jù)正弦定理可知：

文中為處理方便，選取了特定位置進行計算，取Δα=|α2-α1|。在實際探測中，由于目標出現(xiàn)的位置不定，應(yīng)根據(jù)目標的位置具體分析。

2 探測距離與誤差分析

2.1 極限探測距離

其中β為轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定精度。

2.2 定位誤差

假設(shè)轉(zhuǎn)臺精度為0.01°，D為300mm，當(dāng)目標出現(xiàn)在近距離L1=10m的位置時，根據(jù)公式可知Δα=88.330955，則

同理，當(dāng)目標處于極限探測距離1.719km時，根據(jù)公式可知Δα=89.99°，則

由此可見，定位誤差主要有轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定精度和反射鏡與光學(xué)系統(tǒng)間距決定［6］，且探測距離越近，定位精度越高。最大誤差出現(xiàn)在極限探測距離處。

2.3 反射鏡安裝誤差

2.3.1 偏轉(zhuǎn)誤差

當(dāng)反射鏡俯仰方向存在±0.1°的偏差時［7］，由于該測距系統(tǒng)對距離信息的探測主要依據(jù)水平方向上的角度差，所以俯仰方向的角度誤差對于距離探測影響不大。

圖2 單站被動式測距系統(tǒng)示意圖

圖3 反射鏡水平偏轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)反射鏡水平方向存在0.1°的偏差時反射鏡偏轉(zhuǎn)0.1°，光線偏轉(zhuǎn)0.2°，如圖3所示，由以下公式：

以上可知，在不同探測距離會相應(yīng)出現(xiàn)0.2°時所對應(yīng)的距離誤差。

2.3.2 位置誤差

當(dāng)反射鏡由于安裝誤差而導(dǎo)致前后移動ΔD時，則

當(dāng) D=300mm，ΔD=10mm，Δα=89.99時，根據(jù)上式可知

由此可知，在此種單站被動式光學(xué)測距系統(tǒng)中，反射鏡前后位置和橫向位置的略微變化對探測距離影響不大。

3 結(jié)論

該方法具有簡單易用，移動性強的特點。但是其缺點也同樣是明顯的，那就是探測距離比較近，并且只有在近距離探測時誤差才會比較小。

不過，如果用該方法結(jié)合圖像處理或者人工輔助圖像標識的的話，可以隱蔽、快速的對方位360°全視場內(nèi)所有近距離物體進行三維立體成像［1］。從而時現(xiàn)對目標外形特征的建模。

［1］付小寧，吳德懷.只測角的單站三維紅外被動測距算法［J］.兵工學(xué)報，2008，29（10）：1188-1191.

［2］路遠，凌永順，吳漢平，等.地面目標的紅外被動測距研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2004，23（1）：77-80.

［3］劉科，謝敬輝，李卓.被動式光學(xué)測距誤差分析［J］.光學(xué)技術(shù)，2005，31（4）：586-591.

［4］梅逐生.光電子技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：87-91.

［5］王志堅.光學(xué)工程基礎(chǔ)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2005：98-101，136-139.

［6］王之江，顧培夫.實用光學(xué)技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：333-342.

［7］郁道銀，談恒英.工程光學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：125-128.