遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

　?。ㄎ渚こ檀髮W(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086）

　　摘要：機(jī)載攝像機(jī)是微型無(wú)人機(jī)實(shí)施戰(zhàn)術(shù)偵察的關(guān)鍵設(shè)備。本文突破傳統(tǒng)機(jī)載攝像機(jī)采用定焦或基于DSP聚焦的思路，在特定飛行高度，提出變倍同步聚焦技術(shù)，并對(duì)變倍同步聚焦的基本原理、臺(tái)階擬合法等技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)鏡頭凸輪曲線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用ZEMAX軟件對(duì)凸輪曲線進(jìn)行了擬合和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電路和視頻采集系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)飛行測(cè)試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的快速變倍同步聚焦攝像機(jī)的性能達(dá)到了空中偵察要求。

　　關(guān)鍵詞：微型無(wú)人機(jī)；變焦攝像機(jī)；變倍同步聚焦鏡頭；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

0引言

　　微型無(wú)人機(jī)在低空偵察過(guò)程中，視野變化較快，動(dòng)態(tài)范圍較大，現(xiàn)有的微型攝像機(jī)要么無(wú)變焦功能，只能進(jìn)行大范圍偵察，對(duì)具體目標(biāo)重點(diǎn)偵察時(shí)，需要進(jìn)一步降低無(wú)人機(jī)的飛行高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加了行動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)［1］；要么采用常規(guī)技術(shù)的變焦攝像機(jī)，因DSP芯片運(yùn)用聚焦算法致使響應(yīng)速度慢、圖像高頻分量捕獲不準(zhǔn)確，出現(xiàn)攝像機(jī)變焦時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)遲鈍等現(xiàn)象［23］。國(guó)內(nèi)微型無(wú)人機(jī)機(jī)載攝像機(jī)為貨架商品，無(wú)法達(dá)到戰(zhàn)術(shù)偵察要求。美軍微型無(wú)人機(jī)搭載的變焦攝像機(jī)，對(duì)中國(guó)禁售且實(shí)行技術(shù)封鎖，無(wú)法在市場(chǎng)購(gòu)買其成品。本文研發(fā)的適用于微型無(wú)人機(jī)的快速變焦攝像機(jī)，能夠滿足相關(guān)戰(zhàn)術(shù)偵察需求。

1關(guān)鍵技術(shù)研究

　　1.1變倍同步聚焦原理

　　微型無(wú)人機(jī)在高空偵察過(guò)程中，離地高度通常在100~1 000 m之間，在日常的模擬訓(xùn)練和實(shí)際的作戰(zhàn)偵察中，無(wú)人機(jī)飛行高度通常在100 m以上。假設(shè)物距在100 m以外，而攝像機(jī)的焦距在3~60 mm，透鏡成像公式為：

　　其中，u為物距，v為像距，f為焦距。與焦距相比，物距可以近似看成無(wú)窮遠(yuǎn)的距離，所以在攝像機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將物距看作無(wú)窮遠(yuǎn)，將變焦的連續(xù)過(guò)程分解成一個(gè)連續(xù)的微分過(guò)程。在變焦過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)每推動(dòng)變倍鏡元組向前移動(dòng)一定距離，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和軟件仿真計(jì)算的方法，使相應(yīng)的補(bǔ)償組元進(jìn)行微小的移動(dòng)，找到一個(gè)像面達(dá)到最清晰時(shí)的點(diǎn)位。相對(duì)于焦平面，所有鏡片組元的點(diǎn)位可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)，將透鏡組的變焦與聚焦步長(zhǎng)通過(guò)提前運(yùn)算和修正，固化到兩條不同的螺旋曲線運(yùn)動(dòng)軌跡上，變焦步長(zhǎng)可以分解為若干個(gè)足夠精細(xì)的連續(xù)點(diǎn)，螺距每前進(jìn)或后退一個(gè)步長(zhǎng)，在另一條螺旋曲線上對(duì)應(yīng)一個(gè)聚焦補(bǔ)償組的輸出位置，將所有步長(zhǎng)提前計(jì)算和實(shí)際校準(zhǔn)后，形成一個(gè)固化的透鏡組距離“表”，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)螺距，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速組很容易達(dá)到0.01°/step的精度，如此就實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變焦時(shí)的同步聚焦。

　　1.2臺(tái)階擬合法

　　臺(tái)階擬合法是通過(guò)多段的頻率跳躍逐漸達(dá)到比較高的頻率［4］。其原理如圖1所示。該方法程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，負(fù)載力矩較小。在升速過(guò)程中，開始頻率跳躍可以比較大，每一頻率段持續(xù)時(shí)間較短，隨著頻率的升高，頻率跳躍逐漸減小，每個(gè)頻率段持續(xù)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，直至頻率升到工作頻率。使用臺(tái)階擬合法容易做到機(jī)載鏡頭的步進(jìn)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)降速，這樣可延長(zhǎng)步進(jìn)電機(jī)的升速時(shí)間，使升速曲線編制更加合理。使用該方法編制降速曲線時(shí)，頻率跳躍可以比升速曲線大很多，通常是升速曲線頻率跳躍的2倍。

2鏡頭設(shè)計(jì)

　　2.1鏡頭光學(xué)系統(tǒng)組成

　　本文設(shè)計(jì)了一款變焦范圍在4~9 mm的機(jī)載變倍同步聚焦攝像機(jī)。對(duì)一個(gè)低放大倍率的光學(xué)系統(tǒng)，鏡頭焦距不長(zhǎng)，視場(chǎng)較大，選擇折射型光學(xué)系統(tǒng)。為降低系統(tǒng)重量和減小尺寸，考慮應(yīng)用最簡(jiǎn)單的兩組元變焦系統(tǒng)，補(bǔ)償形式應(yīng)用正組補(bǔ)償。

　　為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，運(yùn)用文獻(xiàn)資料和專利，結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)理論與性能要求，在ZEMAX軟件中，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)與各項(xiàng)參數(shù)，圖2(a)所示為系統(tǒng)調(diào)整前的二維結(jié)構(gòu)圖。初始結(jié)構(gòu)輸入后，由于系統(tǒng)焦距與設(shè)計(jì)要求有差異，需要通過(guò)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2(b)所示是系統(tǒng)按要求調(diào)整后的二維結(jié)構(gòu)圖。

　　在整個(gè)鏡頭構(gòu)件的物理尺寸不超過(guò)設(shè)計(jì)要求的總長(zhǎng)42 mm前提下，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果顯示，鏡頭變焦的范圍可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4~9 mm。在計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化的指導(dǎo)下，經(jīng)實(shí)際加工后，最終獲得3.7~14.8 mm的變焦鏡頭，變倍也由2.5倍擴(kuò)展到4倍。

　　2.2凸輪曲線設(shè)計(jì)

　　微型無(wú)人機(jī)飛行高度通常在100~1 000 m之間，攝像機(jī)焦距與無(wú)人機(jī)的飛行高度之比可達(dá)到1：100 000，因此，偵察目標(biāo)可近似為無(wú)窮遠(yuǎn)，這樣就可以計(jì)算出目標(biāo)在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，在保證目標(biāo)清晰的圖3變倍同步聚焦曲線前提下，系統(tǒng)焦距每增減0.01 mm，鏡片之間的距離和各鏡片到圖像傳感器靶面的距離。如圖3所示，A1D1為鏡頭在變倍同步聚焦過(guò)程中變倍組運(yùn)動(dòng)曲線，A2D2為補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線，變倍組A1→B1與B1→C1用時(shí)相等且運(yùn)動(dòng)距離相同，而補(bǔ)償組為保證圖像清晰，在A2→B2與B2→C2中用時(shí)相等但距離不同，此相當(dāng)于一個(gè)二維距離表。在ARM處理器下達(dá)指令驅(qū)動(dòng)變倍組運(yùn)動(dòng)時(shí)，ARM處理器同時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)器內(nèi)置的距離表，給補(bǔ)償組下達(dá)一一對(duì)應(yīng)的指令，使補(bǔ)償組執(zhí)行特定的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變倍同步聚焦功能。

3鏡頭控制系統(tǒng)

　　3.1鏡頭控制器

　　采用同步快速聚焦設(shè)計(jì)對(duì)控制器的CPU資源占用會(huì)變得非常小。根據(jù)微型無(wú)人機(jī)攝像控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和任務(wù)需要，采用微型無(wú)人機(jī)上某型號(hào)處理器的富余I/O資源，以接口函數(shù)的形式加入原有飛控程序中，既減少了系統(tǒng)耗電，又省去了處理器之間的數(shù)據(jù)通信，完成了一款重量輕、變焦快，且同步聚焦的小型攝像機(jī)，可通過(guò)飛控的遙控指令，實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速變倍與同步聚焦功能。鏡頭控制器的主要作用是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)飛行過(guò)程中的自動(dòng)拍攝功能、檢測(cè)變焦過(guò)程中的系統(tǒng)故障和錯(cuò)誤、根據(jù)地面控制站指令完成步進(jìn)電機(jī)控制、記錄當(dāng)前鏡頭倍率及GPS坐標(biāo)與時(shí)間［5］。

　　3.2鏡頭控制的硬件設(shè)計(jì)

　　鏡頭控制主要由ARM處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、地面控制站、數(shù)傳電臺(tái)等幾部分組成［6］。飛控系統(tǒng)中的ARM處理器除完成姿態(tài)測(cè)量、飛行控制和遙控遙測(cè)通信外，其富余的資源還可用于鏡頭的控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成的主要功能為：步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度控制、對(duì)步長(zhǎng)精確控制、按照CPU計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)鏡頭的變倍同步聚焦。數(shù)傳電臺(tái)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)地面控制站與無(wú)人機(jī)之間的通信，將地面控制站的指令、信令等按照要求快速、準(zhǔn)確地傳到無(wú)人機(jī)飛行控制器上，機(jī)載數(shù)傳電臺(tái)將無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、GPS坐標(biāo)、速度、壓縮處理后的圖像信息等實(shí)時(shí)傳到地面控制站。

　　3.3鏡頭控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　鏡頭控制程序設(shè)計(jì)主要是根據(jù)設(shè)定的模式對(duì)鏡頭發(fā)出各種控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)鏡頭完成該模式下的各種動(dòng)作［7］，并根據(jù)所獲得的參數(shù)來(lái)判斷鏡頭是否正常工作，并且可以與外圍電路以及地面控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［8-9］。

　　鏡頭控制系統(tǒng)軟件主要由主控制程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、串口通信程序、步進(jìn)電機(jī)位置控制程序、步進(jìn)電機(jī)加減速控制程序等構(gòu)成。主控制程序通過(guò)對(duì)指令或信令進(jìn)行解析，獲得步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等狀態(tài)標(biāo)識(shí)，其流程圖如圖4所示。

　　定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⒚}沖信號(hào)送入MD127驅(qū)動(dòng)器中，按要求實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的方向和速度變換，實(shí)現(xiàn)變倍同步聚焦。本系統(tǒng)采用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)單步步長(zhǎng)。定時(shí)中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。

4視頻采集處理系統(tǒng)

　　4.1視頻采集處理硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)視頻采集處理系統(tǒng)主要由CMOS圖像傳感器芯片、處理器、變倍同步聚焦鏡頭、數(shù)傳電臺(tái)等部分組成，如圖6所示。視頻信號(hào)源來(lái)自變倍同步聚焦鏡頭，光信號(hào)經(jīng)鏡片照射到數(shù)字圖像傳感器的CMOS感光元件上，圖像傳感器采集視頻信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部集成的解碼電路完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出符合CCIR601標(biāo)準(zhǔn)的YUV422數(shù)字視頻信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)及奇偶場(chǎng)指示信號(hào)，通過(guò)處理器內(nèi)置的壓縮電路對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4壓縮，將數(shù)據(jù)暫存，由處理器通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)將圖像數(shù)據(jù)傳到地面控制站的計(jì)算機(jī)中。

　　4.2軟件實(shí)現(xiàn)

　　視頻采集及處理系統(tǒng)的軟件部分主要包括：圖像傳感器初始化、處理器初始化、存儲(chǔ)器切換、讀取并發(fā)送壓縮數(shù)據(jù)等。主要程序流程圖如圖7所示。

5圖像測(cè)試結(jié)果及分析

　　為檢驗(yàn)產(chǎn)品性能，更直觀地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用某型處理器芯片將視頻信息以數(shù)字形式通過(guò)MPEG4壓縮后送到數(shù)傳電臺(tái)輸出，地面控制站通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)接收數(shù)字信息再經(jīng)視頻采集盒編碼傳至顯示器上。此視頻輸出設(shè)計(jì)有利于觀察和記錄圖像處理的各個(gè)階段，便于程序調(diào)試。

　　將變焦攝像機(jī)安裝到微型無(wú)人機(jī)下方，將無(wú)人機(jī)置于空中巡航模式，設(shè)定速度為50 km/h，圖8所示為無(wú)人機(jī)瞬時(shí)速度14.2 m/s、距地面132.8 m高度時(shí)采集的視頻信息。

　　實(shí)驗(yàn)還對(duì)鏡頭從最小焦距到最大焦距變化時(shí)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，采用本文設(shè)計(jì)的攝像機(jī)與普通數(shù)碼攝像機(jī)分別進(jìn)行連續(xù)變焦實(shí)驗(yàn)，通過(guò)錄像，由編輯軟件計(jì)時(shí)，得到10組數(shù)據(jù)再取平均值。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的4~9 mm鏡頭在用模板測(cè)試過(guò)程中，無(wú)“虛點(diǎn)”導(dǎo)致的圖像模糊現(xiàn)象；進(jìn)行2.5倍變焦時(shí)間為0.36 s，優(yōu)于普通數(shù)碼攝像機(jī)0.83 s的響應(yīng)時(shí)間；改進(jìn)的3.7~14.8 mm鏡頭進(jìn)行4倍變焦時(shí)間為0.57 s，具有更好的變倍同步聚焦功能。圖9所示為3.7 mm和14.8 mm焦距時(shí)的黑白檢測(cè)板圖像。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試圖93.7~14.8 mm鏡頭采集檢驗(yàn)?zāi)０逡曨l截圖

　　實(shí)驗(yàn)，攝像機(jī)各項(xiàng)參數(shù)基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，在變焦過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)沿著凸輪曲線的路徑推動(dòng)鏡頭各組元快速運(yùn)動(dòng)，保持了像面平穩(wěn)，基本無(wú)抖動(dòng)。

6結(jié)論

　　本文在特定高度提出了變倍同步聚焦技術(shù)并分析其原理，對(duì)機(jī)載攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭和凸輪曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)鏡頭控制系統(tǒng)和視頻采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的機(jī)載攝像機(jī)符合部隊(duì)要求，能夠有效提升戰(zhàn)斗力。

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