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无人机载复眼光学系统设计

无人机载复眼光学系统设计

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作者：习啸天西安工业大学

学位级别：硕士

随着光学技术在各个领域的应用逐渐增多,人们对光学成像系统的性能期望也日益提升。传统的单孔径成像系统由于视野范围的局限,已经难以满足大视场成像、精准目标定位与测量等复杂需求。而复眼成像系统,以其大视场、高灵敏度以及快速跟... 详细信息

随着光学技术在各个领域的应用逐渐增多,人们对光学成像系统的性能期望也日益提升。传统的单孔径成像系统由于视野范围的局限,已经难以满足大视场成像、精准目标定位与测量等复杂需求。而复眼成像系统,以其大视场、高灵敏度以及快速跟踪与定位等显著优势,正逐渐受到国内外研究人员的青睐。该技术不仅代表了未来光学成像领域进展的关键方向,同时也在医学检测、航空探索、军事侦察和导航系统等诸多方面展现出辽阔的使用潜力。无人机的使用在近几年来成为一大热点,为了实现无人机载相机能同时对视场范围内多个目标进行定位、跟踪与识别,同时提升无人机载相机的视场与分辨率,并兼顾无人机载相机体积小,结构紧凑的问题,本文提出了将复眼系统应用于无人机的方法和设计思路,主要研究复眼结构设计、子眼参数相互制约关系、子眼阵列排布模型,系统存在的主要像差理论及复眼系统的像质评价和公差分析等关键技术,并在此基础上对无人机载复眼相机如何对目标定位进行了系统的研究。在以上研究的基础上,本文设计了一款大视场高分辨率的无人机载复眼相机系统,该相机由曲面子眼阵列、光学中继系统和图像探测器三部分组成,对中继系统的引入主要是起到像面变化的作用。通过中继系统,可以将曲面子眼阵列所成的焦曲面像转为焦平面像以被图像探测器所接收,同时可以使系统存在像差得到有效的校正。最终设计的无人机载复眼相机系统视场达到122°×106°,F数为3,焦距为3mm,在飞行高度1000m时对地分辨力为0.8m。其中子眼阵列包含有169个子眼,单个子眼焦距20 mm,视场角10°,相邻子眼间夹角为8°,有部分视场重叠,中继系统为一鱼眼透镜,焦距为7mm。仿真结果显示,各个光学子通道调制传递函数(modulation transfer function,MTF)在截止频率208 lp/mm处均接近0.3,成像质量良好,经过公差分析,系统在给定的公差范围内像质能够满足要求。本文所设计的复眼相机系统体积为123 mm×123 mm×125 mm,质量为317 g,与现有复眼相机相比,体积更小,质量更轻。这种紧凑轻巧的设计可以更轻松地集成到无人机上,从而实现更广泛的应用和更高的便携性。

关键词：光学设计复眼大视场无人机载相机透镜阵列

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