CN111929800B - 适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于图像采集技术领域，涉及一种适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置，包括连续光具座和固定在光具座上的变焦镜头、分光组件、滤光片组件、探测器组件，装置采用前端共用连续变焦镜头，后面通过波段分光分别成像于四个探测器组件上，在探测器的前面安装滤光片组件，使用过程中通过旋转滤光盘，切换不同波长的滤光片，实现四通道多光谱连续视场景物的获取。此外还采用结构形状合理、热膨胀系数较小、刚性较好的硬铝和钛合金材料，保证了不同温度环境条件下光学系统的稳定性，本发明构思新颖，体积小、结构紧凑、重量轻、能量损失小，能够同步获取多个光谱数据图像，提高复杂环境下目标的探测识别概率。

Description

适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置
技术领域
本发明属于图像采集技术领域，涉及一种适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置。
背景技术
机载多光谱侦察设备是利用多光谱技术实施侦察的无人机载新型任务设备，由多光谱摄像机、激光测照器、稳定转塔等组成。其中，多光谱摄像机获取目标光谱图像，并依据目标与背景的光谱特性差异来区分探测成像对象，通过配置敏感波长，使特定类型的探测对象从背景中凸现出来，在作用距离内可将迷彩伪装目标从其适应背景中区分识别出来。提高对战场迷彩伪装目标的侦察能力。能有效提高能见度差、低对比度情况下对地面目标的发现概率。在以往的机载稳瞄转塔中,多采用大小视场切换摄像机装置，光学多采用折返式光路，多路独立双视场摄像机同步获取多路光谱视频，很难满足小型化极轻量化的需求。而本发明采用前端共用连续变焦镜头，后面通过四通道滤光盘的滤光片程控电动切换，分别成像于四个探测器上，实现四通道图像的同步采集。该设计结构紧凑，体积小，重量轻，能量损失小，三视场切换方便，能完成不同工况下目标成像清晰，够满足实战环境中目标全天时多天候实时侦察、监视及跟踪需求。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：为我国的直升机载多光谱侦察设备提供一种小型紧凑的多通道连续变焦摄像装置，多通道连续变焦摄像装置作为机载多光谱侦察设备的一个主要传感器组成部分，能够在作用距离内将迷彩伪装目标从其适应背景中区分识别出来，用于执行对敌方战役战术目标实时侦察及战场监视任务。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置，其包括：光具座5和固定在光具座5上的连续变焦镜头1、分光组件2、滤光片组件3、探测器组件4；四个通道前端共用连续变焦镜头1，后面通过分光组件2将整个波段划分为四个通道，滤光片组件3包括四组滤光模块，分别对四个通道的光进行滤波，每组滤光模块包括滤光盘和布置在滤光盘上的多个滤光片；探测器组件4包括四个不同波段的探测器，对四个通道的光进行探测；入射光线由连续变焦镜头1入射，经分光组件2划分为四个波段后，经分光组件2中的中继透镜组分别成像于四个探测器上，在每个探测器的前面安装滤光模块，使用过程中通过旋转滤光盘，切换不同波长的滤光片，实现四通道多光谱连续视场景物的获取。
其中，所述连续变焦镜头1包括前固定组1-1、变倍镜组1-2、补偿镜组1-3、后固定组1-4、电机组件1-5、曲线套筒1-6、主镜筒1-7、圆柱导轨1-10；前固定组1-1和后固定组1-4分别安装于主镜筒1-7的前、后两端；主镜筒1-7内均匀间隔布置有三根圆柱导轨1-10，标记为导轨I、导轨II和导轨III，变倍镜组1-2穿过导轨I和导轨II，补偿镜组1-3穿过导轨I和导轨III；主镜筒1-7外套设曲线套筒1-6，曲线套筒1-6上沿长度方向开设有变倍镜组曲线槽和补偿镜组曲线槽，变倍镜组1-2外周上设置有第一凸起，嵌入变倍镜组曲线槽，补偿镜组1-3外周上设置有第二凸起，嵌入补偿镜组曲线槽；电机组件1-5安装在主镜筒1-7的前端侧面，电机组件1-5通过齿轮传动组件驱动曲线套筒1-6转动，曲线套筒1-6转动时，带动变倍镜组1-2和补偿镜组1-3沿着圆柱导轨1-10滑动摩擦前后移动，即将曲线套筒1-6的旋转运动转化为变倍镜组1-2、补偿镜组1-3沿光轴方向的平行移动。
其中，所述连续变焦镜头1还包括：支架1-8，主镜筒1-7安装在支架1-8上，连续变焦镜头1通过支架1-8安装在光具座3上。
其中，所述曲线套筒1-6与主镜筒1-7之间装有钢珠1-11，把曲线套筒1-6与主镜筒1-7之间的滑动摩擦变为滚动摩擦。
其中，所述前固定组1-1安装在主镜筒1-7上时，通过定位螺柱1-9进行周向定位。
其中，所述分光组件2包括三组分光组：组一分光组2-1、组二分光组2-2和组三分光组2-3；组一分光组2-1包括第一安装支架2-1-2和安装在其上的第一分光棱镜2-1-1；组二分光组2-2包括第二安装支架2-2-4和布置在其上的第二反光镜2-2-1、第二分光镜2-2-2、第二中继透镜组件2-2-3；组三分光组2-3包括第三安装支架2-3-4和安装在其上的第三反射镜2-3-1、第三分光棱镜2-3-2、第三中继透镜组件2-3-3；组一分光组2-1的第一分光棱镜2-1-1接收到光线后，分成一次透射和一次反射两组光线，透射光线经过组二分光组2-2的第二反射镜2-2-1反射到第二分光棱镜2-2-2后，再分成二次反射光线和二次透射光线经第二中继透镜组件2-2-3射出，而二次反射光线经过组三分光组2-3的第三反射镜2-3-1反射到第三分光棱镜2-3-2后，再分成三次反射光线和三次透射光线经第三中继透镜组件2-3-3射出。
其中，所述每个滤光模块包括第四安装支架3-1-2和安装在其上的滤光盘组3-1-1、直流电机3-1-3和前端齿轮3-1-4；滤光盘组3-1-1上以90°为间隔均匀分布四片不同波长滤光片，直流电机3-1-3驱动前端齿轮3-1-4，前端齿轮3-1-4啮合滤光盘组3-1-1外圈齿轮；直流电机3-1-3驱动前端齿轮3-1-4，直流电机3-1-3的旋转带动滤光盘组3-1-1进行旋转，实现四个滤光片的自由切换。
其中，所述光具座5采用超硬铝材料。
其中，所述变倍镜组1-2和补偿镜组1-3中的安装镜框采用钛合金材料。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置，通过前端共用连续变焦镜头，后面通过波段分光分别成像于四个探测器的结构设计，外形结构包络小、重量轻、能量损失小，对于机载多光谱侦察设备来说，便于多路光谱视频配准融合，多传感器的集成化设计，具有很大的优势；通道数分别定义为A、B、C、D，每个通道同时安装4片滤光片，分别定义为1、2、3、4，根据需要控制四组滤光盘旋转，进行相应光谱波长的选择。针对不同背景的侦察任务，采用不同的滤光片组合执行侦察任务。有效提高了机载多光谱侦察设备的作战能力。
附图说明
图1是本发明的原理结构图。
图2是本发明的组成结构示意图。
图3是本发明的连续变焦镜头的结构示意图。
图4是本发明的分光组件的结构示意图。
图5是本发明的滤光片组件的结构示意图。
图6是本发明的结构外形示意图。
图7是本发明的光学系统光路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图2所示，本发明适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置包括光具座5和固定在光具座5上的连续变焦镜头1、分光组件2、滤光片组件3、探测器组件4；滤光片组件3包括四组滤光模块，分别对四个通道的光进行滤波，每组滤光模块包括滤光盘和布置在滤光盘上的多个滤光片；探测器组件4包括四个不同波段的探测器，对四个通道的光进行探测。本实施例多通道连续变焦摄像装置中，根据波段分光的原理，利用分光组件2将整个波段划分为四个通道。四个通道前端共用连续变焦镜头1，后面通过中继透镜组分别成像于四个探测器上，在每个探测器的前面安装滤光模块，使用过程中通过旋转滤光盘，切换不同波长的滤光片，实现四通道多光谱连续视场景物的获取。其中前端连续变焦镜头1采用三组元机械补偿的结构形式，通过光学方案的选型比较，相比于负组补偿结构，选择正组补偿的初始结构更为恰当，更有利于在缩短系统总长的前提下进行系统的像质优化平衡，并通过控制变倍组的光焦度，减小运动导程，缩短光学总长。
如图3所示，连续变焦镜头1包括前固定组1-1、变倍镜组1-2、补偿镜组1-3、后固定组1-4、电机组件1-5、曲线套筒1-6、主镜筒1-7、支架1-8、定位螺柱1-9、圆柱导轨1-10和钢珠1-11；前固定组1-1和后固定组1-4分别安装于主镜筒1-7的前、后两端；主镜筒1-7内均匀间隔布置有三根圆柱导轨1-10，标记为导轨I、导轨II和导轨III，变倍镜组1-2穿过导轨I和导轨II，补偿镜组1-3穿过导轨I和导轨III；主镜筒1-7外套设曲线套筒1-6，曲线套筒1-6上沿长度方向开设有变倍镜组曲线槽和补偿镜组曲线槽，变倍镜组1-2外周上设置有第一凸起，嵌入变倍镜组曲线槽，补偿镜组1-3外周上设置有第二凸起，嵌入补偿镜组曲线槽；电机组件1-5安装在主镜筒1-7的前端侧面，电机组件1-5通过齿轮传动组件驱动曲线套筒1-6转动，曲线套筒1-6转动时，带动变倍镜组1-2和补偿镜组1-3沿着圆柱导轨1-10滑动摩擦前后移动，即将曲线套筒1-6的旋转运动转化为变倍镜组1-2、补偿镜组1-3沿光轴方向的平行移动。整个主镜筒1-7安装在支架1-8上，连续变焦镜头1通过支架1-8安装在光具座3上。在曲线套筒1-6与主镜筒1-7之间装有高精度、高耐磨性钢珠1-11，从而把曲线套筒1-6与主镜筒1-7之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，既提高了机构的精度，也降低了机构的负载。前固定组1-1安装在主镜筒1-7上时，通过定位螺柱1-9定位，以保证前固定组1-1中镜组的位置正确。
如图1和图4所示，分光组件2包括三组分光组：组一分光组2-1、组二分光组2-2和组三分光组2-3；组一分光组2-1包括第一安装支架2-1-2和安装在其上的第一分光棱镜2-1-1；组二分光组2-2包括第二安装支架2-2-4和布置在其上的第二反光镜2-2-1、第二分光镜2-2-2、第二中继透镜组件2-2-3；组三分光组2-3包括第三安装支架2-3-4和安装在其上的第三反射镜2-3-1、第三分光棱镜2-3-2、第三中继透镜组件2-3-3。
组一分光组2-1的第一分光棱镜2-1-1接收到沿光轴a″光线后，分成两组分别沿透射光轴b″和反射光轴c″的光线，透射光轴b″经过组二分光组2-2的第二反射镜2-2-1反射到第二分光棱镜2-2-2后，再分成沿反射光轴e″和透射光轴d″的光线经第二中继透镜组件2-2-3射出，而反射光轴c″经过组三分光组2-3的第三反射镜2-3-1反射到第三分光棱镜2-3-2后，再分成沿反射光轴f″和透射光轴g″的光线经第三中继透镜组件2-3-3射出。
如图5所示，每个滤光模块包括第四安装支架3-1-2和安装在其上的滤光盘组3-1-1、直流电机3-1-3和前端齿轮3-1-4；滤光盘组3-1-1上以90°为间隔均匀分布四片不同波长滤光片，直流电机3-1-3驱动前端齿轮3-1-4，前端齿轮3-1-4啮合滤光盘组3-1-1外圈齿轮；直流电机3-1-3驱动前端齿轮3-1-4，直流电机3-1-3的旋转带动滤光盘组3-1-1进行旋转，实现四个滤光片的自由切换。滤光盘组3-1-1的安装位置设计的靠近探测器组件4，可以减小所需的通光孔径，从而保证了整个多光谱摄像机的小型化。
如图1所示，光线由连续变焦镜头1的前固定组1-1沿着光轴a″通过变倍镜组1-2和补偿镜组1-3后到达后固定组1-4，利用第一级分光组件的组一分光组2-1的第一分光棱镜2-1-1分光后，将整个光线划分为两路光线分别沿透射光轴b″和反射光轴c″，再分别经过第二级分光组件的组二分光组2-2和组三分光组2-3的第二分光棱镜2-2-2和第三分光棱镜2-3-2划分为四路光线，分别是沿透射光轴d″和反射光轴e″，及沿反射光轴f″和透射光轴g″，后面通过第二中继透镜组件2-2-3、第三中继透镜组件2-3-3分别成像于对应的探测器组件4上，在探测器组件4的前面安装相应的滤光组件3，使用过程中通过旋转滤光盘，切换不同波长的滤光片，实现四通道多光谱连续视场景物的获取。
因本发明属于直升机载光电稳瞄系统的主要传感器，要求结构紧凑，体积小，重量轻，性能稳定，而光具座5承载着所有光学组件的安装，其刚度对光学系统的稳定性有很大的影响，因此采用比强度高、膨胀系数较小的超硬铝材料，连续变焦电视1中的主镜筒1-7也采用超硬铝材料来保证光轴的稳定性，变倍镜组1-2和补偿镜组1-3中的主镜框采用了钛合金材料来保证光轴的稳定性，前固定组1-1安装时定位螺柱1-9可以调整保证前镜组的位置正确。
图6、图7所示是本发明实施例的结构外形图和光学系统光路图。本发明除本优选实施例的外形和光学系统光路图外，还有其它一些近似的外形结构和光学系统图。
本发明具有设计巧妙、结构紧凑，体积小，重量轻，能量损失小，连续变焦等特点，能够同步获取多个光谱数据图像，提高复杂环境下目标的探测识别概率。本优选实施例已完成样机的加工装调，安装在机载多光谱侦察设备中，工作良好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置，其特征在于，包括：光具座(5)和固定在光具座(5)上的连续变焦镜头(1)、分光组件(2)、滤光片组件(3)、探测器组件(4)；四个通道前端共用连续变焦镜头(1)，后面通过分光组件(2)将整个波段划分为四个通道，滤光片组件(3)包括四组滤光模块，分别对四个通道的光进行滤波，每组滤光模块包括滤光盘和布置在滤光盘上的多个滤光片；探测器组件(4)包括四个不同波段的探测器，对四个通道的光进行探测；入射光线由连续变焦镜头(1)入射，经分光组件(2)划分为四个波段后，经分光组件(2)中的中继透镜组分别成像于四个探测器上，在每个探测器的前面安装滤光模块，使用过程中通过旋转滤光盘，切换不同波长的滤光片，实现四通道多光谱连续视场景物的获取；
所述连续变焦镜头(1)包括前固定组(1-1)、变倍镜组(1-2)、补偿镜组(1-3)、后固定组(1-4)、电机组件(1-5)、曲线套筒(1-6)、主镜筒(1-7)、圆柱导轨(1-10)；前固定组(1-1)和后固定组(1-4)分别安装于主镜筒(1-7)的前、后两端；主镜筒(1-7)内均匀间隔布置有三根圆柱导轨(1-10)，标记为导轨I、导轨II和导轨III，变倍镜组(1-2)穿过导轨I和导轨II，补偿镜组(1-3)穿过导轨I和导轨III；主镜筒(1-7)外套设曲线套筒(1-6)，曲线套筒(1-6)上沿长度方向开设有变倍镜组曲线槽和补偿镜组曲线槽，变倍镜组(1-2)外周上设置有第一凸起，嵌入变倍镜组曲线槽，补偿镜组(1-3)外周上设置有第二凸起，嵌入补偿镜组曲线槽；电机组件(1-5)安装在主镜筒(1-7)的前端侧面，电机组件(1-5)通过齿轮传动组件驱动曲线套筒(1-6)转动，曲线套筒(1-6)转动时，带动变倍镜组(1-2)和补偿镜组(1-3)沿着圆柱导轨(1-10)滑动摩擦前后移动，即将曲线套筒(1-6)的旋转运动转化为变倍镜组(1-2)、补偿镜组(1-3)沿光轴方向的平行移动；
所述连续变焦镜头(1)还包括：支架(1-8)，主镜筒(1-7)安装在支架(1-8)上，连续变焦镜头(1)通过支架(1-8)安装在光具座(3)上；
所述曲线套筒(1-6)与主镜筒(1-7)之间装有钢珠(1-11)，把曲线套筒(1-6)与主镜筒(1-7)之间的滑动摩擦变为滚动摩擦；
所述前固定组(1-1)安装在主镜筒(1-7)上时，通过定位螺柱(1-9)进行周向定位；
所述分光组件(2)包括三组分光组：组一分光组(2-1)、组二分光组(2-2)和组三分光组(2-3)；组一分光组(2-1)包括第一安装支架(2-1-2)和安装在其上的第一分光棱镜(2-1-1)；组二分光组(2-2)包括第二安装支架(2-2-4)和布置在其上的第二反光镜(2-2-1)、第二分光镜(2-2-2)、第二中继透镜组件(2-2-3)；组三分光组(2-3)包括第三安装支架(2-3-4)和安装在其上的第三反射镜(2-3-1)、第三分光棱镜(2-3-2)、第三中继透镜组件(2-3-3)；组一分光组(2-1)的第一分光棱镜(2-1-1)接收到光线后，分成一次透射和一次反射两组光线，透射光线经过组二分光组(2-2)的第二反射镜(2-2-1)反射到第二分光棱镜(2-2-2)后，再分成二次反射光线和二次透射光线经第二中继透镜组件(2-2-3)射出，而二次反射光线经过组三分光组(2-3)的第三反射镜(2-3-1)反射到第三分光棱镜(2-3-2)后，再分成三次反射光线和三次透射光线经第三中继透镜组件(2-3-3)射出；
所述每个滤光模块包括第四安装支架(3-1-2)和安装在其上的滤光盘组(3-1-1)、直流电机(3-1-3)和前端齿轮(3-1-4)；滤光盘组(3-1-1)上以90°为间隔均匀分布四片不同波长滤光片，直流电机(3-1-3)驱动前端齿轮(3-1-4)，前端齿轮(3-1-4)啮合滤光盘组(3-1-1)外圈齿轮；直流电机(3-1-3)驱动前端齿轮(3-1-4)，直流电机(3-1-3)的旋转带动滤光盘组(3-1-1)进行旋转，实现四个滤光片的自由切换。
2.如权利要求1所述的适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置，其特征在于，所述光具座(5)采用超硬铝材料。
3.如权利要求1所述的适用于机载多光谱侦察设备的多通道连续变焦摄像装置，其特征在于，所述变倍镜组(1-2)和补偿镜组(1-3)中的安装镜框采用钛合金材料。
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