小型化阵列成像组件的设计分析

引言

随着信息技术的快速发展和应用，战场的作战方式和作战手段也在发生演变，信息化战争将成为未来战争的基本形态。精确制导装备作为信息化武器的重要代表逐步上升为战略威慑力量。近几年，多旋翼等低空小型飞行器发展迅速，应用场景也越来越多。为应对复杂应用场景需要，飞行器具备良好的目标搜索、识别和跟踪的能力是必然趋势。为了提升小型无人飞行平台在复杂环境下的态势感知能力，对于飞行器上配备的光学成像组件，大视场和高分辨率两个要素是必不可少。同时，为尽可能提高飞行器的承载，成像组件的小型化和轻量化也是必然需求。

本文结合此类成像组件的需求，给出了一种体积小、重量轻、视域大的光学像组件方案。并通过搭建样机，进行了一些测试，验证了可行性，也为后续的目标检测算法研究提供了实景图像。

一、需求参数

1)工作波段：400\~700nm；

2)有效视场： °；

3)探测距离：中心视场，对 2km 内对地面典型车辆目标可探测（通视条件下能见度不低于 2 0 k m ）；

4)图像采集帧频： ；

二、成像组件设计

2.1 总体布局

大视场阵列成像组件采用半球形分布式布局，在中心视场布置 1 个主成像相机，在边缘视场布置 6 个子成像相机，使总视场覆盖 视域[1]。成像组件结构布局如图1 所示。

通过数据接口，将成像组件的多路相机连接至处理机。处理机基于 Windows 操作系统，开发了专用图像采集软件，将多路图像采集并输出给后端。

2.2 参数分析

假定目标车辆尺寸为 4 m× 2 m ，采用 1 . 4 μ m 相机，正对目标观察。探测按目标短边所占像素数不少于2 个时，要求探测距离 2 k m ，根据公式（1），计算系统焦距为： 。

其中：

p：相机像元大小；

N：目标所占像元数；

H：实际物高；

L：实际物距。

F：焦距

2.3 单个镜组

根据计算情况，镜组参数如下：

1）响应波段： 4 0 0～7 0 0 n m ；

2）视场角：80° ；

3）焦距：3mm。

基于以上参数，光学系统的成像光学镜组选用三片式结构，进行合理搭配后可以实现成像要求，并提高光学成像质量。

为了减小系统结构尺寸，采用镜头模组的形式进行结构设计。选用集成式开发板，相机分辨率为 3 8 4 0 × 2 1 6 0 ，像元尺寸 1 . 4 μ m ，图像传输采用USB2.0 输出端口。

2.4 阵列成像组件

阵列成像组件主要由边缘视场相机、中心视场相机、半球形壳体、电路板支架、导热组件等组成。

根据单个镜头视场角度仿真模拟和角度计算，1 个中心镜头和6 个边缘镜头以夹角为48°的位置进行排布，相机阵列结构如总体布局图所示，成像系统可满足 视场要求。

根据中心镜头和边缘镜头的视场角度进行仿真拼接模拟，相机视场拼接模拟结果如图2 所示。

从拼接模拟图上可以测得，中心视场相机与边缘视场相机重合区域较大， 视场范围内均覆盖。

根据视场与摄像机的映射关系，确认相机排布规则，达到设计所需视场。本方案设计的成像组件主要具有以下特点：

a)结构紧凑：以球形外壳的球坐标系为设计基准和光学基准，

使结构更紧凑；

b)大视场：系统视场可实现 ；c)模块化：阵列相机组为模块结构。2.5 组件结构选材及重量

组件结构材料，以航空铝合金材料为主，质量轻、强度高，经表面着色氧化处理后，耐腐蚀性能较好。小型相机镜片为树脂材料，注塑成型；镜头与成像板连接的结构件，为 ABS 材质，由模具加工成型，加工精度一致性好。多个相机的体积及总重量都很小，且定制开发的成像板也进一步压缩了印制板尺寸，为小型化多相机阵列提供了可行方案[2]。

组件结构，半球头罩尺寸直径为 120mm，总长度为140mm。经初步核算，组件重量约 0 . 9 5 k g.

三、样机测试

结合设计方案，搭建了一套原理样机，并进行了实际采图测试。

从实验采图情况可知，在分辨率为 1 9 2 0 × 1 0 8 0 时，采集的多路图像帧频均能够达到25Hz 以上。因受限于样机采集卡的性能，样机中不能将所有相机分辨率设置太高，否则多路图像帧频会下降很多。但对于中心视场相机单路，可设置成高分辨率状态，边缘视场相机设置成低分辨状态，以适应中心视场的高分辨要求[3]。

四、结束语

大视场、多模、小型、轻量化光电探测器是下一代智能武器的发展关键，仿生复眼大视场光电探测器作为其中的一个重要研究方向而备受关注[1]。本文结合此类仿生复眼的需求，给出了一种小型化大视场阵列成像组件的设计方案，并对样机进行了实测，实现了多路图像采集，并验证了不同分辨率情况下图像采集帧频情况。也可以结合图像拼接与高分辨重建等，进行大视场图像拼接。对于目标识别算法的验证应用，本设计能够提供多路图像，以帮助优化算法。

参考文献

[1]宋岩峰等.大视场仿生复眼光电成像探测技术的研究发展［J］.红外与激光工程.2022（5）：51

[2]王瑞,洪普,宫文峰,等.一种小型化的低功耗短波红外成像组件设计[J].光学与光电技术,2024,22(02):140-148.

[3]李志坚.基于光子晶体阵列的高光谱成像机理与分类方法研究[D].湖南省:湖南大学,2020.DOI:10.27135/d.cnki.ghudu.2020.001581.