基于DSP的紅外雙視場調焦系統設計

雙視場紅外光學系統能夠同時提供兩幅不同放大率、不同視場的圖像，系統中的大視場分辨率較低，用于在大范圍內搜索目標；小視場分辨率較高，用于對具體目標進行識別、分析和確認。因此紅外雙視場系統廣泛地應用在機載、車載等光電偵察設備中。本文根據雙視場紅外光學系統的工作特點和技術要求，設計了一套基于DSP的光學鏡頭調焦系統。應用光機電一體化設計思想，通過沿軸平行移動光學鏡組的方式實現大小視場快速切換及調焦的功能。
　　
1 調焦系統方案設計
　　
1．1 調焦方式的選擇
　　
常見的雙視場變焦系統分為兩類：光學鏡組移入移出切換式變焦系統和雙位置變焦系統。切換式變焦系統需要將部分透鏡插入到適當的位置改變光學系統的焦距，因此橫向尺寸較大。雙位置系統則是通過改變透鏡組軸向距離而改變系統的焦距，可有效減小系統的體積，并且可同時實現視場切換和精密調焦的功能。
　　
考慮到整體系統對質量、空間尺寸等方面的要求，采取沿軸平行移動光學鏡組的雙位置變焦系統。雙位置變焦系統由前固定組、移動鏡組和后固定組組成，其工作原理如圖1所示，移動鏡組在1位置時系統處于短焦距(大視場)狀態，在2位置時系統處于長焦距(小視場)狀態。



1．2 調焦運動系統設計
　　
整個調焦運動系統由DSP控制模塊為核心的一個閉環控制系統組成，其系統示意如圖2所示，主要由以下幾部分組成：DSP控制模塊、伺服電機、絲杠、滑動模塊、精密直線導軌、直線光柵尺等。DSP模塊在接受上位機的控制指令后控制電機轉動，通過絲杠導軌運動機構將電機旋轉運動變為移動鏡組的軸向直線運動，直線位光柵尺檢測鏡組滑動的當前位置并反饋給DSP控制模塊，DSP控制模塊將移動鏡組的當前位置與系統的給定位置比較，進一步控制電機帶動鏡組沿軸向運動，直至移動鏡組到達系統給定的位置。



　　
2 調焦系統硬件設計
　　
調焦系統硬件電路以DSP控制器為核心，TMS320LF2407A是一款16位定點數字信號處理器，它集高速數字信號處理能力及適用于電機控制的優化外圍電路于一體，為電機控制提供了一套同時具備高精度和高性能的數字解決方案。控制系統外圍電路部分的設計圍繞著TMS320LF2407A展開，主要由以下基本部分組成：與上位機的串行通信接口電路，功率驅動電路，位置檢測電路等。控制系統框圖如圖3所示。


　　
2．1 SCI串行通信電路
　　
本系統通過TMS320LF2407A芯片集成的串行通信模塊SCI可以實現DSP與上位機之間的通信，電路采用了符合RS 232標準的MAX232驅動芯片。上位機向DSP控制模塊發送控制指令，DSP系統響應上位機的控制指令，計算出移動鏡組的給定位置，控制電機運動來完成系統調焦，同時向上位機返回調焦控制系統當前工作狀態。
　　
2．2 位置檢測電路
　　
移動鏡組要實現精確的位置控制，其位移的檢測是關鍵，選用英國Renishaw公司的：RGH22型精密型光柵尺作為位置傳感器，分辨率為2μm，輸出信號為符合工業標準的兩路頻率變化且正交(即相位差為90°)的脈沖。其讀數頭有參考零位和雙限位開關，參考零位提供一個可重復定位的參考原點或零點，而限位開關可以在軸向運動到達兩端限位點時輸出信號，控制電機停止運動。
　　
2．3 電機驅動電路
　　
在調焦系統中，DSP將采集到的信息處理后輸出的PWM信號不足以直接驅動電機運行，需要使用驅動芯片將其轉換成可驅動電機的驅動信號。電機驅動電路采用SGS公司的電機驅動芯片L298N。它是恒壓恒流雙H橋電機芯片，可同時控制兩臺直流電機，輸出電流可達到2 A。為了減小驅動電路對控制系統的影響，DSP產生的PWM信號經TLP521光耦進行光電隔離，再送給驅動芯片L298，這樣使得系統控制信號變的穩定而且可靠。另外，在實際應用中為了保護電機，在驅動電路中需要加入兩組續流二極管。
　　
3 調焦控制系統軟件設計
　　
調焦控制系統的軟件包括主程序和中斷子程序。主程序主要完成DSP內核和外圍器件的初始化、系統全局變量的定義和賦初值等，并檢測電機的初始位置。初始化完成后系統進入中斷等待狀態。主程序流程圖如圖4所示。



中斷程序主要用來檢測移動鏡組當前位置，并根據上位機的控制指令給定的目標位置計算出需要調節的位置偏差，設計位置校正調節器輸出PWM電機控制信號。中斷程序流程圖如圖5所示。
　　
位置調節控制器采用經典的PID控制算法。在進行大小視場切換時，短時間內系統有很大的位置偏差，會造成PID運算的積分積累，從而引起系統較大的超調，甚至造成系統振蕩，調節時間延長。為了消除積分飽和帶來的不利影響，位置調節控制器采取積分分離算法：當系統偏差較大時采用PD控制避免較大超調又可以快速減少偏差；當偏差降低到一定程度后，采用PID控制保證系統的控制精度。積分分離控制算法可表示為：
　　
　　
式中：T為采樣時間；β為積分項的開關系數：

　　
　　
4 實驗結果
　　
雙視場紅外光學系統的工作波段為3～5μm，視場寬為24°×18°，窄視場為4°×3°，短焦焦距20 mm，長焦焦距145 mm。大小視場切換距離為125 mm，移動鏡組的定位精度要求小于20／μm。
　　
通過實驗測試，調焦系統可以在1 s的時間內實現大小視場的切換，調焦精度可以達到5 μm，滿足系統要求的定位精度。圖6為紅外光學系統分別在大、小視場下的圖像。


　　
5 結 語
　　
介紹一種雙視場紅外光學鏡頭調焦控制系統，采用移動鏡組軸向移動方式實現變焦，僅需一套機電裝置即可同時實現視場變換和調焦的功能，有效地控制了軸向尺寸，使其結構更加緊湊。控制系統采用了高性能的TMS320LF2407A芯片作為系統的控制單元，使得整個硬件電路的設計簡單可靠，同時強大的運算處理能力使得復雜控制算法通過編程得以實現，大大提高了控制系統的控制精度，滿足了紅外光學成像系統對視場切換速度快與調焦精度高的要求。