摘要：针对传统无人机载成像系统无法实现大视场与高分辨率共存的问题，设计了一款大视场高分辨率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。中继系统使用了非球面设计，减小了系统体积。单个子眼焦距为20 mm，视场角为10°，中继系统为一鱼眼透镜，焦距为7 mm，可将子眼阵列所成焦曲面像转为平面像，总系统视场达到122°×106°，F数为3，焦距为3 mm，在飞行高度1 000 m时对地分辨力为0.8m。仿真结果显示，各个光学子通道调制传递函数（modulation transfer function, MTF）在208 lp/mm处均大于0.3，系统在给定的公差范围内像质能够满足要求。与现有无人机载复眼系统相比，该文设计的系统视场更大，分辨率更高，且体积更小。

关键词：大视场；复眼相机；光学设计；公差分析

引言

近年来，随着行业的迅速发展，无人机得到了广阔的应用，不论是辅助交通、景区监管，还是旅游航拍、商业表演，都展现出了巨大的价值和魅力。作为战略性新兴产业之一，我国在无人机技术、产品、应用和市场上取得了重大突破和发展。但传统的无人机载相机视场小，且只能实现把三维世界的三维信息转换成二维投影，无法实现测速与定位功能，为了弥补这一缺点，部分科研工作者提出了多相机系统，但多相机系统体积大，数据繁冗，并且多相机系统工作时难以实现多个相机同步。

在自然界中，节肢类动物拥有与哺乳动物单眼视觉系统不同的复眼视觉系统，相比于单眼视觉系统，复眼视觉系统具有大视场、高灵敏度和快速跟踪与定位等优点。针对这些优点，国内外科研工作者开始研究设计仿生复眼光学系统。西安光机所的许黄蓉等人设计了一款焦距为5 mm，成像视场为98°x98°的无人机载复眼相机，在500 m高度对地成像分辨率为1 m，整体系统体积为123 mmx123 mmx195 mm，虽然获得了大视场，但在对地分辨率上略有不足。因此，本文主要针对无人机载相机大视场和高分辨率的需求，研究如何在获得大视场的情况下，可以提高系统对地成像分辨率的问题，另外，考虑到无人机载荷需轻小型的问题，在设计中引入了非球面，减小了系统整体体积与重量。

1 无人机载复眼系统设计

1.1 曲面仿生复眼工作原理

曲面仿生复眼原理如图1所示。在一曲率半径为R的曲面上，按一定间隔排列着小孔径透镜阵列，每个小孔径透镜称作复眼透镜的一个子眼，其外径为D，焦距为f，相临子眼间隔距离为p，子眼的光轴以夹角将物空间分成若干个视场，每个子眼视场角为，所有子眼所成的像拼接在一起便可得到一幅完整的物空间像。相邻子眼间光轴夹角为

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图1.曲面仿生复眼原理图

相邻子眼在像面上所成的像有一定间隔，但为了避免相邻子眼间出现视野盲区，两子眼间应该有一定的视场重叠，重叠区域不宜过大，否则对后续图像处理会带来很大的麻烦。根据曲面排布的微透镜阵列成像理论，定义相邻透镜之间的视场重叠率为

图4.子眼系统结构光路图

图9.非球面式中继系统结构

图12.复眼光学系统实体模型图

4 公差分析

当设计好一个光学系统之后，不仅要使其成像质量达到要求，还要使其能够满足现实中的加工要求，公差分析的目的就是确定给系统多大公差量时，使光学系统的性能仍能满足要求，本文选择了“几何MTF平均”的评价方法作为公差分配的成像标准，名义值为0.426 852 76。采用灵敏度和Monte Carlo分析法对边缘子眼透镜通道分析了200组镜头数据，分析结果如表4所示。由表4可知，由于加工和装调误差引起MTF下降后，仍有90%的产品MTF优于0.301 439 25，满足设计指标。

5 结论

针对现有无人机载相机大视场和高分辨率的需求，设计了一款最大视场122°，在1 000 m高空对地分辨力0.8 m的无人机载复眼相机，该相机系统体积为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。对所设计的复眼系统进行像质评价与公差分析，分析结果表明，边缘子眼通道MTF在截止频率208 lp/mm处大于0.3，RMS光斑半径满足成像要求，系统总体成像质量良好，公差分配合理。该光学系统结构简单，易于加工，可应用于大视场成像，军事目标探测与识别，导航定位等多个领域。

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