变焦距光学系统在电视制导中的应用

在电视制导中,当目标捕获时希望用短焦距、大视场光学系统,当目标跟踪时希望用长焦距、小视场光学系统.传统方法是设计两档或三档变倍光学系统,但在换档过程中目标易丢失,而采用连续变焦系统,可兼顾系统对目标的捕获与跟踪.文中介绍了变焦光学系统的原理及其参数确定方法,并设计了一种焦距为20Symbol～A@ 100mm,视场角为1.8°×1.38°～9°×6.8°的可见光连续变焦电视光学系统,试验结果表明系统像质良好,长焦时能对远距离点目标高精度跟踪,短焦时能快速捕获和观察目标.     

非球面光学系统在空空导弹上的应用研究

针对多元扫描探测方式制导的空空导弹的特点,给出了一种采用非球面光学系统的设计实例。与球面光学系统相比,该设计使光学系统中镜片个数减少,结构简单,装调方便,系统的透过率增加较大。从装调出的光学系统的测试结果来看,像质满足了设计要求,成像质量接近衍射极限。测试数据满足空空导弹的战技指标要求。     

大视场、长焦距空间光学系统的设计

大视场、长焦距、小体积是空间光学系统设计研究的热点。当光学系统口径一定时 ,在相同的轨道高度条件下 ,增大焦距可以提高地面分辨率 ,增大系统的视场角可以扩大对地面的覆盖宽度。由于全反射系统具有独特的无色差等特性 ,成了目前研究热点 ,尤其是以三块反射镜组成的全反射式光学系统 ,结构最简单 ,而且像质很好。本文尝试性进行了这方面的设计 ,系统的焦距为 10m ,视场可达到6° ,所研究的光学系统三个反射面都是二次曲面 ,且所有光学面都离轴放置 ,避免了中心遮拦 ,从最后的像质评定可以看出 ,系统的质量基本上达到了衍射极限。     

猫眼隐身光学系统设计及回波分析

为降低光学设备被激光主动探测的概率,采用像面倾斜的方法来减弱光学系统的激光回波。基于光线传 输和2 维平面波角谱衍射理论,分析探测激光入射到倾斜像面光学系统的衍射光场分布特性,设计一款像面倾斜4° 的可见光系统,通过引入自由曲面校正像面倾斜带来的系统像差。结果表明：系统在奈奎斯特频率61l p/mm 处,全 视场的传递函数均高于0.58,成像质量好。像面倾斜4°的猫眼隐身光学系统,其激光回波效率相较于像面不倾斜光 学系统减弱50%以上,系统被探测到的概率明显降低。     

光学像差图像随机波前编码混合成像

研究了一种采用随机相位板消除光学像差的波前编码和数字图像处理混合成像方法.用激光散斑干涉法制作随机相位板,放置在系统成像面之前的光路中,光学像差图像被转变为随机编码中间像,使光学系统固定像差淹没在随机编码中受到削弱.建立了基于频域梯度优化的盲反卷积解码算法,用于解码中间像为无像差图像,由于采用频域共轭梯度优化,提高了解...     

消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计

基于数字微镜器件(DMD),创新性地设计了一个长出瞳距、大出瞳口径、消热差的红外目标模拟器投影光学系统。该光学系统的出瞳距为1 000 mm,出瞳口径为准120 mm,畸变小于 1%. 为了模拟-40 益目标,整个系统需工作在制冷环境中,因此对光学系统进行了无热化设计。投影物镜的设计采用了3 种材料和4 片透镜,在-40 益~20 益的范围内,系统最大离焦量小于系统焦深。分析表明,系统各视场调制传递函数( MTF) 在16 lp/ mm 处均优于0. 4,弥散班也小于 DMD 微反射镜的尺寸,畸变小于1%. 在满足长出瞳距的同时具有良好的热稳定性。     

无热化保形光学系统设计

为消除温度变化对像质的影响,根据消热差条件选取锗、硫化锌和硒化锌三种材料,利用衍射元件特殊的光热特性,设计了折/衍混合消热差的红外保形光学系统,通过优化整流罩内表面和固定校正板校正像差。软件分析结果表明,该系统在-40~60℃温度变化范围内,各个视场的光学传递函数在17 lp/mm处大于0.45,满足消热差和校正像差要求。     

色温星模拟器用抛物面离轴反射光学系统设计

为了在室内测试星敏感器对无穷远星光的跟踪能力,设计一款运用宽光谱色温光源通过平行光管来提供无穷远星光色温模拟的光学系统。该系统采用孔径离轴方式规避同轴系统存在的遮光比现象,主镜引用抛物面使得系统像质更加良好,同时结合楔形状半反半透型次镜解决了透射接收端的宽光谱消像散问题。设计指标要求为：工作波段400~900 nm,入瞳直径300 mm,焦距3 150 mm,全视场角0.05°. 实际测试结果表明：在次镜不引入非球面情况下,光学系统可实现反射端及透射端的传递函数均接近衍射极限;各视场的波像差均方根值均优于λ/30（λ为系统主波长）,出射光平行度优于1″的指标要求。     

基于波像差法的物镜成像系统设计

基于波动光学光程差建立的光学系统像差理论,波像差由理想波面算起,表示实际波面与理想波面的差距,理想波面可以理解为以理想像点为中心的一个波面,所以光程差也就是波像差。根据光学元件材料折射率对成像光束波像差进行修正,将像差理论扩展到折射光学系统,使得该理论可应用于光束斜入射成像光学系统的像差计算;在光学成像系统中考虑像方空间折射率的关系,以及入射角方向的定义,使得波像差的计算表达式保持统一;应用扩展后的像差理论对成像面光学系统进行像差分析计算,并与Zemax光线追迹结果进行对比,验证波像差理论的有效性。结果表明：该像差理论为光束斜入射成像光学系统的设计、像质评价及优化提供了有效的分析手段。     

结构参数对爆炸成型弹丸性能影响的研究

为研究聚能装药结构参数对爆炸成型弹丸性能的影响,利用三维动力有限元程序,对爆炸成型弹丸形成过程进行了数值模拟,研究了装药长径比、装药密度、药型罩材料、起爆方式以及壳体厚度对爆炸成型弹丸性能的影响规律。根据研究结果,设计了一种较优化的聚能装药,并进行了聚能装药侵彻混凝土靶板实验。实验结果表明,设计的EFP聚能装药对混凝土靶板有较好的开坑效果,开坑孔径和孔深分别接近装药口径的0.6倍和6.4倍。     

基于双Wollaston棱镜的静态光谱偏振成像系统设计

针对传统光谱偏振成像系统存在的结构复杂或有运动部件等问题,提出一种基于双Wollaston棱镜的静态光谱偏振成像系统结构。根据Stokes光谱调制理论,并利用双Wollaston棱镜的偏振特性与分光原理,设计了含有双Wollaston棱镜的静态光谱偏振成像系统。系统前置望远系统采用像方远心设计,后置偏振光谱分光系统采用物方远心设计,以实现光瞳匹配;整体结构均选用球面镜,且无运动部件,可同时获取目标的光谱和偏振信息,系统工作波段为450~ 900 nm,焦距为275 mm,口径为90 mm,视场角为2.35°. 分析结果表明：系统全视场调制传递函数在奈奎斯特频率90 lp/mm处优于0.55,成像质量接近衍射极限,满足成像需求。     

气动热环境下高速飞行器光学头罩光传输分析

气动热环境下,光学头罩由于受到气动热和热应力的作用,产生形变且其光学性质发生改变,进而影响到光学头罩内红外辐射光线的传输,使得头罩光学系统成像质量下降,最终将影响高速飞行器的制导精度。以红外成像在高速飞行器上的应用需求为背景,对头罩内光传输进行了数值仿真,得到了头罩光学系统在气动热环境中各项光学评价函数。     

A Sub-pixel Image Processing Algorithm of a Detector Based on Staring Focal Plane Array

Optical micro-scanning technology can be used to increase spatial resolution of many optical imaging systems, especially thermal imaging system. One of its key issues is relevant image processing algorithm. A fast reconstruction algorithm is proposed for two dimensional 2 × 2 micro-scanning based on the sub-pixel imaging and reconstruction principle of two-dimensional staring focal plane arrays （FPA）. Specifically, three initialization methods are presented and implemented with the simulated data, their performances are compared according to image quality index . Experiment results show that, by the first initialization approach, timely over-sampled image can be accurately recovered, although special field diaphragm is needed. In the second initialization, the extrapolation approximation in obtaining reconstruction results is better than either bilinear interpolation or over-sampling reconstruction, without requiring any special process on system. The proposed algorithm has simple structure, low computational cost and can be realized in real-time. A high-resolution image can be obtained by low-resolution detectors. So, the algorithm has potential applications in visible light and infrared imaging area.     

虚像显示系统自由曲面光学设计

为解决模拟器虚像显示系统由于离轴显示限制视场、眼点前移大幅降低边缘像质的问题,设计一种新型离轴虚像显示系统。利用像差理论,采用光线追迹方法,在全视场立体空间反向追迹光线,应用弥散斑均方根半径和平行度误差对 R2450-500-60°视景系统进行像质评价。结果表明：该设计能够改善像质,减小双目不平行度,使边缘视场角与像质达到要求。该设计系统不仅能大幅改善其光学性能,将垂直现场扩大到60°,而且实现成本较低,能进行大尺寸、大视场应用,满足多任务飞行模拟器的需求。     

紧凑折反式仿生复眼及图像快速拼接识别算法

针对多相机阵列复眼质量大与图像数据生成量高的问题,开展多通道-单探测器构型的大视场仿生复眼成像系统及其图像快速拼接识别算法的研究。通过光路折反与光程归一的方式,实现多视角子眼共像面与分区成像。根据折反式复眼成像特征,提出特征图级下基于区域结构相似性的图像快速拼接算法。配合目标识别卷积神经网络,实现紧凑空间下大视场全局图像的快速重建与目标识别。所提出的复眼系统有效光学视场角为138°×75°、光学尺寸为29.78 mm×19.74 mm× 6.86 mm、全局图像拼接速度为0.011 s。紧凑型折反式仿生复眼具有体积小、视场大、计算开销少的特点,能够为载荷与算力受限的小型无人设备与低速弹箭提供广域视觉成像与快速图像拼接识别能力。     

基于光学厚度代理模型的雾浓度估计及图像去雾

图像是现代化战争的重要信息来源,雾天环境下图像质量下降,严重妨碍战场侦察识别能力。为提高雾气环境下图像有效利用性,开展了基于光学厚度代理模型的雾浓度估计及图像去雾方法研究。针对雾天图像的相关特征,提出一个与雾气浓度紧密相关的饱和度-亮度联合特征,通过敏感度分析,确定暗通道、饱和度-亮度和色度为3个重要的雾相关特征,建立了以雾相关特征为自变量、光学厚度为目标函数的代理模型;基于光学厚度估计代理模型,提出了一种雾浓度估计方法;同时将代理模型预测的光学厚度估计值代入大气散射模型中对去雾图像进行求解。实验结果表明,该方法在雾浓度估计准确度、去雾处理效果方面优于现有方法。     

制冷式红外长波折衍混合消热差摄远物镜设计

针对坦克红外观瞄系统的总体设计要求,为了满足战场环境下红外目标探测的需求,设计了一种制冷式红外长波折衍混合消热差摄远物镜。摄远物镜由物镜组和中继镜组构成,焦距为-200 mm,F数为2.1,全视场角为3.6°. 探测器选用Sofradir公司生产的MARS-VLW型红外长波焦平面阵列,其分辨率为320×256像素,象元尺寸为30 μm×30 μm. 试验结果表明：在截止频率17 cy/mm时,温度-40 ℃~60 ℃范围内,该摄远物镜各视场的调制传递函数（MTF）均大约为0.5,点列图均方根半径均远小于艾利斑半径34.5 μm,并实现了100%冷光阑效率。该红外摄远物镜虽然是针对坦克红外观瞄系统的要求而设计的,但其结构紧凑,在-40 ℃~60 ℃温度范围内,像质优良且稳定,也可用于其他红外观瞄系统。     

基于DSP 的多源图像融合系统

针对传统红外侦察方法存在的不足,为综合紫外、红外和可见光的成像优点,系统采用DSP为处理核心,构建一种小型实时多源图像融合系统,通过光机结构设计,经过倍率调整和数字位移,以及一系列试验进行多光谱的融合。实验结果表明,系统设计合理,能够完成多源图像的融合。该系统具有体积小、重量轻、功耗低、处理速度快和工作模式灵活可选等特点,非常适合载荷能力有限、需执行多样化任务的无人机搭载应用。