空间红外光学系统技术综述

红外光学系统用于探测目标自身辐射,可昼夜工作。随着空间技术的飞速发展,对空间分辨力以及对观测目标覆盖面积的要求越来越高,大口径大视场的空间红外光学系统在空间对地以及对其它星球遥感观测中广泛应用。介绍了大口径大视场空间红外光学系统的几种结构形式及其优缺点和发展趋势。     

无遮拦折反射红外光学系统

提出了一种新型无遮拦红外折反射光学系统的设计方法以解决原系统存在的中心遮拦问题。分析了传统离轴两反望远系统由于存在线性像散而无法实现无遮拦设计的原因,给出了消线性像散的条件。基于上述条件提出了通过对接共轴透镜组实现无遮拦折反射系统设计的基本思想。最终,通过联接不同的中继镜组完成了无遮拦中波、长波红外系统的设计。设计的应用于制冷型3~5μm中波和8~12μm长波红外的两套无遮拦折反光学系统的焦距为200mm,F数为2,全视场为2.75°×2.2°。各视场光学传递函数显示设计的光学系统的成像质量接近衍射极限。得到的结果表明,利用消线性像散的共焦离轴两反系统与同轴透镜组联合设计,可以得到高性能无遮拦的折反射红外光学系统。     

大口径折反射式变焦距物镜的设计

本文介绍了一种大口径变焦距物镜的设计方法,该方法将整体光学系统分为前后两个部分,在前端光学系统采用反射式的结构来满足大口径的要求,后端光学系统采用将变焦距物镜倒接的方式,在系统的一次像面处进行组合,通过对后端倒接变焦距物镜的优化设计保证系统的成像质量。同时,通过具体的实例加以验证说明,从设计的结果看这种设计方法是可行的,并能保证系统结构的简单紧凑,解决了大口径光学系统在实现连续变焦时光学系统设计困难的问题。     

大口径红外光学系统透过率测量装置

针对大口径红外光学系统的整机透过率测量难题,提出了基于图像灰度的单通道红外透过率测量方法,搭建了大口径红外光学系统整机透过率测量装置。首先,将黑体和靶标按照指定位置关系放置于待测红外光学系统的焦平面处,将红外热像仪放置于待测红外光学系统的入光口,采集被测系统的辐射图像;接着,将黑体放置于红外热像仪前,采集黑体辐射图像;最后,分别计算被测系统辐射图像均值和黑体辐射图像均值,二者比值即为被测系统的透过率。以某型大口径红外光学系统作为被测系统,开展了红外透过率测量实验。实验结果标明：本文方法测量值与设计值的绝对误差为0.85%,对测量结果不确定度进行分析,测量精度约为1.04%,测量方法可行。此方法测量过程简单,为大口径红外光学系统的整机性能评估提供了有效手段。     

光学相关红外目标识别算法研究

为了解决联合变换相关器对红外目标难以识别的问题,研究了一种基于二进小波边缘检测和迭代阈值相结合的红外目标识别算法,设计了一种新型滤波器,对输入物面滤波.经过滤波处理后的物面能够更大程度上体现图像的特征信息,抑制噪声.实验结果证实该方法能有效提高光学相关红外目标识别的能力.     

大相对孔径非制冷红外光学系统无热化设计

针对当前军工红外成像仪器小型化及宽温度适应性的需要,采用光学被动式无热化方法对8~12μm波段设计了一款镜头。该镜头F数为1、焦距为40mm、视场为16.8°、温度适应范围为-40~65℃。设计结果显示,在要求的温度范围内,系统无需调焦,像质接近衍射极限,达到无热化的性能要求。     

红外目标识别与跟踪系统的硬件设计

本文设计并实现了一种基于DSP的实时处理的红外图像识别跟踪系统。该系统以高速数字信号处理器TMS320C6416作为核心器件．并与CPLD相结合．满足了实时性要求。     

基于DMD的红外仿真光学系统设计

红外仿真系统在红外成像制导系统的研制中起着重要作用,文中根据DMD特性和红外仿真的具体要求,进行了红外仿真光学系统的初始结构计算。并使用Zemax光学设计软件对光学系统进行优化,得到了满意的仿真结果,并对红外仿真的发展进行了展望。     

红外多目标复合仿真光学系统设计

基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外,采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式,通过在平行光路中引入平面耦合镜,实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化,之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm,视场为±4°,全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6,接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据,结果表明,MTF在20 lp/mm时大于0.3,完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器,对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。     

分孔径三视场中波红外光学系统

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

光电跟踪仪目标仿真系统设计

舰载光电跟踪仪需全天候工作,具有信息量大、可视性强、分辨率高等特点,是舰船情报系统的重要组成部分。设计了一种针对舰船和空中目标进行光电跟踪的仿真系统,介绍了该系统的组成和仿真软件的功能模块,通过对该系统的静态和动态目标跟踪能力分析与测试,证实该系统可以对舰载光电跟踪仪跟踪能力进行全面的测试。     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

红外无热化混合光学系统设计

分析了衍射光学元件在红外折/衍混合光学系统中特殊的热差特性,并利用衍射光学元件特殊的消热差和色散特性,设计并制成了3μm~5μm波段上适用于-45℃~60℃的红外无热化混合光学系统,且给出了测试结果。线扩散函数在80%能量内的光斑大小为33μm,接近一个像元的大小。温度测试结果表明,该系统在要求的较宽工作温度范围内性能稳定,像质优良,而且体积小,重量轻,结构简单。     

基于均值偏移快速算法的红外目标跟踪

在光电跟踪设备中,传统的嵌入式跟踪器一般采用形心、相关等算法,在复杂背景下或目标受到遮挡时会丢失目标。为了能够使目标跟踪器具有抗遮挡的能力,在嵌入式目标跟踪平台上引入了均值偏移算法。在硬件的设计上,利用FPGA并行运算效率高的特点,设计了基于FPGA的直方图统计计算模块,该模块实时的将每一帧的直方图计算结果存储在SDRAM上,然后利用DSP进行均值偏移的迭代运算,在算法上针对红外图像设计了融合图像位置和像素灰度特征的改进核函数直方图作为目标特征,并提出了改进的快速均值偏移算法使其满足DSP的运算速度要求。实验表明系统在背景复杂和目标受局部遮挡时可以连续跟踪目标。跟踪性能好于传统的以型心为算法的跟踪器。在目标区域大小为64×64像素大小时,平均计算速度为22 ms。该系统和所使用的算法可支持大部分红外相机对目标的实时稳定跟踪。     

衍射双波段红外光学系统设计

基于定向光栅能对不同波长的不同级光谱闪耀的原理,从一种比较新颖的角度将衍射光学元件成功地应用于双波段红外光学系统设计,使系统在衍射效率达80%的中波红外波段3.8～4.2μm和长波红外波段8.8～11.5μm同时较好地完成像差校正,会聚到共同的焦点。最后以一个f/2单透镜衍射光学系统进行了验证。设计结果表明,此双波段光学系统结构紧凑、原理简单、不需要额外的机械设备,为双波段成像、探测提供了一条新的思路。