制冷型中/长波红外双波段全景成像光学系统设计

摘要

随着全景成像和红外探测技术的快速发展，多波段双视场高分辨率成像光学系统逐步代替单波段单视场低分辨率光学系统，成为当前军事科学技术研究的热点。光学系统朝着实时快速地探测目标、精确地追踪和测量目标发展，成为当前的主流趋势。红外双波段成像系统可以同时在两个波段内获取目标信息，不受复杂背景光的干扰，从而可以明显地降低虚警率。双视场两档变焦光学系统具有两个视场，短焦大视场模式用于观察和快速搜索目标;长焦小视场模式用于对目标进行识别、追踪和瞄准。双视场两档变焦光学系统与连续变焦光学系统相比，切换速度更加快捷，结构设计更加轻巧简单，在光路转换过程中，防止了高速移动目标的信息丢失。
　　针对上述问题，本文采用多镜头拼接、空间视场交互部署的全景成像方法，论证了两种多通道红外全景成像系统结构模型设计方案的优缺点，本文采用方位360°垂轴122°视场的四通道红外全景成像系统结构模型设计方案。每一个成像通道的光学系统类型为制冷型中/长波红外双波段双视场光学系统。
　　光学系统的构型设计采用二次成像结构，结合变焦光学系统的高斯理论，计算出了双视场两档变焦光学系统的初始结构参数。设计的光学系统F数为2，工作波段为中波3.5～4.8μm、长波7.8～9.8μm，双视场两档焦距之比为5，通过轴向移动变倍组可以完成122°/44.49°双视场转换。
　　利用折/衍混合器件及非球面设计技术，采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。对制冷型光学系统进行了冷反射分析，对于YNI值小于1的光学表面进行了逆向光学追迹，以便进行全面的冷反射效应分析。设计结果表明，光学系统的弥散斑半径均在一个像元尺寸28μm以内。在奈奎斯特频率为18lp/mm处，边缘视场的中波红外系统MTF达到0.6以上，边缘视场的长波红外系统MTF达到0.4以上，均逼近衍射极限。光学系统具有100％冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃内像面稳定，光学系统像质良好，满足系统的使用要求。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 全景成像技术的实现方法

1．2．1 旋转扫描式图像拼接法

1．2．2 折反射全景成像法

1．2．3 特殊结构形式实现全景成像

1．3 红外全景成像系统的发展现状

1．3．1 国外红外全景成像技术理论发展现状

1．3．2 国外红外全景成像技术应用发展现状

1．3．3 国内红外全景成像的发展状况

1．4 本文研究的主要目的

1．4．1 本文研究的主要内容

1．4．2 本文的组织结构

1．5 本章小结

2 制冷型红外全景系统总体设计

2．1 总体设计路线

2．2 设计要求

2．3 工作原理

2．4 全景系统总体结构物理模型设计

2．5 光学系统方案设计

2．6 红外光学材料

2．6．1 红外光学材料的主要性能

2．6．2 常见的红外光学材料

2．7 本章小结

3 光学系统设计

3．1 引言

3．2 制冷型红外光学系统的特点

3．2．1 红外光学系统的特点

3．2．2 制冷型红外光学系统的设计原则

3．3 变焦距系统的高斯理论

3．3．1 变焦距系统的基本原理和补偿方法

3．3．2 双视场两档变焦理论

3．4 制冷型红外光学系统设计

3．4．1 设计参数要求

3．4．2 初始结构设计与二次构型设计

3．5 中／长波红外双波段公共变焦部分初始结构设计及优化

3．5．1 变焦系统初始结构设计理论

3．5．2 初始结构选择

3．5．3 初始结构分析及优化

3．6 小结

4 系统像质评价及性能分析

4．1 优化设计

4．2 系统优化结果

4．3 像质评价

4．4 能量分布与计算

4．5 探测盲区范围计算

4．6 小结

5 光学系统消热差及冷反射分析

5．1 光学系统消热差

5．1．1 温度效应

5．1．2 系统消热差概述

5．1．3 消热差的设计方法

5．1．4 光学被动式消热差

5．1．5 光学被动式消热差结果

5．2 系统冷反射分析

5．2．1 冷反射效应

5．2．2 冷反射表征量与分析方法

5．2．3 冷反射结果分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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