推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统

摘要

一种推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统，通过采用红外光纤传像束和相应图像处理技术，将大型红外光电成像系统对超长线列探测器及其相关制冷技术研制开发要求转换为应用目前成熟的红外焦平面阵列技术和计算机图像处理技术，可获得更高的分辨率和优良的性能，有利于优化系统设计，降低系统复杂性，减小光电成像系统体积和重量，适合各种平台上大型监测、对空监视和对地遥感光电成像系统的应用。本发明系统包括依次成光学连接的超长线列光纤阵、扫描成像光学红外系统、红外光纤传像束、光纤面阵成像耦合器和红外焦平面阵列FPA，以及光电转换传输接口，后接该系统的图像处理部分。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种红外焦平面传像束变换光电成像装置，具体地说是一种超高分辨率大型红外光电成像系统焦平面空间变换及处理系统，其优化了系统设计，降低系统复杂性，减小成像系统体积和质量，尤其适合各种平台上大型监测、对空监视和对地遥感光电成像系统应用。

背景技术：

红外探测已成为大型监测、对空监视和对地遥感光电成像系统重要手段之一。在高分辨率、大视场红外成像中，推扫作为一种先进技术得到了人们的关注。例如导弹预警卫星要求采用6000长线阵列探测器完成一维成像，通过摆动扫描机构实现另外一维成像，这样的模式可以提供快速的区域覆盖。在侦察中，希望以推扫的方式高效率的获得地面景物图象，推扫方式在高分辨率系统中的优越性早在法国的SPOT系列得到了明确的证明。空间分辨率10米，刈幅宽度80km，则需要8000元的长波红外探测器。所以近年来人们对红外焦平面技术、长寿命的空间大冷量制冷技术投入了大量的研究，从不同的角度来解决预警和侦察中的技术难题。

超长线列探测器是超高分辨率红外成像系统核心技术。法国Sofradir研制成功了性能优越1500元中波红外探测器。更长线列器件则未见报道。凝视型面阵焦平面由于近年热像仪技术的大量应用而获得较大进展。法国Sofradir、中国北京11研究所、上海技术物理研究所都有产品。

另外，传像束光纤近年有长足进展，在光谱仪器、医疗仪器、导弹告警接收器等方面都有应用。中国北京玻璃研究院于1999年研制了用As-S芯包光纤制备1-6μm波段应用的红外光纤传像束。

可见，采用性能可靠的小规模面阵器件，通过光纤传像束进行成像变换，获得超长线列红外探测器具备基本条件。

发明内容

如上所述，如何解决现有推帚式红外光电成像系统对超长线列探测器及相应制冷技术提出的难题，以满足大型监测系统和航天航空遥感系统对高分辨率成像系统要求，乃是本发明的要解决的技术问题。为此本发明的目的是提供一种光纤传像束变换光电成像系统，利用技术较为成熟的焦平面阵列(FPAs)实现成像，该成像系统不仅能满足推帚式高分辨率成像系统对超长线列探测的要求，同时可以利用成熟的焦平面阵列(FPAs)制冷技术解决探测器制冷难题。

本发明解决其技术问题的构思是：采用一种特殊排列的红外光纤传像束，一端排成线列，一端排成面阵，通过直接或间接耦合的方式，实现超长线列探测向面阵探测器件的转换。超长线列探测放置于扫描光学成像系统焦平面上，通过红外光纤传像束将超长线列探测变换为面阵FPAs探测，通过交错密致排列的超长线列解决目前加工超长线列光纤传像束的工艺困难，同时制冷问题转化为面阵FPAs探测器制冷这一成熟技术问题，这样，就能解决超长线列加工和制冷难题。

本发明的技术解决方案如下：

根据本发明的一种推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统，包括一扫描成像红外光学系统和一图像处理部分，特点是：还有一位于该扫描成像红外光学系统的焦平面上的超长线列光纤阵和依次以光学后连接该扫描成像红外光学系统并将在其焦平面上形成的图像进行空间变换的一红外光纤传像束、一光纤面阵与一红外焦平面阵列FPA以及后接所述红外焦平面阵列FPA的一光电转换传输接口，该传输接口连接该图像处理部分。

所述的超长线列光纤阵为入射光端六角形密致排列的红外光纤传像束或入射光端交错密致排列的红外光纤传像束；

所述的光纤面阵由六角形密致排列的多排红外光纤的横截面构成，或由正方形小方阵排列方式排列成方阵的多排红外光纤的横截面构成；

进一步所述光纤面阵经一成像耦合器与该红外焦平面阵列FPA成光学耦合连接，所述成像耦合器为透镜成像耦合器；或所述光纤面阵与所述红外焦平面阵列FPA成直接光子耦合或由一成像耦合器成光学连接耦合，所述光学耦合器为透镜成像耦合器分项可取的是，所述透镜成像耦合器为变焦透镜成像耦合器。

本发明的优点是：

1、由于采用红外光纤传像束和相应图像处理技术，将大型红外成像系统对超长线列探测器及其相关制冷技术研制开发要求转换为应用目前成熟的红外焦平面阵列技术和计算机图像处理技术，有利于优化系统设计，降低系统复杂性，适合应用于各种平台上大型监测、对空监视和对地遥感光电成像系统；

2、红外光纤传像束采用线面转换的异型光纤传像束，完成图像超长线列探测到面阵探测的空间变换，易于实施；

3、红外光纤传像束输出可以通过直接耦合或透镜成像耦合方式成像到红外焦平面阵列FPA上，结构简明；

4、只需要根据红外焦平面阵列FPA要求采取相应的制冷技术，解决了制作超长线列探测器的制冷难题；

5、从红外焦平面阵列FPA上输出图像，经过图像处理部分进行相应处理和空间逆变换，恢复扫描光学成像系统焦平面处的刈幅图像，然后经过连续获得的时间序列刈幅图像融合成最终图像；

6、图像取自扫描成像光学系统焦平面，因而可以应用于宽视场和窄视场光电成像系统；

7、红外光纤传像束超长线列光纤阵由六角形密致排列的多排光纤组成，有利于进一步提高系统分辨率和可靠性，改善系统信噪比等性能；

8、由六角形密致排列的多排光纤组成的超长线列光纤阵，通过采取交错排列方式，可以简化光纤加工工艺，缩短系统研制开发周期；

9、采用直接耦合方式时，对准误差可以为光纤的包层厚度，满足这一理想耦合条件将具有很高的耦合效率；

10、采用透镜成像耦合方式可以克服直接耦合方式对加工工艺的苛刻要求，只要透镜成像耦合器能够将输出光纤面阵成像在分辨率等于或高于输出光纤面阵分辨率的FPA上，可以得到较为理想的成像效果。

11、采用可变焦透镜成像耦合器，可以使光电成像系统适应不同分辨率和焦平面尺寸的红外焦平面阵列FPA，增强系统的灵活性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的红外光纤传像束光电成像系统结构示意图；

图2是本发明的红外光纤传像束结构图；

图3是本发明的红外光纤传像束入射光端密致排列图；

图4是本发明的红外光纤传像束入射光端交错排列图；

图5是本发明的红外光纤传像束输出端方阵排列与耦合示意图；

图6是本发明的透镜成像耦合示意图。

具体实施方式

下面根据图1-图6给出本发明一个较好实施例。但它不是用来限制本发明，而是用来更好的说明本发明的结构特征和功能特点。

在图1中，超长线列光纤阵2放在扫描成像红外光学系统1的焦平面上，并将焦平面图像经过红外光纤传像束3进行空间变换后输出到光纤面阵4，经过成像耦合器5在红外焦平面阵列FPA6上成像，所形成的图像经过传输接口7传送到图像处理部分8进行相应图像处理。

图2所示的红外光纤传像束结构图中，超长线列光纤阵2可以选用图3所示红外光纤传像束入射光端六角形密致排列方式或者图4所示红外光纤传像束入射光端交错密致排列方式。本实施例中，超长线列光纤阵2是由六角形密致排列的多排光纤组成，这种技术将有利于进一步提高系统分辨率和可靠性，改善系统信噪比等性能。

图2所示的红外光纤传像束结构图中，输出光纤面阵4可以选用图3所示的密致排列方式或者选用图5所示的正方形小方阵排列方式排列成方阵。

图5所示的正方形小方阵排列方式与红外焦平面阵列FPA6的像元9一一对应，可以构成直接耦合方式。如果每个像元能够全部接收对应光纤纤芯11出射的全部光能，则为理想耦合，即使光纤包层10超出FPA像元9也不构成影响，因此，对准误差可以为光纤的包层厚度，超过包层厚度的对准误差将带来额外的光能损失和图像失真。

图6所示透镜成像耦合方式可以克服图5所示直接耦合方式对加工工艺的苛刻要求，对密致排列方式或者正方形小方阵排列方式排列的输出光纤面阵4均能成像到FPA6上，虽然这种耦合方式带来的能量损失比图5所示直接耦合方式要大一些，其最大优点就是只要透镜成像耦合器5能够将输出光纤面阵4成像在分辨率等于或高于输出光纤面阵4分辨率的FPA上，就可以得到较为理想的成像效果。

输出光纤面阵4直接耦合或通过成像耦合器5到红外焦平面阵列FPA6上输出图像，经过图像处理部分8进行相应处理和空间逆变换，恢复扫描光学成像系统焦平面2处的刈幅图像，然后经过连续获得的时间序列刈幅图像融合成最终图像。

上述的透镜成像耦合器进一步可取用变焦透镜成像耦合器。