一種用于目標(biāo)探測跟蹤的紅外變焦系統(tǒng)設(shè)計

李正　王文生　張桂源

摘要：針對軍用裝備目標(biāo)探測的應(yīng)用需求，設(shè)計了一種15倍非制冷式紅外變焦系統(tǒng)。該變焦系統(tǒng)工作于8～12 μm遠(yuǎn)紅外波段，F(xiàn)數(shù)為3，在20～300 mm范圍內(nèi)系統(tǒng)能夠連續(xù)變焦且像質(zhì)較好，在最大截止頻率為11 lp/mm時，各焦距位置的MTF曲線與衍射極限十分接近。在長焦距、大變倍比的前提下，結(jié)構(gòu)依然緊湊，總長度有效控制在330 mm。在給定公差范圍內(nèi)，像質(zhì)變化滿足實際應(yīng)用允許的變化范圍。最后，該系統(tǒng)與聯(lián)合變換相關(guān)器相結(jié)合，完成了對目標(biāo)的探測實驗。實驗結(jié)果表明，該紅外變焦系統(tǒng)能夠很好地探測識別目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：紅外變焦系統(tǒng)；遠(yuǎn)紅外；光學(xué)設(shè)計；目標(biāo)探測；目標(biāo)跟蹤；聯(lián)合變換相關(guān)器

中圖分類號：TJ760；TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0027-05

0、引言

近年來，隨著光學(xué)相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的武器裝備將紅外變焦系統(tǒng)和聯(lián)合變換相關(guān)器結(jié)合在一起對目標(biāo)進(jìn)行探測與跟蹤。紅外變焦系統(tǒng)是武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠連續(xù)獲取特定焦距范圍內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，既可大視場搜索視野區(qū)域，也可小視場詳察目標(biāo)。聯(lián)合變換相關(guān)器對變焦系統(tǒng)的成像進(jìn)行圖像處理后可獲取目標(biāo)位置與俯仰角等重要信息，火控跟蹤系統(tǒng)以此為依據(jù)完成精確制導(dǎo)?？梢哉f，紅外變焦系統(tǒng)的成像質(zhì)量決定著目標(biāo)識別精度的高低，同時制約著武器裝備戰(zhàn)斗能力的強(qiáng)弱。

國外對紅外變焦系統(tǒng)有相當(dāng)多的研究，如Barr&Stroud公司針對8～13 μm遠(yuǎn)紅外波段設(shè)計了一系列應(yīng)用于掃描系統(tǒng)的變焦鏡頭，能夠達(dá)到10倍最佳變焦比。Wescan公司針對3～5 μm中紅外波段設(shè)計了一款F數(shù)為4的20倍變焦系統(tǒng)，焦距在20～400 mm范圍內(nèi)變化。國內(nèi)對變焦系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已有多家單位具備紅外變焦系統(tǒng)設(shè)計和加工的能力。浙江大學(xué)光學(xué)工程中心設(shè)計了一種F數(shù)為2的遠(yuǎn)紅外波段變焦系統(tǒng)，變倍比為3，焦距在32～96 mm間連續(xù)變化。針對折反式的變焦結(jié)構(gòu)，長春光機(jī)所研發(fā)了一種遠(yuǎn)紅外波段的大口徑變焦系統(tǒng)，焦距在750～3000 mm的范圍內(nèi)變化。

對于紅外圖像采集的變焦系統(tǒng)來說，存在紅外光學(xué)材料種類較少且價錢昂貴等限制，在兼顧應(yīng)用所需變焦比的同時，還要使系統(tǒng)具有大相對孔徑，從而獲取足夠的光通量完成遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測。本文基于武器裝備瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的需求設(shè)計了一款變倍比為15的紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)數(shù)為3，焦距在20～300 mm范圍內(nèi)連續(xù)變化。該系統(tǒng)由七片透鏡組成，成像質(zhì)量較好，結(jié)構(gòu)緊湊。將聯(lián)合變換相關(guān)器和紅外變焦物鏡結(jié)合在一起，突出紅外變焦系統(tǒng)連續(xù)跟蹤目標(biāo)圖像，聯(lián)合變換相關(guān)器精準(zhǔn)識別定位目標(biāo)的優(yōu)勢，完成瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計。

1、原理

1.1 聯(lián)合變換相關(guān)器

聯(lián)合變換相關(guān)器是一種用于目標(biāo)識別的光電混合系統(tǒng)，整個系統(tǒng)依照光學(xué)相關(guān)原理進(jìn)行工作，利用數(shù)學(xué)方法對所接收信號的波長、相位以及強(qiáng)度等信息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，最終得到相關(guān)峰輸出，從而完成復(fù)雜區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的探測跟蹤。

圖1所示為聯(lián)合變換相關(guān)器工作原理圖，激光束經(jīng)衰減器、準(zhǔn)直透鏡組、偏振器等裝置進(jìn)行調(diào)制得到準(zhǔn)直相干光，經(jīng)半反半透鏡分為兩條光路，作為兩次傅里葉變換的照明光源。PCI中存儲著與探測目標(biāo)相同的參考圖像，由光學(xué)系統(tǒng)采集到待測區(qū)域的圖像信息，經(jīng)電腦制作與參考圖像合為一張聯(lián)合圖像后一起寫入電尋址液晶EAL-CD1，聯(lián)合圖像經(jīng)一次傅里葉變換得到聯(lián)合變換功率譜，由探測器CCD2接收并存儲到PC2中，再將聯(lián)合變換功率譜寫入電尋址液晶EALCD2，經(jīng)傅里葉逆變換，得到相關(guān)輸出，被探測器CCD3獲取傳輸?shù)絇C3中。當(dāng)聯(lián)合圖像經(jīng)過衍射現(xiàn)象和傅里葉透鏡共同作用之后會得到二者的相關(guān)峰輸出，通過觀察相關(guān)峰的強(qiáng)度，確定參考圖像與被測目標(biāo)之間的一致性。若待測區(qū)域內(nèi)不存在被測目標(biāo)，則沒有相關(guān)輸出。相關(guān)輸出的兩個亮斑越明顯，則探測到目標(biāo)的可能性就越大，反之，則探測范圍內(nèi)存在目標(biāo)的可能性較小。

1.2 變焦距光學(xué)系統(tǒng)

變焦距光學(xué)系統(tǒng)的焦距在限定范圍內(nèi)可進(jìn)行改變，對于不同焦距位置，系統(tǒng)視場角不同，所觀測到的景物大小也不同。為了保證變焦過程中像面位置穩(wěn)定不變，需要某些組元作相對運(yùn)動來補(bǔ)償變焦過程產(chǎn)生的像面移動。采用機(jī)械補(bǔ)償方法的變焦系統(tǒng)中，各運(yùn)動組元按照復(fù)雜規(guī)律運(yùn)動實現(xiàn)系統(tǒng)變焦以及像移補(bǔ)償，在一定焦距范圍內(nèi)能夠連續(xù)變焦，相對孔徑基本不變，像面位置不發(fā)生變化。這種光學(xué)系統(tǒng)每個組元的光焦度均為定值，通過使運(yùn)動組元作相對運(yùn)動而改變各組元空氣間隔，從而有效改變系統(tǒng)焦距。

以典型的四組元系統(tǒng)為例對變焦方程進(jìn)行分析，只討論產(chǎn)生像面位移的運(yùn)動組元，變焦方程見式（1）。假設(shè)變倍組移動曲的距離，引起整個變焦部分的像面位移量為m²₃（1-m²₃）dq，補(bǔ)償組的非線性移動距離由d△表示，它所引起的像移量為（1-m²₃）d△。保證系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定不變，兩個運(yùn)動組元產(chǎn)生的像移量之和必須為零。

其中：m₂——變倍組的垂軸倍率：

m²₃——補(bǔ)償組的垂軸倍率。

對變焦方程求解，得通解：

假設(shè)變倍組和補(bǔ)償組的變焦起始位置位于系統(tǒng)長焦，此時，m₂=m_2l，m₃=m_3l，可得

將式（2）和式（3）進(jìn)行減法運(yùn)算，得變焦方程特解：

以補(bǔ)償組的倍率為自變量建立方程：

對式（5）求解，得到互為倒數(shù)的兩個根，該結(jié)果與物像交換原則相一致。

2、紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

本文研究的裝備瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，針對目標(biāo)的長波紅外輻射進(jìn)行探測識別，既可大視場搜索視野區(qū)域，也可小視場詳察目標(biāo)。變焦光學(xué)系統(tǒng)接收目標(biāo)的紅外福射能量后，由聯(lián)合變換相關(guān)器對接收信號進(jìn)行光學(xué)相關(guān)處理，得到目標(biāo)與參考圖像的一對相關(guān)輸出，以此為依據(jù)完成制導(dǎo)對象的識別和位置判斷。

通常來說，紅外光學(xué)系統(tǒng)盡量采用大相對孔徑設(shè)計，確保盡量多的光通量進(jìn)入系統(tǒng)，以此彌補(bǔ)熱輻射能量微弱的特點。本文根據(jù)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的總體指標(biāo)制定光學(xué)參數(shù)，該系統(tǒng)以8～12 μm長波紅外作為工作波段，主要承擔(dān)實時獲取目標(biāo)紅外輻射的作用。為擴(kuò)大該瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的探測范圍，提升其遠(yuǎn)距探測能力，本文設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)在20～300mm焦距范圍內(nèi)進(jìn)行15倍連續(xù)變焦，采用機(jī)械補(bǔ)償方式補(bǔ)償變焦過程中產(chǎn)生的像面漂移，相對孔徑為3。選用320×240元的非制冷式紅外探測器成像，像元尺寸為45 μm×45 μm，參照空間頻率計算公式求得，該探測器具有11 lp/mm的極限分辨能力。系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。

2.2 設(shè)計過程

通過查找專利庫選取初始結(jié)構(gòu)，該初始結(jié)構(gòu)由九片透鏡組成，材料均為鍺紅外材料。初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成像質(zhì)量如圖2所示，MTF曲線比較低，且出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)的偽分辨現(xiàn)象，像質(zhì)不符合要求。應(yīng)用Zemax軟件作為優(yōu)化工具，通過人工調(diào)校與自動優(yōu)化相結(jié)合的方法修改初始結(jié)構(gòu)，參照軟件自帶像質(zhì)評價功能對成像質(zhì)量進(jìn)行評估。

紅外光學(xué)材料價錢昂貴，且光線在經(jīng)過多片透鏡后會有部分能量損耗，從降耗、減重、降本等多方面考慮，將初始結(jié)構(gòu)的九片透鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化為七片式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總長約束為330 mm，系統(tǒng)緊湊，可在有限空間內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用。前固定組選用一片聚焦透鏡，有效降低第二個組元（變倍組）上光線的入射高度，增加整個系統(tǒng)的視場角。變倍組在移動過程中承擔(dān)光線偏角的變化量較大，所以依然保持兩片透鏡組合形式，正彎月透鏡與負(fù)彎月透鏡相互抵消自身產(chǎn)生的球差，同時也抵消了部分來自于前固定組的負(fù)球差。補(bǔ)償組含一片負(fù)彎月透鏡，兩運(yùn)動組元相對位置變化，從而完成系統(tǒng)變焦。后固定組總光焦度為正，應(yīng)用三片透鏡較好地校正自身像差和補(bǔ)償其他透鏡組剩余的正球差和軸外像差，同時有效縮短系統(tǒng)總長，并保證足夠長的后截距。

色差是影響成像質(zhì)量的重要因素之一，通常在光學(xué)系統(tǒng)中采用兩種或兩種以上光學(xué)材料能夠有效校正色差。硫化鋅是長波紅外比較常見的光學(xué)材料，通常會將其作為負(fù)透鏡材料。系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)中透鏡材料較單一，均為鍺材料，無法校正色差，在后固定組中選取一片負(fù)透鏡替換為硫化鋅材料，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計校正系統(tǒng)色差，成像質(zhì)量得以改善。光學(xué)系統(tǒng)鏡片個數(shù)減少，使得個別透鏡曲率增大，各個面承擔(dān)的光線偏折角也有所增加，由此容易導(dǎo)致過大的高級像差。對系統(tǒng)中較敏感的面引入偶次非球面，以球面作為基底，二次項設(shè)置為變量進(jìn)行優(yōu)化，校正高級像差。該系統(tǒng)變焦范圍較大，在焦距值每隔20 mm的位置便設(shè)置多重結(jié)構(gòu)，確保仿真結(jié)果不失真，便于擬合平滑的凸輪曲線。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，最終得到符合技術(shù)指標(biāo)、像質(zhì)較好的光學(xué)系統(tǒng)，變焦系統(tǒng)最終設(shè)計結(jié)果的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，多重結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2.3 像質(zhì)分析

通過多種性能指標(biāo)考量成像系統(tǒng)的像質(zhì)，兼顧每種類別的像差，將它們優(yōu)化到一定范圍內(nèi)，則認(rèn)為符合成像要求。本文通過三種綜合評價函數(shù)來分析該系統(tǒng)的像質(zhì)是否理想。

（1）MTF曲線

調(diào)制傳遞函數(shù)是能夠?qū)ο褓|(zhì)進(jìn)行綜合評估的性能判別依據(jù)，MTF曲線體現(xiàn)了不同空間頻率下光學(xué)系統(tǒng)具有怎樣的對比度傳遞能力。圖4為系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，在11 lp/mm截止頻率處觀察系統(tǒng)短、中、長焦三個位置，零視場、0.707視場和全視場的MTF曲線均高于0.5，其中中焦位置MTF曲線幾乎與衍射極限重合，表明系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果比較理想。

（2）點列圖

實際光學(xué)系統(tǒng)沒有辦法完全消除像差，物點經(jīng)過光學(xué)鏡頭后在像面呈現(xiàn)許多離散的彌散斑圖樣，通過觀察彌散斑的離散程度可以判別系統(tǒng)像質(zhì)的高低。圖5為不同焦距時變焦系統(tǒng)的點列圖，對于短、中、長焦處彌散斑最大均方根半徑分別為11.982 μm，11.002 μm和20.225 μm，多數(shù)能量聚集在艾里斑之內(nèi)，且能夠落在一個像敏單元內(nèi)，據(jù)此成像質(zhì)量達(dá)到系統(tǒng)要求。

（3）波像差

根據(jù)瑞利判據(jù)得知，如果波像差的最大值小于四分之一波長，則認(rèn)為波面偏離程度在允許范圍內(nèi)。圖6為設(shè)計結(jié)果的波像差示意圖，短、中、長焦的最大波像差分別為0.0514λ，0.0326λ和0.1587λ，均小于0.25λ。但是由于瑞利判據(jù)僅關(guān)注波像差的極大值，而忽略了波面上的局部缺陷對整體造成的影響，在某些時候可能會過大估計系統(tǒng)的像差值。所以在對像質(zhì)評估過程中，往往要綜合多種評價函數(shù)一起對像質(zhì)進(jìn)行正確判斷。

2.4 凸輪曲線

凸輪機(jī)構(gòu)帶動變倍組和補(bǔ)償組一起作特定規(guī)律的相對運(yùn)動，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)變焦。在變焦范圍內(nèi)，本文應(yīng)用插值法對系統(tǒng)構(gòu)建多個焦距位置，應(yīng)用Matlab軟件繪制擬合曲線，以此作為凸輪加工依據(jù)，凸輪曲線如圖7所示。此時以20 mm短焦位置作為初始點，縱坐標(biāo)為變倍組的線性移動距離，橫坐標(biāo)為兩運(yùn)動組元相對于初始點的位置。當(dāng)系統(tǒng)由20 mm短焦向300 mm長焦位置變化的過程中，位于兩端的運(yùn)動組元逐漸靠近，然后一起向右側(cè)移動，在靠近長焦位置處兩組元具有最小空氣間隔。

3、實驗結(jié)果

將紅外變焦物鏡與聯(lián)合變換相關(guān)器相結(jié)合構(gòu)建實驗臺，在野外進(jìn)行紅外目標(biāo)探測性能試驗。將紅外變焦物鏡采集到的實際圖像與參考圖像經(jīng)電腦合成為一張聯(lián)合圖像（如圖8所示），將其輸入聯(lián)合變換相關(guān)器，經(jīng)一次傅里葉變換得到如圖9所示的聯(lián)合變換功率譜，聯(lián)合變換功率譜經(jīng)過傅里葉逆變換，得到圖10中二、四象限的一對相關(guān)峰輸出，表明已探測到目標(biāo)。根據(jù)相關(guān)峰相對于坐標(biāo)的位置，計算目標(biāo)位置、方位角及俯仰角等重要信息，火控跟蹤系統(tǒng)根據(jù)實時采集和計算的參數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊。

4、結(jié)論

非制冷式紅外變焦系統(tǒng)與聯(lián)合變換相關(guān)器相結(jié)合作為某武器裝備的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用，對8～12Ixm波段的目標(biāo)紅外輻射進(jìn)行采集與處理，得到目標(biāo)位置及俯仰角等重要信息。該系統(tǒng)能夠在20～300 mm的大焦距范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)變焦，F(xiàn)數(shù)為3。系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，且結(jié)構(gòu)緊湊，在15倍大變焦比的技術(shù)要求下，總長僅為330 mm，有效節(jié)約了武器裝備內(nèi)部可利用空間。通過對系統(tǒng)進(jìn)行長焦距和大變倍比的設(shè)計來擴(kuò)大瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的探測區(qū)域，通過焦距實時變化而減少探測盲點，最終達(dá)到靈活偵察目標(biāo)的目的。