大視場紅外搜索系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

彭家浩，劉韜，鄧健

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春　130033）

大視場紅外搜索系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

彭家浩，劉韜，鄧健

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033）

設(shè)計了具有小型化、集成化的兼具大視場和高分辨率的紅外搜索系統(tǒng)。首先闡述了系統(tǒng)的工作原理：采用掃描成像方法將9個凝視視場的圖像拼接獲得大視場高分辨圖像；光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由偏移視場棱鏡組、掃描鏡和成像鏡頭三部分組成，光學(xué)設(shè)計的單個凝視視場范圍為6.87°×5.50°，通過上述掃描方式拼接后獲得6.87°×45.10°的大視場，對系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行了分析與評價，在20lp/mm時系統(tǒng)MTF接近衍射極限；重點(diǎn)介紹了掃描鏡機(jī)構(gòu)中傳動裝置以及圖像采集時序設(shè)計，完成加工裝調(diào)后系統(tǒng)重量52kg，掃描裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，光機(jī)設(shè)計結(jié)果均達(dá)到設(shè)計要求。

大視場；高分辨；紅外搜索；掃描成像；設(shè)計

隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展，近年來紅外搜索系統(tǒng)越來越受到人們的重視。紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的任務(wù)是可靠探測、定位和連續(xù)跟蹤在背景輻射和其他干擾下發(fā)射紅外線的物體和目標(biāo)，并且提供預(yù)警信號［1-2］。紅外預(yù)警探測系統(tǒng)是基于目標(biāo)紅外特征，以被動方式工作的搜索跟蹤系統(tǒng)，隱蔽性能好，抗電子干擾，可全天24小時工作，因此在電磁壓制時能夠和預(yù)警雷達(dá)配合使用，彌補(bǔ)雷達(dá)的不足［3］。隨著紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展，人們對紅外成像系統(tǒng)的視場和分辨率提出了更高的要求，研究大視場、高分辨率及高靈敏度的紅外目標(biāo)搜索跟蹤系統(tǒng)具有重要意義［4］。

紅外光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大視場觀測主要通過掃描成像、多鏡頭拼接成像、超大視場凝視成像三個技術(shù)途徑。掃描是紅外系統(tǒng)常用的擴(kuò)大探測視場、增加空間分辨率的方法。在總結(jié)現(xiàn)有的光機(jī)掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計實(shí)現(xiàn)視場106°，焦距120mm，有效通光口徑50mm的像旋掃描光學(xué)系統(tǒng)［5］。為了得到靶場測量中需要的大視場全景視頻圖像，將4個1.1°×0.88°的視場拼接得到一個大約3.3°×1.76°的大視場，這種拼接系統(tǒng)靠多個小視場光學(xué)系統(tǒng)得到大視場，光機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠，可用性和實(shí)用性較好［6］。采用4×3陣列式排列的12組視場角同為33°×24°的目鏡系統(tǒng)拼接成單眼目視光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的大視場設(shè)計［7］。法國Artemis采用3個傳感器實(shí)現(xiàn)360°全景成像，同時保持全凝視概念的高性能水平，紅外搜索跟蹤傳感器單元以10Hz的頻率在中波紅外波段（3～5μm）完成場景獲取，方位視場大于120°、高低視場26°，其中紅外搜索跟蹤傳感器單元采用一個單一的具有先進(jìn)紅外焦平面陣列的被動紅外成像器在視場中的每個單獨(dú)區(qū)域以高速率獲取初步的圖像，再通過圖像拼接獲得整個場景圖像［8］。

本文旨在設(shè)計具有小型化、集成化的兼具大視場和高分辨率的紅外搜索成像系統(tǒng)。此系統(tǒng)將在未來軍事應(yīng)用中的水面艦艇對空中和海面威脅的感知能力提升、機(jī)載紅外告警系統(tǒng)等方面具有不可比擬的優(yōu)勢，對提高我國的國防力量，增強(qiáng)我軍紅外成像、光電防御等方面將起到至關(guān)重要的作用。

1　系統(tǒng)工作原理

為解決大視場和高分辨率成像之間的矛盾，本文通過偏移視場棱鏡組與掃描鏡機(jī)構(gòu)結(jié)合方式解決這一問題，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。其中偏移視場棱鏡組由9組棱鏡組成，均勻分布在掃描鏡機(jī)構(gòu)的掃描圓周上，每組棱鏡位置對應(yīng)一個偏移視場。掃描鏡機(jī)構(gòu)由兩塊45°平行反射鏡組成，在伺服控制下圍繞成像系統(tǒng)光軸中心線轉(zhuǎn)動，這種掃描方式最大的特點(diǎn)是：視場拼接只與偏移棱鏡有關(guān)，而與掃描運(yùn)動無關(guān)；掃描鏡的控制要求低，勻速轉(zhuǎn)動，不需要在棱鏡位置停頓，轉(zhuǎn)動中有擺動也不影響成像。

圖1　偏移視場棱鏡組分布

該系統(tǒng)由多個偏移視場棱鏡組通過掃描鏡組共用一組成像光學(xué)系統(tǒng)。掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動經(jīng)過每個棱鏡視場，按特定的時序在積分時間內(nèi)采集圖像，再利用拼接算法將這些圖像按采集時間拼接為全景大視場。本文主要介紹系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分。

2　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由偏移視場棱鏡組、掃描鏡和成像鏡頭三部分組成，如圖2所示，偏移棱鏡組通過光學(xué)掃描的方式實(shí)現(xiàn)對單個凝視視場的視場偏移，掃描鏡實(shí)現(xiàn)對各偏移視場的選通掃描成像。單個凝視成像鏡頭工作波段為中波紅外，焦距為75mm，F(xiàn)數(shù)為2，單個凝視視場為6.87°×5.50°，9個凝視視場水平拼接，由于拼接過程中存在視場重疊，因此拼接后的視場為6.87°×45.10°，全視場圖像刷新頻率為10Hz，探測器像元數(shù)為320×256，像元大小為30μm，拼接后圖像的像元數(shù)為320×2304（256×9）。

圖2　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.2偏移視場棱鏡組設(shè)計結(jié)果

偏移視場棱鏡以光學(xué)掃描的方式實(shí)現(xiàn)了大視場，中心無偏移視場棱鏡為厚度為8mm的平行硅板，其余8組棱鏡負(fù)責(zé)偏移的角度兩兩對稱分別為± 5°、±10°、±15°及±20°，4對偏移視場棱鏡組均由硅及鍺兩種材料組成，且第一塊棱鏡的后表面與第二塊棱鏡的前表面平行，二者間隔均為1mm，第二塊棱鏡的后表面為平面，由于棱鏡傾斜角度規(guī)整會引起一定的視場偏移，經(jīng)分析該偏移量均小于一個像元。偏移棱鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1　偏移棱鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3像質(zhì)評價

系統(tǒng)成像質(zhì)量主要由后端的成像鏡頭決定，后端成像系統(tǒng)口徑D=40mm，F(xiàn)數(shù)為2，單個凝視視場為6.87°×5.50°。系統(tǒng)設(shè)計時采用硅及鍺兩種紅外材料，所有鏡片均為球面，中間三片作為調(diào)焦鏡，實(shí)現(xiàn)溫度及距離調(diào)焦功能，通過二次成像的冷闌匹配設(shè)計提升系統(tǒng)的雜散光抑制能力，從而保證圖像質(zhì)量。最終形成如圖1所中所示的光學(xué)系統(tǒng)，其成像系統(tǒng)MTF曲線及像差曲線如圖3及圖4所示。從圖中可以看出，在探測器的特征頻率20lp/mm處，不管是中心視場還是邊緣視場，該光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)均接近衍射極限。由圖4中可以看出成像系統(tǒng)像差校正良好，殘余像差都較小。

圖3　成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線

圖4　系統(tǒng)像差曲線

3　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)光學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)，偏移視場棱鏡組均布在掃描圓周上，現(xiàn)將單個棱鏡組片安裝到棱鏡筒里，棱鏡筒均安裝在支架上，調(diào)試時棱鏡筒部件旋轉(zhuǎn)至合適的角度位置，用壓片壓緊固定；成像部分的調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母調(diào)焦機(jī)構(gòu)，利用螺紋副將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為調(diào)焦部件直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，能夠自鎖，通過步進(jìn)電機(jī)和電位計來控制調(diào)焦精度，調(diào)焦精度（調(diào)焦步長）≤0.01mm［9］。這里主要介紹機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)掃描鏡機(jī)構(gòu)。

3.1反射鏡組轉(zhuǎn)動速率

光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的全視場圖像刷新頻率為10Hz，采集9個凝視視場得到全視場圖像的幀頻為90Hz，由此本文選用幀頻為100Hz的中波紅外探測器。根據(jù)圖像刷新頻率得到掃描鏡轉(zhuǎn)動速率為10r/s，所以反射鏡組的轉(zhuǎn)動速率ω：

3.2傳動裝置設(shè)計

掃描鏡機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的高速穩(wěn)定是保證后續(xù)圖像拼接的前提，傳動系統(tǒng)裝置主要考慮以下兩方面內(nèi)容：（1）掃描鏡機(jī)構(gòu)在成像光軸方向上不能有過大的回轉(zhuǎn)誤差，否則反射鏡在積分時間內(nèi)有晃動，會發(fā)生相移，圖像呈現(xiàn)虛化現(xiàn)象，影響成像質(zhì)量。（2）掃描鏡裝置要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，在上述高速轉(zhuǎn)動時誤差不能過大，否則影響圖像采集。

圖5 掃描機(jī)構(gòu)圖

圖5所示為傳動裝置的設(shè)計機(jī)構(gòu)，反射鏡座固定在旋轉(zhuǎn)圓盤上，小反射鏡中心對準(zhǔn)偏移棱鏡組片中心，大反射鏡中心對成像鏡光軸中心，旋轉(zhuǎn)圓盤與旋轉(zhuǎn)套筒同心固定，傳動裝置選用齒輪副傳動，齒輪傳動精度較高，傳動平穩(wěn)、效率高、壽命長，結(jié)構(gòu)更為緊湊，小齒輪與傳動電機(jī)輸出軸端同心固定，大齒輪與旋轉(zhuǎn)套筒同心固定。轉(zhuǎn)動軸承采用剛性較高、可承受傾覆力矩的背對背角接觸，軸承內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)圈固定，軸承外圈與旋轉(zhuǎn)支架過盈配合，軸承兩側(cè)加端蓋固定，通過螺釘加緊端蓋固定［10］。采用十個擋片、兩光電開關(guān)來控制圖像的采集時序。驅(qū)動系統(tǒng)選用maxon產(chǎn)品組合系統(tǒng)，具體包括電機(jī)，編碼器和控制器。

圖6　整體機(jī)構(gòu)設(shè)計圖

完成加工裝調(diào)后的樣機(jī)實(shí)體如圖6所示，系統(tǒng)重量52kg，通電運(yùn)轉(zhuǎn)良好，掃描鏡系統(tǒng)轉(zhuǎn)速均勻穩(wěn)定，通過電機(jī)的編碼器檢測到轉(zhuǎn)速誤差不大于±1%，結(jié)果表明均能達(dá)到光學(xué)和機(jī)械提出的設(shè)計要求。

4　結(jié)論

基于研制具有小型化、集成化、兼具大視場和高分辨率的紅外預(yù)警系統(tǒng)，本文設(shè)計的光學(xué)機(jī)構(gòu)形式包括偏移視場棱鏡組、掃描機(jī)構(gòu)和成像鏡頭三部分，通過偏移棱鏡組合掃描成像方法實(shí)現(xiàn)了大視場和高分辨的矛盾。光學(xué)設(shè)計的單個凝視視場范圍為6.87°×5.50°，通過上述掃描方式獲得6.87°×45.10°的大視場，并對系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行了分析與評價，在20lp/mm時系統(tǒng)MTF接近衍射極限。完成了機(jī)械加工裝調(diào)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小型化，通電運(yùn)轉(zhuǎn)良好，掃描轉(zhuǎn)速均勻穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速誤差小，達(dá)到光學(xué)和機(jī)械提出的設(shè)計要求。

［1］孫潑，朱振福，鄧蓉，等.紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)中光學(xué)指向器的設(shè)計［C］//2004年全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會，2004：384-387.

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The Optic-mechanical Design ofthe Infrared Search System with Large Field of View

PENG Jiahao，LIU Tao，DENG Jian

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

The infrared search system with characteristics of miniaturization，integration，large field of view and high resolution was designed.Firstly，working principle of the infrared search system was described，which used scan imaging method of stitching the nine gaze view pictures to obtain images with large field of view and high resolution.Optical system construction consists of offsetfield prism，scanning mirror and imaging lens.The field range of each staring field is 6.87°×5.50°，and then a wide field of 6.87°×45.10°is acquired by the above scan imaging method.Analyzing and evaluating the imaging quality of the optical system explain that：optical system MTF is close to diffraction limit at 20lp/mm.The transmission of scanning mirror system and timing design of image acquisition were emphatically introduced in mechanical structure design.This system weights 52kg after manufacture and assemblage；moreover，the scanning system is able to realize smooth operation.Thus，all the results of the optic-mechanical design have met the design requirement.

large field of view；high resolution；infrared search；scan imaging；design

TN216

A

1672-9870（2016）03-0005-04

2016-01-29

彭家浩（1988-），男，碩士研究生，E-mail：pjhideal@sina.com