雙視場(chǎng)手持熱像儀紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)技術(shù)研究及工程應(yīng)用

張 林，莫啟元，王清泉，焦明印，高 婧，肖家宏

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雙視場(chǎng)手持熱像儀紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)技術(shù)研究及工程應(yīng)用

張 林1，莫啟元2，王清泉1，焦明印1，高 婧1，肖家宏1

（1. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2. 陸軍重慶軍事代表局駐昆明地區(qū)軍事代表室，云南 昆明 650223）

針對(duì)手持熱像儀較普通熱像儀的特殊要求，設(shè)計(jì)了一種適用于手持熱像儀長(zhǎng)波雙視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)變倍比為2.5倍，采用ZOOMING型軸向移動(dòng)變倍方式，采用一片透鏡即可實(shí)現(xiàn)變倍、調(diào)焦及溫度補(bǔ)償功能。優(yōu)化了系統(tǒng)光機(jī)電設(shè)計(jì)，符合手持熱像儀高性能、高集成、小型化、輕量化的要求，并通過(guò)了工程實(shí)際應(yīng)用及外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

手持熱像儀；紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；雙視場(chǎng)；調(diào)焦

0 引言

與普通紅外熱像儀相比較而言，手持熱像儀在體積、重量、功耗等方面具有嚴(yán)格要求。在滿足技術(shù)性能指標(biāo)的前提下，手持熱像儀研制的關(guān)鍵是滿足輕便、便攜、符合人機(jī)工程學(xué)等特殊的要求。而紅外望遠(yuǎn)鏡作為熱像儀重要的組成部分之一，其光機(jī)電設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品尺寸、重量及性能起著決定性作用。

針對(duì)手持熱像儀的特點(diǎn)，充分考慮各種制約因素，研制了一種用于手持熱像儀的雙視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)采用反射鏡對(duì)光路進(jìn)行折轉(zhuǎn)方案；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用ZOOMING型軸向移動(dòng)變倍調(diào)焦方式以替代傳統(tǒng)的變倍鏡組沿光軸移入移出光路的變倍方式和利用曲線套筒的調(diào)焦方式；系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)為與探測(cè)器信號(hào)處理電路共用控制器，且選用新型、高集成、具有單芯片解決方案的表貼步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。從光機(jī)電綜合設(shè)計(jì)角度出發(fā)，以達(dá)到手持熱像儀高性能、高集成、小型化、輕量化的要求[1]。

1 紅外系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

紅外光學(xué)系統(tǒng)由于其材料、加工工藝等的特殊性，如透射材料少、不能采用膠合零件、材料的折射率-溫度和吸收系數(shù)高等，使得變倍紅外光學(xué)系統(tǒng)的光機(jī)設(shè)計(jì)也具有一定的不同于可見(jiàn)光學(xué)系統(tǒng)的特殊性，需要在像質(zhì)、透過(guò)率、材料成本及加工工藝等方面綜合考慮，才能保證研制出滿足指標(biāo)要求的、有實(shí)際工程應(yīng)用意義的產(chǎn)品[2]。

手持熱像儀光學(xué)系統(tǒng)為增加接收能量，提高靈敏度，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式選取全透射式?？紤]手持儀器的特殊性，為減小外形尺寸，解決體積、重量等各種制約因素問(wèn)題，相對(duì)口徑取1/2.5，同時(shí)采用同一片透鏡完成變倍、調(diào)焦及溫度補(bǔ)償功能的變倍設(shè)計(jì)，減少器件的使用，實(shí)現(xiàn)手持熱像儀的小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

手持熱像儀光學(xué)系統(tǒng)包含物鏡組、目鏡組、掃描反射鏡和二次成像組，物鏡組由前固定組、變倍組、后固定組構(gòu)成，物鏡組和目鏡組構(gòu)成變倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)，變倍組軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)大、小視場(chǎng)切換。成像光束經(jīng)過(guò)變倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)通過(guò)反射鏡掃描實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)成像。在光學(xué)設(shè)計(jì)中，以光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角（大視場(chǎng)8°×6°，小視場(chǎng)3.2°×2.4°）、相對(duì)孔徑（1/2.5）和反射鏡尺寸（12mm）等光學(xué)參數(shù)，確定合理的望遠(yuǎn)系統(tǒng)放大倍率和各鏡組光焦度。經(jīng)計(jì)算，望遠(yuǎn)系統(tǒng)大視場(chǎng)放大倍率2倍，小視場(chǎng)放大倍率6.5倍，大視場(chǎng)物鏡組光焦度0.03，小視場(chǎng)物鏡組光焦度0.005，目鏡組光焦度0.07，二次成像組光焦度0.02。為避免能量損失，孔徑光闌位于探測(cè)器冷屏處，保證冷屏效率100%。

光學(xué)透鏡材料選擇適用于8mm～12mm的Ge、ZnSe兩種材料，其中，Ge具有較高的折射率，作為正透鏡，承擔(dān)了主要的光焦度；ZnSe具有較高的色散系數(shù)，用于系統(tǒng)消色差。為進(jìn)一步減輕系統(tǒng)重量，采用了衍射面設(shè)計(jì)，有效地消除了系統(tǒng)熱差和色差，減少了系統(tǒng)鏡片數(shù)量，提高了系統(tǒng)透過(guò)率，并且實(shí)現(xiàn)了變倍組透鏡完成溫度補(bǔ)償、變倍和調(diào)焦的功能。同時(shí)系統(tǒng)采用了高次非球面來(lái)提高成像質(zhì)量，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。光學(xué)系統(tǒng)尺寸為90mm×161mm×82mm。圖1為紅外小、大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)圖，傳遞函數(shù)如圖2所示，極限頻率點(diǎn)20lp/mm，小視場(chǎng)、大視場(chǎng)軸上點(diǎn)傳遞函數(shù)均大于0.3。

設(shè)備安全性是人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的重要組成部分，在設(shè)計(jì)手持紅外熱像儀物鏡系統(tǒng)時(shí)，對(duì)以往物鏡鏡頭凸出在殼體外的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，將物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全部縮置在熱像儀整機(jī)殼體內(nèi)部，并且在鏡頭周圍設(shè)計(jì)有凸臺(tái)保護(hù)，以便手持熱像儀使用更加安全可靠。樣機(jī)如圖3所示。

2 雙視場(chǎng)手持熱像儀紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該手持紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)為大小兩個(gè)不同視場(chǎng)，以滿足大視場(chǎng)搜索目標(biāo)，小視場(chǎng)識(shí)別、跟蹤目標(biāo)的使用要求[3]。傳統(tǒng)的紅外光學(xué)系統(tǒng)變倍方式多采用變倍鏡組沿光軸切向移入移出光路的方式實(shí)現(xiàn)，該方式機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所占空間較大[4]。調(diào)焦方式則是利用電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)曲線套筒正反轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)內(nèi)筒中鏡組沿光軸做往復(fù)直線平移運(yùn)動(dòng)，完成調(diào)焦動(dòng)作。該方式的缺點(diǎn)是曲線套筒的曲線加工難度較高。紅外光學(xué)系統(tǒng)若采用上述變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)方式，除了在結(jié)構(gòu)上是兩套相對(duì)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)而且分別各需要一套相應(yīng)的控制電路。

圖1 紅外光學(xué)系統(tǒng)圖

圖2 光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線

圖3 熱像儀整機(jī)殼體樣機(jī)圖

顯然，傳統(tǒng)的紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)形式不適用于要求高集成、小型化的手持熱像儀產(chǎn)品。故該手持熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)緊湊的ZOOMING型變倍調(diào)焦方式，ZOOMING型變倍調(diào)焦方式即為軸向變倍調(diào)焦方式，該方式是通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)變倍透鏡沿著光軸的方向平移，從而改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)變倍。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。由帶有滑塊的高精密直線導(dǎo)軌、高精度滾珠絲杠加消隙內(nèi)螺紋驅(qū)動(dòng)螺母、精密軸承、直線步進(jìn)電機(jī)、到位表貼光電開(kāi)關(guān)、鈦合金材質(zhì)基座等構(gòu)成。將變倍透鏡固連在滑塊和驅(qū)動(dòng)螺母上，當(dāng)進(jìn)行視場(chǎng)變倍時(shí)，直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠上的消隙驅(qū)動(dòng)螺母驅(qū)動(dòng)變倍透鏡，在高精密直線導(dǎo)軌的引導(dǎo)下，沿著光軸軸向移動(dòng)，以焊接在柔性電纜上的表貼光電開(kāi)關(guān)為視場(chǎng)切換到位檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)快速切換。設(shè)計(jì)時(shí)兼顧考慮滿足調(diào)焦精度所需，所選絲杠每步直線位移要在調(diào)焦精度指標(biāo)范圍之內(nèi)，得以實(shí)現(xiàn)精確的微距調(diào)焦及溫度補(bǔ)償。ZOOMING型變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是僅需一套電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)控制電路，通過(guò)移動(dòng)一片透鏡即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變倍調(diào)焦及溫度補(bǔ)償，而且橫向尺寸小、光軸方向上尺寸緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖4 視場(chǎng)切換、調(diào)焦機(jī)構(gòu)示意圖

在該機(jī)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在大小視場(chǎng)光軸不一致問(wèn)題。究其原因是在執(zhí)行視場(chǎng)變倍動(dòng)作的過(guò)程中，因透鏡的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生傾斜誤差和移位誤差，最終導(dǎo)致光軸不一致，熱像儀的性能指標(biāo)不能滿足。為消除光軸一致性誤差，分析找到產(chǎn)生誤差的主要因素，采用極限偏差分析法通過(guò)分析和計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的偏差量。同時(shí)對(duì)該機(jī)構(gòu)采取高低溫去應(yīng)力時(shí)效方法，避免了在環(huán)境溫度變化的情況下，光機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力形變因素造成光軸走動(dòng)誤差。最主要的環(huán)節(jié)是變倍鏡組光軸與光學(xué)系統(tǒng)光軸的同軸度的裝配調(diào)整過(guò)程。首先，變倍透鏡需利用工裝鏡及定中心儀來(lái)定中心，確保光學(xué)零件的同心度。其次，調(diào)整高精密直線導(dǎo)軌的位置及變倍透鏡相對(duì)于導(dǎo)軌滑塊的相對(duì)位置。根據(jù)裝調(diào)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該調(diào)整過(guò)程在配合電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下更容易完成。從而保證透鏡在大、小視場(chǎng)兩個(gè)位置光軸一致性良好[5]。從小視場(chǎng)切換到大視場(chǎng)，視場(chǎng)光軸水平方向差0條電視線，垂直方向向下差1條電視線，滿足熱像儀指標(biāo)要求。

3 系統(tǒng)控制電路

本手持熱像儀望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：2s內(nèi)完成軸向位移17mm視場(chǎng)切換，負(fù)載100g，且具有在－40℃～＋50℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能，調(diào)焦精度0.03mm。

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制原理如圖5所示[6-7]。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：上位機(jī)、控制器、溫度傳感器、功率放大電路、直線步進(jìn)電機(jī)、到位光電開(kāi)關(guān)。其中到位光電開(kāi)關(guān)采用微型表貼光電開(kāi)關(guān)，焊接在柔性電纜上，避免印制板的制做，節(jié)省了空間，在每一處細(xì)節(jié)力求手持熱像儀的小型化。兩個(gè)開(kāi)關(guān)的位置分別決定大、小視場(chǎng)的到位位置，兩者的間距根據(jù)光學(xué)計(jì)算值在設(shè)計(jì)柔性電路板時(shí)布局確定，且在整機(jī)調(diào)試時(shí)可通過(guò)柔性電路板的腰子安裝過(guò)孔進(jìn)行位置微調(diào)，以保證光學(xué)間隔。

電路設(shè)計(jì)思路是變倍采用閉環(huán)控制，通過(guò)檢測(cè)大、小視場(chǎng)的兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)來(lái)判斷變倍到位與否；調(diào)焦采用開(kāi)環(huán)控制；控制器接收上位機(jī)的調(diào)焦動(dòng)作指令和調(diào)焦參數(shù)，據(jù)此控制電機(jī)的步進(jìn)方向及步進(jìn)步數(shù)，實(shí)現(xiàn)透鏡在大、小視場(chǎng)位置前后的微距調(diào)焦。

3.1.1 控制器與測(cè)溫單元

為符合手持熱像儀的電路高度集成化，優(yōu)化整機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)電路資源整合、資源共享。熱像儀望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的控制器與探測(cè)器信號(hào)處理控制器共享?？刂破靼∕CU和FPGA，其功能接收來(lái)自上位機(jī)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)變倍、調(diào)焦及調(diào)焦參數(shù)指令，并實(shí)時(shí)采集工作環(huán)境溫度將數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

因望遠(yuǎn)鏡的紅外透射鏡材料的折射率隨溫度變化顯著，所以溫度變化會(huì)導(dǎo)致透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)的像面漂移，使系統(tǒng)性能急劇下降。因此，紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)應(yīng)具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能，該望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)采用機(jī)電主動(dòng)補(bǔ)償方式。溫度傳感器采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測(cè)溫精度高，與控制器僅需一個(gè)連接端口即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的溫度數(shù)字值讀數(shù)方式。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算出的一組溫度-調(diào)焦位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到溫度與調(diào)焦位置的函數(shù)關(guān)系式，控制器通過(guò)溫度傳感器測(cè)得當(dāng)前溫度值，代入該函數(shù)關(guān)系式計(jì)算得到補(bǔ)償調(diào)焦位移量，進(jìn)而控制功放驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)位移，完成紅外望遠(yuǎn)鏡的溫度自動(dòng)補(bǔ)償。

在實(shí)際使用DS18B20進(jìn)行測(cè)溫時(shí)需注意的是，原利用DS18B20進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，將其直接與控制器中的MCU通用IO引腳相連，然后通過(guò)軟件向DS18B20發(fā)送各種控制命令來(lái)完成對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因?yàn)镈S18B20的單總線對(duì)時(shí)序要求比較嚴(yán)格，因此，為了保證與DS18B20通信的可靠性，MCU與DS18B20通信時(shí)需要采用關(guān)閉中斷的方法，以防止操作時(shí)序被中斷破壞。由此帶來(lái)的弊端是占用MCU的資源和增加了運(yùn)行時(shí)間。不能及時(shí)響應(yīng)緊急任務(wù)，可能造成對(duì)調(diào)焦變倍指令不能及時(shí)響應(yīng)。針對(duì)該弊端，改用FPGA與DS18B20通信，利用FPGA硬件自動(dòng)的﹑周期性的產(chǎn)生所需要的讀寫(xiě)時(shí)序，并把采集數(shù)據(jù)存放在一個(gè)存儲(chǔ)器中，從而用硬件代替軟件來(lái)控制對(duì)芯片的操作，大大減輕MCU的負(fù)擔(dān)，讓MCU有更多的時(shí)間來(lái)處理更加緊急的任務(wù)，提高系統(tǒng)的并行處理能力。

3.1.2 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)采用海頓直線步進(jìn)電機(jī)，取代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，省略中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，將電機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)直接施加在滑塊上，提高了傳動(dòng)效率。將工程熱塑性結(jié)合進(jìn)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)螺母，并配合使用不銹鋼梯形螺紋導(dǎo)桿，較傳統(tǒng)使用青銅螺母和V形螺紋結(jié)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)行更為高效、耐久和安靜。在兼顧考慮定位的精確性與運(yùn)動(dòng)的快速性，所選絲杠每步直線位移0.024384mm，完全滿足調(diào)焦精度0.03mm的要求。

本著系統(tǒng)體積盡可能小的原則，現(xiàn)采用新型可編程﹑集環(huán)形分配器和功放于一體的表貼微步步進(jìn)電極驅(qū)動(dòng)器件A4980，能靈活設(shè)置全步進(jìn)﹑半步進(jìn)﹑四分之一及十六分之一多種步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模式，具有高溫和低溫警告﹑過(guò)溫關(guān)機(jī)﹑過(guò)壓和欠壓鎖定芯片級(jí)保護(hù)功能。關(guān)鍵是與控制器接口簡(jiǎn)單，只需輸入步進(jìn)方向與步進(jìn)脈沖即可完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)須進(jìn)行相位時(shí)序的復(fù)雜編程。高集成度電路的應(yīng)用無(wú)疑減小了體積、提高了可靠性。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)在軸向方向有振動(dòng)，且電機(jī)停轉(zhuǎn)、A4980中功放使能引腳禁止的情況下，透鏡受軸向力而移動(dòng)，造成焦面位置變化，這對(duì)手持熱像儀的使用很不利。為此A4980中功放使能引腳始終有效，使得電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)也具有保持力矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自鎖。這會(huì)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件A4980發(fā)熱，所以需要采取散熱措施。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主程序如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

需要注意的是：在調(diào)試步進(jìn)電機(jī)變倍運(yùn)轉(zhuǎn)程序部分時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)置的步進(jìn)頻率較低則影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率，變倍到位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法滿足2s內(nèi)完成軸向位移17mm視場(chǎng)切換的技術(shù)指標(biāo)要求；若設(shè)置的步進(jìn)頻率較高則發(fā)生丟步，甚至不能啟動(dòng)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性造成的，隨步進(jìn)頻率的升高，電機(jī)的帶載能力逐漸下降。又因?yàn)樗鶐ж?fù)載存在慣性，使步進(jìn)電機(jī)可能發(fā)生到位過(guò)沖現(xiàn)象，影響定位精度。為解決該問(wèn)題在軟件上設(shè)計(jì)了變速功能。在啟動(dòng)時(shí)由較低的頻率啟動(dòng)，逐漸升高到所要求的工作頻率，在快到位時(shí)再逐漸降低，即經(jīng)歷升速、恒速、減速的過(guò)程。這樣在保證不失步、不過(guò)沖的前提下對(duì)步進(jìn)電機(jī)加速，實(shí)現(xiàn)了用最快的速度、最短的時(shí)間完成變倍動(dòng)作。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該手持紅外熱像儀整機(jī)分別進(jìn)行了性能測(cè)試、環(huán)境實(shí)驗(yàn)及外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[8]。

4.1 性能測(cè)試

性能測(cè)試進(jìn)行了空域NETD測(cè)試，相關(guān)圖示數(shù)據(jù)如圖7所示。

空域NETD測(cè)試，如圖7所示。

4.2 高低溫實(shí)驗(yàn)

利用高低溫試驗(yàn)箱對(duì)熱像儀進(jìn)行試驗(yàn)，紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在－40℃～＋60℃環(huán)境溫度下均能正常工作，視場(chǎng)切換過(guò)程中無(wú)卡滯現(xiàn)象，光軸一致性良好，且滿足視場(chǎng)切換時(shí)間要求。

－40℃溫度補(bǔ)償后光學(xué)系統(tǒng)小、大視場(chǎng)傳遞函數(shù)（MTF）如圖8所示，＋60℃溫度補(bǔ)償后光學(xué)系統(tǒng)小、大視場(chǎng)傳遞函數(shù)（MTF）如圖9所示，在探測(cè)器衍射極限18lp/mm處，軸上傳遞函數(shù)均不小于0.4，軸外傳遞函數(shù)均不小于0.3。

圖7 空域NETD測(cè)試柱狀圖

圖8 －40℃光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線

圖9 60℃光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線

空域NETD測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 空域NETD測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表

4.3 外場(chǎng)試驗(yàn)

在能見(jiàn)度為10km的情況下，對(duì)典型車輛目標(biāo)的識(shí)別距離為3.2km，圖像清晰。外場(chǎng)試驗(yàn)成像圖像如圖10所示。

圖10 外場(chǎng)試驗(yàn)圖像

5 結(jié)論

針對(duì)國(guó)產(chǎn)288×4長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，研制了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的ZOOMING型雙視場(chǎng)紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，并從光、機(jī)、電三方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)論述，對(duì)工程使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方法、改進(jìn)措施。其大、小視場(chǎng)成像質(zhì)量較好，光軸一致性良好，符合手持熱像儀高性能、高集成、小型化、輕量化的要求。對(duì)小型熱像儀的雙視場(chǎng)紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

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Design of Hand-Held Dual Field-of-View Infrared Optical System

ZHANG Lin1，MO Qiyuan2，WANG Qingquan1，JIAO Mingyin1，GAO Jing1，XIAO Jiahong1

(1.,710065,; 2.,650223,)

This article reports on the development of a hand-held infrared telescoping system for long-wave dual field-of-view, according to the characteristics and strict requirements of military hand-held infrared thermal cameras. The telescope with a zoom ratio of 2.5×is designed with a ZOOMING mode movement. The zoom lens can realize functions of zooming, focusing, and temperature compensation. The design result showed that the system exhibited excellent image quality, compact structure, and light weight. Moreover, it passed the practical project application and range test.

hand-held infrared，infrared optical system，dual field of view，rotate-zoom

TN216

A

1001-8891(2017)11-1001-06

2017-07-04；

2017-11-09.

張林（1970-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧t外技術(shù)。