基于旋轉雙光楔的像方掃描大視場成像光學系統(tǒng)設計*

楊克君，楊 振，張 勇，郭鑫民，胡海力，張建隆

(1.哈爾濱工業(yè)大學 儀器科學與工程學院·哈爾濱·150001； 2.哈爾濱工業(yè)大學 可調諧激光技術國家級重點實驗室·哈爾濱·150080； 3.哈爾濱工業(yè)大學 光電子信息科學與技術系·哈爾濱·150080)

0 引 言

無人機因具有體積小、造價低、使用方便靈活、戰(zhàn)場生存能力較強等優(yōu)勢，近年來在軍民領域得到了廣泛應用[1-7]，并將在未來復雜戰(zhàn)場偵察與作戰(zhàn)、郵件快遞投送、智慧城市等領域中產生更大的應用價值[8]。采用先進的光電有效載荷，對于增強無人機任務完成能力并最大限度地實現戰(zhàn)場數字化、提高其他武器系統(tǒng)的效能而言具有非常重要的推動作用。同時，隨著未來戰(zhàn)場信息化、網絡化時代的到來，作戰(zhàn)對信息的依賴程度也達到了頂峰。一個完整的無人機系統(tǒng)主要包括無人飛行器平臺、有效載荷、數據鏈、操作員、控制單元、顯示器等。其中，光電有效載荷承擔著獲取原始目標及環(huán)境信息的重要職責，其所獲取的信息質量將在很大程度上影響對后續(xù)組成的判斷和整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此，無人機光電載荷在整個無人機系統(tǒng)中扮演著無人機“眼睛”的角色，其性能的高低直接決定著其任務完成質量。

美國高度重視無人機機載光學相機的研制，采用先進的光學設計理念、新材料、高性能器件不斷提升相機的研制水平，并且優(yōu)先將其應用于軍事領域。由美國軍工大戶洛克希德·馬丁公司研制的Sniper 先進瞄準吊艙(Advanced Targeting Pod，ATP)具有較高的信息傳輸能力，可為駕駛員提供精確的目標瞄準能力。Sniper ATP的光學系統(tǒng)采用了共孔徑設計，所有光學傳感器都共用一個孔徑，可有效削減吊艙體積。吊艙前端的光學頭罩采用特殊設計的楔形結構，有效提升了吊艙的高速飛行適應性，減少了吊艙在高速飛行時由氣流和頭罩摩擦而產生的較高氣動熱。該吊艙集成了中波前視紅外相機、雙波段激光器、CCD可見光相機、激光光斑跟蹤儀和激光指示器，目標確認距離為第一代吊艙的4倍，吊艙可在超過15km的距離之外精確識別目標。值得注意的是，該吊艙的設計是未來大型高速無人機光學載荷技術發(fā)展的趨勢。高速無人機要求光學載荷具備與無人機相匹配的氣動保形設計，同時也滿足小窗口、大視場的成像要求，以確保實現對目標的遠距離精確識別。

國內無人機光電吊艙整體水平較國外存在一定差距，這主要表現在光電吊艙小型化、輕量化、高精度、高集成度設計等方面。國內吊艙大都采用常規(guī)物方掃描的傳統(tǒng)體制進行光學設計和系統(tǒng)研制，系統(tǒng)體積和質量較大。而針對基于像方掃描技術的光學成像系統(tǒng)的設計與性能研究，國內則初步開始著手進行，該系統(tǒng)在實際工程應用中暫未見相關報道。

2012年，鄧鍵[9]基于顯微攝影的成像原理，研究了像方掃描，以擴大視場的途徑，并建立了一個二次成像的設計模型。2017年，林森等人[10]設計了帶有擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學系統(tǒng)，得出的結論是在系統(tǒng)掃描視場和瞬時視場相等的條件下，像方掃描在減小系統(tǒng)體積和減輕系統(tǒng)總質量方面具備較大的優(yōu)勢。2018年，電子科技大學的曾欽勇[11]研究了基于快速放射鏡的宏微二級復合穩(wěn)定平臺控制和步進凝視掃描技術，大幅提升了平臺的穩(wěn)定精度和成像質量。同年，中國科學院上海技術物理研究所的陳超帥[12]設計了一套紅外面陣搜索系統(tǒng)像移補償方案，提出了連續(xù)掃描凝視補償的成像方式，采用像方掃描平行光補償技術方案實現了補償反射鏡的高幀頻、大擺角運動。

綜上所述，不斷拓展的在軍民領域中的巨大的應用前景也對無人機偵察系統(tǒng)的機動性能和偵察性能提出了更高要求，這就要求無人機光電載荷進一步向小型化、輕量化方向發(fā)展。無人機超聲速、高機動飛行性能的提升，要求相應的無人機載荷具有更強的抗過載能力與快速成像能力。然而，無人機高速化卻惡化了其光電載荷的工作條件，使得光學成像系統(tǒng)的分辨率水平提升對其視軸抖動更加敏感，這兩者成為了一對矛盾體。此外，由無人機高速化造成的氣動熱效應要求光學成像系統(tǒng)以較小的紅外窗口實現大視場角的成像效果，這就對光學系統(tǒng)的設計(其中主要包括大視場設計、無熱化設計、成像光路優(yōu)化、噪聲抑制等)提出了更高的要求，同時也對光學載荷的光軸指向精度控制提出了更高要求。

基于像方掃描原理設計的光學成像系統(tǒng)，具有同等條件下徑向尺寸最小、體積小、運動負載質量小、可消除圖像運動模糊、可縮短目標搜索時間等顯著特點。高速無人機目前面臨著采用較小的紅外窗口難以實現大視場成像的問題。

因此，本文提出了一種新型的、基于旋轉雙光楔的像方掃描大視場成像光學系統(tǒng)設計。該設計由前置大視場望遠光學鏡組、成像光學鏡組和雙光楔掃描器三部分組成，降低了系統(tǒng)的設計難度。所設計的光學系統(tǒng)成像質量高(全視場MTF>0.42@33(lp/mm))，像點集中度好，基本接近衍射極限。相比傳統(tǒng)的掃描光學系統(tǒng)，本文采用了旋轉雙光楔掃描器設計，可避免像旋的產生，在保證各項設計指標不變的前提下，能夠有效縮小光學系統(tǒng)的徑向尺寸，可滿足無人機在未來實現輕量化和小型化的應用需求，具有良好的應用前景。同時，該技術可推廣至高速列車、衛(wèi)星光學載荷等多個領域，實現高速運動狀態(tài)下的大視場成像，為我國軍民兩用相關領域提供重要的技術支撐。

1 像方掃描成像技術原理及特點分析

1.1 像方掃描成像技術原理

傳統(tǒng)掃描通常采用光學系統(tǒng)整體旋轉或依靠光學元件的運動來完成，技術成熟，被廣泛應用于遙感、制導、偵察探測等領域[13]。其優(yōu)點是光學系統(tǒng)結構簡單，成像質量高；缺點是占用空間較大，比較笨重，窗口的尺寸對掃描范圍形成了很大約束，窗口尺寸過大不利于載體速度的提高。

像方掃描成像技術是近年來在傳統(tǒng)掃描成像技術的基礎上發(fā)展起來的新型掃描成像技術，利用大視場光學系統(tǒng)將掃描視場范圍內的成像光束經前置光學系統(tǒng)匯聚成像，形成大尺寸的中間像面。通過掃描機構的運動，將中間像面的一部分投射給成像光學系統(tǒng)而形成瞬時視場圖像。掃描機構與成像光學系統(tǒng)可分時將中間像面的不同區(qū)域依次成像，完成掃描功能，其光學系統(tǒng)的結構原理圖如圖1所示。

(b)掃描中心視場

(c)掃描下邊緣視場圖1 像方掃描成像原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of image side scanning imaging principle

基于像方掃描技術的成像系統(tǒng)的工作過程為：前置大視場光學鏡組接收由物方場景出射的光束，光束經透鏡折射后匯聚，形成中間像面，中間像面包含掃描視場范圍內的全部景象信息；成像光學鏡組是一個小視場投影鏡頭，其以前置大視場光學鏡組所形成的中間像面為物面，將其中的一部分場景再次成像。探測器與成像光學鏡組固連，探測器光敏面與成像光學鏡組像面重合，成像光束匯聚到探測器光敏面上形成與瞬時視場對應的圖像；掃描器在運動機構的驅動下，按照一定規(guī)律調整成像光學鏡組的光軸指向，將中間像面上的場景信息分時傳遞給成像光學鏡組，從而完成掃描。像方掃描成像光學系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。

圖2 像方掃描成像光學系統(tǒng)的工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of image side scanning imaging optical system

1.2 像方掃描成像光學結構的形式及特點分析

基于像方掃描技術的光學系統(tǒng)主要有以下四種結構形式：擺鏡掃描光學結構、球形像面二軸掃描光學結構，以及由上述兩種結構組合而成的掃描光學結構等。表1對比了不同像方掃描光學系統(tǒng)結構形式之間的差異。

表1 像方掃描光學系統(tǒng)結構形式對比Tab.1 Comparison of the structure for the image side scanning optical system

平行光路擺鏡像方掃描光學結構的優(yōu)點為：只有擺鏡為運動部件，其余部分固定不動，可降低運動負載，有利于提高掃描速度；缺點是望遠光學系統(tǒng)的結構復雜，掃描視場范圍較小(一般在30°～40°左右，入瞳口徑Ф為40mm時)。另外，由于光線經擺鏡反射，光路折轉，橫向空間尺寸較大。

匯聚光路擺鏡像方掃描光學結構的優(yōu)點為，其內部只有擺鏡為運動部件，運動負載?。黄淙秉c是擺鏡在掃描過程中，其像面位置發(fā)生變化，產生離焦，因此掃描視場范圍較小，一般在10°以下。此外，其同樣也存在橫向空間尺寸較大的缺點。

球形像面掃描光學結構的優(yōu)點是：運動負載較小，通過小角度轉動即可實現大范圍掃描，沒有像旋產生；缺點是物鏡組結構復雜，成像質量較低，掃描視場范圍較小，系統(tǒng)裝調難度大。此外，當中間像面曲率為零(即中間像面為平面)時，掃描機構由轉動運動變化為平移運動，通過耦合鏡組和探測器平移實現掃描功能。掃描機構通過平移運動方式進行掃描，在振動量級較大的環(huán)境條件下，容易出現圖像抖動現象。系統(tǒng)隔離度較差，導致圖像清晰度下降。

組合式掃描結構[14]，即擺鏡與球形像面組合的掃描形式。其優(yōu)點是系統(tǒng)中的運動部件為擺鏡，運動負載小，缺點是系統(tǒng)過于復雜，掃描視場范圍小，裝調難度大。

本文提出了基于旋轉雙光楔的新型像方掃描方式，此種掃描方式的優(yōu)點是可以有效減小窗口尺寸，在掃描過程中不產生像旋；系統(tǒng)徑向尺寸小，適用于狹長安裝空間的要求。其缺點是：系統(tǒng)長度較長，與其他掃描形式相比長度增加了20%～50%；雙光楔掃描器的旋轉速度與掃描角度為非線性關系，掃描運動控制難度較大。

本文采用基于旋轉雙光楔的新型像方掃描方式，主要解決了高速無人機在平臺小窗口約束條件下實現大視場掃描的問題。與擺鏡掃描形式相比，其可消除像旋影響，增大掃描視場；與球形像面形式相比，其可降低設計難度。

本文所采用的基于旋轉雙光楔的新型像方掃描紅外成像技術方法未見公開報道。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)物方掃描，可在保持搜索范圍不變的基礎上減小窗口尺寸至原有尺寸的2/3以下；相比擺鏡像方掃描方式，該系統(tǒng)不產生像旋，徑向尺寸可減小30%以上；相比球形像面像方掃描方式，其徑向尺寸可減小20%以上。同時，由于該系統(tǒng)可實現瞳窗耦合設計，可有效減小窗口尺寸，因此其有望解決某些高速飛行器掃描成像范圍大與窗口尺寸小之間的矛盾。

2 基于旋轉雙光楔的像方掃描成像光學系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成及特點

為減小無人機光學載荷的窗口尺寸，滿足氣動外形的要求，本文提出了一種基于旋轉雙光楔的像方掃描光學結構，如圖3所示。

圖3 轉動雙光楔像方掃描光學結構示意圖Fig.3 The optical structure diagram of image side scanning with rotating double wedge

轉動雙光楔像方掃描光學結構由前置望遠光學系統(tǒng)、雙光楔掃描器及成像光學鏡組組成。其中，前置望遠光學系統(tǒng)為一大視場望遠光學系統(tǒng)，其將掃描視場范圍的光束匯聚后再準直，成像光學系統(tǒng)為一小視場光學成像系統(tǒng)。雙光楔掃描器中的兩個光楔按照一定速度差繞光軸旋轉，可在固定時間間隔下將物方特定視場范圍的光束偏折進成像光學鏡組，以實現掃描功能[15]。

前置望遠光學系統(tǒng)采用開普勒望遠光學結構，由兩組正光焦度的透鏡組組成。通過改變兩透鏡組的焦距比，可實現角放大倍率的調整，同時可完成入瞳與窗口、出瞳與掃描器的耦合，可以滿足不同的應用需求。成像光學鏡組采用二次成像光學結構，通過匹配設計可實現與前置望遠光學系統(tǒng)的光瞳耦合，提高冷光闌效率。

與擺鏡掃描及球形像面掃描光學結構比較，旋轉雙光楔掃描方式具有以下優(yōu)點：

(1)系統(tǒng)光軸在一條直線上，沒有空間折轉，適用于狹長的安裝空間，有利于實現系統(tǒng)的小型化；

(2)前置望遠光學系統(tǒng)出瞳在兩個光楔中間，使得其尺寸較小，有利于減輕運動負載，有利于實現系統(tǒng)輕量化的要求；

(3)掃描過程中沒有像旋，在同等尺寸掃描器件條件下，更容易實現大視場掃描。

2.2 光學系統(tǒng)指標及參數計算

成像光學鏡組采用二次成像光學結構，需要根據前置大視場望遠光學鏡組來確定視場及入瞳口徑，并將探測器冷光闌與前置大視場望遠光學鏡組出瞳進行耦合設計，確保系統(tǒng)100%的冷光闌效率，減少雜散光對圖像質量的影響。各鏡組參數計算如下。

假定無人機的飛行高度為10km，飛行速度不小于300(m/s)，探測目標分辨率不大于5m，探測寬度不小于10km；工作波段為3.7μm ～4.8μm；紅外探測器的參數為：像元數640×512，像元尺寸15μm，幀頻50Hz，F數為2。根據上述參數，可計算光學系統(tǒng)的技術指標，如表2所示。

表2 光學系統(tǒng)設計指標Tab.2 The design requirements of optical system

確定了掃描視場與瞬時視場后，根據下式可計算出物方掃描角度范圍為±21.665°

(1)

其中，θT為物方掃描角度，θS為掃描視場角，θI為瞬時視場角。下面，根據光學系統(tǒng)技術指標進行前置大視場望遠光學鏡組和成像光學鏡組的設計參數分配，具體計算過程如下。

首先，系統(tǒng)焦距與前置大視場望遠光學鏡組角放大倍率及成像光學鏡組焦距滿足以下關系

(2)

根據式(1)，可得掃描器參數，如表3所示。

表3 掃描器參數Tab.3 The scanner parameters

已知系統(tǒng)焦距為30mm，物方視場為60°×18.3°。為降低由光楔楔角過大而帶來的色差校正難度，確定前置大視場望遠光學鏡組的角放大倍率為0.28，則掃描器掃描角度為±6.347°，入射光束角度范圍為16.67°×5.08°，出射光束角度范圍為4°×5.08°，成像光學鏡組的焦距為108mm。

根據上述計算結果，確定前置大視場望遠光學鏡組設計輸入參數和成像光學鏡組設計輸入參數分別如表4和表5所示。

表4 前置大視場望遠光學鏡組設計指標Tab.4 The design requirements of front large field of view telescope

表5 成像光學鏡組設計指標Tab.5 The design requirements of imaging optical lens group

2.3 前置大視場望遠光學鏡組設計

由表4可知，前置大視場望遠光學鏡組是一個望遠光學系統(tǒng)，平行光入射，平行光出射。由于窗口尺寸及成像光學鏡組入瞳耦合的約束，要求望遠系統(tǒng)的入瞳及出瞳均在透鏡組的外側，且瞳距需滿足結構安裝的需求。根據前置大視場望遠光學鏡組的設計要求，由于需要與成像光學鏡組進行光瞳耦合設計，同時受窗口尺寸限制，需要將入瞳放置在窗口上。因此，前置大視場望遠光學鏡組選擇了開普勒望遠光學結構。

應用光學設計軟件Zemax設計后的前置大視場望遠光學鏡組如圖4所示。設計的前置大視場望遠光學鏡組包含6片透鏡，其中透鏡材料為硅和鍺，含有3個高次非球面和1個衍射面。在常溫狀態(tài)下，系統(tǒng)的成像質量(調制傳遞函數、系統(tǒng)點列圖、像面能量集中度)如圖5所示。由圖5可知，系統(tǒng)成像質量高，中心視場調制傳遞函數(Modulation Transfer Function，MTF)在33(lp/mm)空間頻率下可達0.65。全視場范圍內MTF>0.5@33(lp/mm)，像點能量集中度較好，接近衍射極限。

圖4 前置大視場望遠光學鏡組結構圖Fig.4 Structure diagram of front large field of view telescope group

(a)系統(tǒng)調制傳遞函數(MTF)曲線

(b)系統(tǒng)點列圖

(c)像面能量集中度圖5 前置大視場望遠光學鏡組成像質量Fig.5 The imaging quality of the front large field of view telescope

前置大視場望遠光學鏡組的畸變和像差曲線如圖6所示。設計結果曲線顯示，各種像差得到了較好的校正，像質滿足要求。

通過分析可知，前置大視場望遠光學鏡組成像質量良好，在與成像光學鏡組進行聯(lián)合設計時無須進行大量改動，可降低系統(tǒng)的復雜度。因此，前置大視場望遠光學鏡組的設計符合要求。

(a)場曲和畸變

(b)綜合像差(Ray Fan)曲線圖6 前置大視場望遠光學鏡組畸變和像差曲線Fig.6 Distortion and aberration curves of the front large field telescope

2.4 成像光學鏡組設計

成像光學鏡組入瞳需與前置望遠光學鏡組瞳孔耦合，其入瞳在系統(tǒng)外部。同時，為確保探測器的冷光闌效率，減少雜散光對像質的影響，須將出瞳與探測器冷光闌重合，因此需采用二次成像光學結構。設計后的成像光學鏡組結構如圖7所示。

圖7 成像光學鏡組光學結構圖Fig.7 The optical structure diagram of imaging optical lens group

由圖7可知，成像光學鏡組包含5片透鏡。其中，透鏡材料為硅、鍺和硫系玻璃，含有3個高次非球面和1個衍射面，系統(tǒng)成像質量如圖8所示。從圖8可以看出，成像光學鏡組系統(tǒng)的MTF在33(lp/mm)空間頻率下可達0.55，全視場范圍內MTF>0.4@33(lp/mm)，像點能量集中度較好，接近衍射極限。

(a)成像光學鏡組調制傳遞函數曲線

(b)成像光學鏡組點列圖

(c)像面能量集中度圖8 成像光學鏡組成像質量Fig.8 The imaging quality for imaging optics

通過上述分析可知，成像光學鏡組的成像質量良好，各種像差得到了較好的校正，設計符合要求。

(a)場曲和畸變

(b)綜合像差(Ray Fan)曲線圖9 成像光學鏡組畸變和像差曲線Fig.9 Distortion and aberration curves of imaging optics

2.5 雙光楔設計

光線經光楔偏折如圖10所示，根據式(3)可計算光楔楔角角度

(3)

其中，n為光楔折射率，α為光楔頂角，δ為光線偏折角。

成像光學鏡組的畸變和差曲線如圖9所示。

當兩光楔主截面平行且同向放置如圖11(a)、圖11(b)所示時，所產生的偏向角最大，為兩光楔偏向角之和；當一個光楔繞光軸旋轉180°時，所產生的偏向角為零，如圖11(c)所示。

圖10 光線經光楔偏折示意圖Fig.10 The diagram of light deflection through the wedge

(a)正向最大偏轉

(b) 反向最大偏轉

(c) 無偏轉圖11 雙光楔不同轉角光線偏轉特性Fig.11 The deflection characteristics of beam in the double optical wedges at different angles

當兩光楔繞光軸相對旋轉(即一個光楔沿逆時針方向旋轉ω角，另一個光楔沿順時針方向旋轉ω角)時, 兩光楔產生的總偏向角隨角ω而變化，即

φ=2(n-1)αsinω

(4)

其中：n為光楔折射率，φ為總偏向角，α為光楔頂角，ω為光楔轉動角。根據式(4)可計算出不同掃描角度對應的光楔旋轉角。

根據上文前置望遠光學系統(tǒng)及成像光學鏡組的參數，可計算光楔的基本參數。

已知前置望遠光學系統(tǒng)的出射光束角度為16.67°×5.08°，其中16.67°為掃描方向，成像光學鏡組視場為4°×5.08°，4°為方位掃描瞬時視場。由此，可計算光楔對光線的最大偏折角為6.347°。

由于紅外材料對不同波長光線的折射率不同，不同波長光線在經過光楔后所產生的偏折角度不同，存在色散現象，需要進行色差補償。常用的色差補償方法是采用不同色散系數的紅外材料進行搭配，以實現消除色差的要求。采用復合光楔結構形式，選擇硅和鍺作為光楔材料，將一個光楔分解為兩個光楔。一個光楔材料為硅，另一個光楔材料為鍺，兩個光楔相對固定，組合成光楔組件。每個光楔組件承擔最大偏折角的一半，即約為3.17°，兩個光楔組件共同完成6.347°的偏折角。根據式(5)，可計算兩種材料光楔偏折角的對應關系。

(5)

其中：δ為光經過兩種材料光楔組后的總偏折角，δSi為光經過單個硅光楔的偏折角，δGe為光經過單個鍺光楔的偏折角，ν為紅外材料色散系數，νSi為硅色散系數(568.5)，νGe為鍺色散系數(260.4)。

應用式(4)和式(5)計算光楔參數，所得的結果如表6所示。

表6 光楔參數表Tab.6 The table of optical wedge parameters

光楔組的外形如圖12所示。

圖12 光楔組外形示意圖Fig.12 The outline diagram of optical wedge group

應用光學設計軟件Zemax將光楔組與理想透鏡組合，評價其對成像質量的影響，建模如圖13所示。

圖13 光楔組成像質量分析結構示意圖Fig.13 The structural diagram of image quality analysis for the double optical wedge

光楔組的成像質量及色差如圖14所示。

通過上述分析，采用硅、鍺光楔組合可將色差減小至0.2μm以下，成像質量達到衍射極限，滿足設計要求。

3 光學系統(tǒng)整體設計與分析

在完成系統(tǒng)中的主要光學組件(前置大視場望遠光學鏡組、成像光學鏡組及雙光楔掃描器)的單獨設計優(yōu)化后，將三部分按照光瞳耦合要求進行對接。應用光學設計軟件進行整體優(yōu)化設計及像質評價，對接后系統(tǒng)的光學結構如圖15所示。

(a)光楔組MTF曲線

(b)光楔組MTF曲線

(c)光楔組點列圖圖14 光楔組成像質量及色差Fig.14 The imaging quality and chromatic aberration for the double optical wedge

圖15 系統(tǒng)對接示意圖Fig.15 The system docking diagram

應用光學設計軟件Zemax的多重組態(tài)功能設置光楔旋轉角度，分析在不同掃描角度下系統(tǒng)的成像質量。根據式(2)和式(5)可計算物方掃描角度與光楔旋轉角度之間的對應關系，如表7所示。不同掃描位置的光路圖及成像質量如圖16所示。

表7 光楔轉角與物方掃描角度對照表Tab.7 Comparison table for the wedge angle and the object scanning angle

(a)物方0°光路圖及MTF曲線

(b)物方14.58°光路圖及MTF曲線

(c)物方21.39°光路圖及MTF曲線

(d)物方-14.58°光路圖及MTF曲線

(e)物方-21.39°光路圖及MTF曲線圖16 不同掃描位置光路圖及成像質量Fig.16 The optical path map and imaging quality at different scanning positions

通過對系統(tǒng)不同掃描位置的成像質量進行分析，系統(tǒng)整體調制傳遞函數在所有掃描位置MTF>0.42@33(lp/mm)，均能夠滿足使用需求。

綜上，通過對系統(tǒng)各組成部分進行設計及分析，基于旋轉雙光楔的像方掃描光學系統(tǒng)能夠實現大范圍掃描功能，各掃描位置成像質量可以滿足要求。本文提出的基于旋轉雙光楔的新型像方掃描方法相比傳統(tǒng)光學系統(tǒng)，可減小20%以上的徑向尺寸，可將質量減小30%以上。該系統(tǒng)可應用于對特定外形有特定要求的無人機光學成像探測載荷。通過窗口共形設計，可有效降低由載體高速飛行所產生的氣動效應對成像質量的影響，提高圖像信噪比，有利于提高無人機的飛行速度。

通過對提出的基于旋轉雙光楔的新型像方掃描成像方法的研究，進一步拓寬了現有像方掃描技術的應用范圍。針對某些對窗口尺寸及安裝空間有嚴格要求的成像搜索系統(tǒng)，可以有效增加搜索范圍，提升系統(tǒng)的綜合性能，為無人機光電成像探測系統(tǒng)提供了新的技術途徑。

4 結 論

基于像方掃描原理的光學成像載荷，在確保指標滿足要求的前提下，與傳統(tǒng)成像方式相比，具有窗口尺寸小、運動負載質量小、可實現高速掃描等優(yōu)點。本文針對目前高速無人機光電載荷體積大、視場范圍小的問題，提出了一種基于旋轉雙光楔的像方掃描大視場光學系統(tǒng)設計，可避免像旋的產生。同時，相比傳統(tǒng)掃描光學系統(tǒng)設計，采用旋轉雙光楔的設計能夠使光電載荷系統(tǒng)的徑向尺寸大幅縮小，并滿足狹長空間的安裝需求。

本文首先介紹了像方掃描成像技術的原理，對像方掃描光學系統(tǒng)的典型結構形式及特點進行了對比分析；然后，開展了基于雙光楔掃描的大視場像方紅外成像光學系統(tǒng)設計。為降低系統(tǒng)復雜度及便于實際加工和裝調，將該光學系統(tǒng)設計分解為前置大視場望遠光學鏡組、成像光學鏡組和雙光楔掃描器三個子系統(tǒng),并進行了分部設計和仿真。

本文設計的旋轉雙光楔像方掃描光學系統(tǒng)的物方視場范圍為±21.665°，滿足了大視場范圍的工作要求。在工作波段3.7μm～4.8μm范圍內，系統(tǒng)的成像質量高，中心視場MTF在33(lp/mm)空間頻率下可達0.45，全視場范圍內MTF>0.42@33(lp/mm)，像點能量集中度較好，接近衍射極限。提出的基于旋轉雙光楔的新型像方掃描方法，相比傳統(tǒng)光學系統(tǒng)，在徑向尺寸上可減小20%以上，質量可減小30%以上。但本文設計的光學系統(tǒng)的復雜程度仍然較高，未來將繼續(xù)縮小光學系統(tǒng)的整體尺寸，為實現無人機光學載荷的小型化、輕量化提供技術支撐，并拓展其應用范圍。