周掃像移補償大面陣紅外光學(xué)系統(tǒng)

劉玉環(huán)， 周 軍， 盛 忠， 李 娟， 熊 健

(北京遙感設(shè)備研究所，北京 100000)

0 引言

紅外搜索與跟蹤(IRST)系統(tǒng)在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、環(huán)境安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要地位。大空域、全方位、遠距離探測、識別與跟蹤是新一代IRST系統(tǒng)追求的目標(biāo)[1-2]。IRST系統(tǒng)實現(xiàn)大空域、全方位搜索與跟蹤在硬件上主要依靠具備快速掃描功能的光學(xué)系統(tǒng)及其配套的伺服系統(tǒng)[3-4]。當(dāng)IRST系統(tǒng)在某個方向快速周掃工作時，由于積分時間與運動速度的不匹配，會出現(xiàn)像移，導(dǎo)致接收的圖像出現(xiàn)運動拖尾乃至模糊現(xiàn)象，此時需要IRST系統(tǒng)具備像移補償即穩(wěn)像能力。

IRST系統(tǒng)的穩(wěn)像與光學(xué)防抖等穩(wěn)像具有較大區(qū)別，主要在于其精度要求極高：需具備極高的掃描速度，如艦載和地面IRST一般要求周掃速度在360～720 (°)/s；為滿足遠工作距離而要求積分時間較長，根據(jù)所處平臺不同，中波紅外系統(tǒng)積分時間一般為1～4 ms，長波紅外系統(tǒng)積分時間一般為0.5～2 ms；掃描過程中須具備較高的穩(wěn)定角精度，一般為10 μrad以下[5]。

對于高精度光電探測系統(tǒng)，常用的穩(wěn)像方法有光學(xué)穩(wěn)像法[6]、機械穩(wěn)像法[7]、集成穩(wěn)像法[8]和電子穩(wěn)像法[9]。目前，光學(xué)穩(wěn)像法和機械穩(wěn)像法在IRST系統(tǒng)上應(yīng)用較多，集成穩(wěn)像法和電子穩(wěn)像法受限于目前的器件、信號處理水平以及系統(tǒng)實時性要求，應(yīng)用受到較大限制?；谀壳凹t外探測系統(tǒng)的軟硬件水平，本文介紹一種采用光學(xué)穩(wěn)像方法實現(xiàn)長積分時間快速周掃消像移大面陣紅外光學(xué)系統(tǒng)，集成后的光學(xué)樣機能穩(wěn)定地搜索跟蹤目標(biāo)，成像分辨率極高，表明該光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 光學(xué)穩(wěn)像原理

1.1 光學(xué)穩(wěn)像原理

根據(jù)穩(wěn)像光學(xué)元件在光路中的位置，光學(xué)穩(wěn)像可分為平行光路穩(wěn)像和會聚光路穩(wěn)像。在周掃IRST系統(tǒng)中，會聚光路穩(wěn)像存在穩(wěn)像元件掃描角速度低且非線性失真的問題。平行光路穩(wěn)像光路構(gòu)成簡明，反射鏡穩(wěn)像方式簡潔，采用高比剛度材料制成的輕量化反射鏡可以滿足1000 (°)/s以上的掃描角速度要求，且平行光的形式可以實現(xiàn)絕對穩(wěn)像。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)在方位或俯仰方向以角速度ω0進行周掃時，紅外探測器積分時間為t，則光學(xué)系統(tǒng)在掃描方向?qū)?yīng)的瞬時視場漂移過的角度為ω0t。高精度IRST系統(tǒng)的角分辨率可達到0.1 mrad，若ω0=360(°)/s，t=3 ms，則目標(biāo)點在像面拖尾區(qū)域?qū)⑦_到360(°)/s×3 ms/0.1 mrad=188.5 像素，將直接導(dǎo)致探測能力的喪失。

平行光路穩(wěn)像的原理如圖1所示。

圖1 平行光路穩(wěn)像原理

當(dāng)不發(fā)生角速度ω0周掃時，0°入射光線將會聚在探測器焦平面中心位置，如圖1(a)所示；當(dāng)發(fā)生角速度ω0周掃時，經(jīng)過t積分時間的掃描，目標(biāo)與光軸產(chǎn)生相對偏移，目標(biāo)發(fā)出的0°光線將以ω0t角度入射光學(xué)系統(tǒng)，在探測器焦平面上的會聚點將偏離中心位置，如圖1(b)所示；若在角速度ω0周掃時，通過穩(wěn)像擺鏡擺動一個特定角度，則可將該ω0t入射光線在探測器焦平面上的會聚點重新校準到中心位置，如圖1(c)所示。

1.2 平行光路穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)

從圖1可以看出，平行光路穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)由前組望遠鏡組和后組會聚鏡組兩部分組成。光學(xué)系統(tǒng)的焦距f′可以表示為

(1)

t積分時間對應(yīng)的穩(wěn)像反射鏡補償角度θ為

(2)

2 長積分時間快速周掃下像移補償大面陣紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)IRST系統(tǒng)探測要求，光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1) 工作波段為3.7～4.8 μm；2) 視場為4°×3.2°；3) 探測器規(guī)格，F(xiàn)/2，1280×1024元，像元15 μm×15 μm；4) 周掃速度為360 (°)/s，位于4°視場方向；5) 積分時間為4 ms；6) 工作溫度為-40～60 ℃。

為保證掃描精度及提高角速度，取望遠鏡組角放大率為5×，對應(yīng)的穩(wěn)像反射鏡補償擺動角為3.58°。此時在單幀下，需要補償?shù)哪繕?biāo)與光軸的角度偏移量為1.44°。

2.2 光學(xué)設(shè)計

根據(jù)以上參數(shù)進行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計光路如圖2所示。

圖2 設(shè)計光路Fig.2 The designed optical path

圖2中，光學(xué)系統(tǒng)包絡(luò)為385 mm×195 mm×140 mm，該光學(xué)系統(tǒng)共采用10片透鏡。為消除長焦大視場帶來的軸外像差，共采用了3個非球面表面；為消除色差和熱差，對10片透鏡的材料進行了精細搭配，使用材料包括Si,Ge和ZnSe等。

控制瞳的位置可以使穩(wěn)像擺鏡盡可能小，圖3為穩(wěn)像擺鏡上的光線足跡分布圖，依此可以確定擺鏡尺寸為40 mm×29 mm。

圖3 穩(wěn)像擺鏡上的光線足跡Fig.3 Light footprint on image stabilization mirror

2.3 成像質(zhì)量評價

圖2所示光路的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線如圖4所示，單像元包圍圓能量是遠距離點目標(biāo)探測系統(tǒng)的重要指標(biāo)[10]，光學(xué)系統(tǒng)在-40～60 ℃下的能量集中度曲線如圖5所示。從圖4和圖5可以看出，該光學(xué)系統(tǒng)在-40～60 ℃下成像質(zhì)量接近衍射極限。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Fig.4 MTF of the optical system

圖5 光學(xué)系統(tǒng)在高低溫下的能量集中度曲線Fig.5 Energy concentration curve of the optical system at high and low temperatures

3 周掃成像效果

光學(xué)系統(tǒng)集成樣機后進行了周掃成像效果測試。在搜索工作狀態(tài)下，方位周掃速度為360 (°)/s，積分時間為4 ms，在平行光管中對四靶標(biāo)分別進行了下述3種狀態(tài)下的成像測試：1) 未開啟搜索狀態(tài)，即四靶標(biāo)與紅外探測系統(tǒng)相對靜止；2) 開啟搜索狀態(tài)，穩(wěn)像補償功能未開啟；3) 開啟搜索狀態(tài)，穩(wěn)像補償功能開啟。3種測試狀態(tài)下采集的圖像如圖6所示。

圖6 周掃補償成像效果對比Fig.6 Comparison of imaging effects under the condition of scanning compensation

由圖6可見，穩(wěn)像補償后的圖像與相對靜止?fàn)顟B(tài)下的圖像幾乎一致，說明光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)像光路設(shè)計是成功的。圖7為該光學(xué)系統(tǒng)樣機對15 km處的場景進行搜索成像后的紅外全景圖像，該全景圖像穩(wěn)定清晰、分辨率較高，具有較為震撼的視覺效果，表明該光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)及成像探測能力具有國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖7 15 km處場景的紅外全景圖像

4 結(jié)束語

像移補償是IRST系統(tǒng)進行快速掃描的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了一種像移補償IRST光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有1k級的面陣規(guī)模、4 ms級的積分時間、360 (°)/s級的周掃速度等技術(shù)特點?；谀壳凹t外探測系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)水平，該光學(xué)系統(tǒng)采用平行光路穩(wěn)像方法，其設(shè)計結(jié)果以及光學(xué)樣機周掃成像測試結(jié)果表明，該光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)及成像探測能力代表了目前IRST領(lǐng)域的國內(nèi)一流水平。