新型光电技术将改变潜艇作战

潜艇执行水上监视任务需要能在桅杆出水几秒钟内获取完整水上图像的先进光学／光电传感器。潜艇利用光学瞄准具和光电桅杆仔细探测和分辨难以辨认的目标或那些在远距离上通过协同或非协同的方式使用杂波有限弹道的目标。Kollmorgen光电公司、Zeiss Optronik公司和Thales光电公司等专业公司正在生产潜艇光电桅杆系统。其中，Thales公司为将多光谱成像传感器引入潜艇和将潜望镜传感器数据集成到潜艇作战系统铺平了道路。美国光电系统领域的专业公司Kollmorgen公司为包括阿根廷（2艘TR1700型SANTA CRUZ级潜艇）、荷兰（4艘WALRUS级潜艇）和意大利（装备6艘SAURO级潜艇）在内的世界范围用户提供各种先进的光电桅杆系统。     

红外双波段共焦复合孔径光学系统设计

为满足光电成像装备多元、广域、远距离探测的需求,提出了双波段复合孔径光学系统的概念。采用主副孔径配合探测搜索的方式,其中主孔径用于远距离探测,副孔径用于大视场搜索,并分析主副孔径与中继系统拼接函数以推导复合孔径共焦面方程,从而保证不同波段图像采集的同步性和一致性。设计的红外双波段复合孔径光学系统成像波段为3.7～4.8μm和7.7～9.5μm,复合孔径系统由5个子眼（1个主子眼和4个副子眼）构成,主孔径焦距为200 mm、视场角均为±6°,副孔径焦距为50 mm、视场角均为±12°,主副孔径光轴夹角为6°,合并后的总视场为24°。相对于均一型复合孔径系统而言,该系统兼具了远距离探测与大视场搜索功能,主副孔径系统与中继接收系统成像质量良好,在-40～60℃温度范围内无热差影响。     

中长波红外双波段自由曲面棱镜

为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题,提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法,实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段（3.7～4.8μm和8.0～12.0μm）红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处,系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数（MTF）分别高于0.79和0.67。经公差分析可知,该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时,完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。     

多波长激光复合点目标运动模拟

 介绍了多光谱激光复合点目标运动模拟系统的构成和工作原理。该系统用于光电火控装备及成像导引头系统的研发及验证。3种激光波长（0.65 μm、0.808 μm、10.6 μm）可满足电视（0.4 μm～1.1 μm）和长波红外成像（8 μm～11.5 μm）光电跟踪系统的动态仿真测试。12 m半径1/4球幕在0.4 μm～12 μm宽波段漫反射率大于0.7,点目标运动范围:方位0°～ ±90°;俯仰0°～90°。该技术已用于车载防空光电火控系统半实物仿真试验评估中,跟踪精度从0.4 mrad 提高到0.2 mrad。     

可见光/长波红外共聚焦窗口望远物镜设计

双波段/多波段融合成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统尤其是可见光/长波红外(VIS/LWIR)成像系统成为研究的重要方向之一。在分析反射式、折反式和折射式双波段成像系统的结构形式以及常用的折射共窗口系统的组成和特点的基础上,针对双波段系统在应用中的欠缺,设计了一款可用于手持式设备的VIS/LWIR共窗口折射望远系统,系统的主要技术指标为:0.6～0.8μm(VIS),8～12μm(LWIR),f′VIS=47 mm,f′IR=58mm,2ω=9.8°,FVIS=2,FIR=1.3。设计结果符合各项指标,像质在两个波段均满足使用要求。整个光学系统尺寸为51mm×93mm×136mm,结构紧凑,实用性强。     

一种大功率宽波段激光束散角的校准测试方法

在大功率激光系统的评价与分析中,激光器的光束品质是系统光束品质的决定性因素,也是激光器验收、鉴定的重要指标,其中束散角是判别激光光束质量的重要参数。本系统测试激光波长的范围比较宽,一般在0.532μm～10.6μm之间,没有合适的探测器能够覆盖整个波段,所以采用了一种新的方法来解决宽波段束散角的测量问题。选用CCD成像和扫描狭缝相结合的方法来实现宽波段激光光束束散角的测量,可见光和近红外波段（0.532μm～1.2μm）激光光束采用CCD法测量激光束散角,中红外波段（1.2μm～10.6μm）激光光束采用扫描狭缝法测量激光束散角。两种方法的结合可以较为精确地测量出不同波段的激光束散角。     

反射式TDICCD光学遥感器波段选择

光谱波段是光学遥感器设计中需要考虑的一个重要指标。首先对探测海洋目标的反射式TDICCD光学遥感器需要选择的光谱波段进行分析,应用LOWTRAN 7软件对0.4μm～1.0μm波段的大气透过率进行了计算,同时对典型的海洋目标（如船体）、海水的光谱反射率及其对比度进行分析,最后对遥感器的入瞳辐射亮度和信噪比进行了估算。计算结果表明：遥感器光谱波段选择0.5μm～0.9μm波段,在入瞳辐射亮度和信噪比等方面优于选择0.5μm～0.8μm波段。这一结论为实用系统的波段选择提供了依据。     

紫外至近红外积分球辐射定标系统

本文描述一种定标系统,它采用直径250cm的积分球辐射源作定标源,其辐射孔径大(直径40cm)、辐射功率高、具有较好的空间均匀性、广角度的漫射性、输出稳定以及宽波段的定标范围(0.25～2.5μm).本系统可用于光学遥感传感器和有关光辐射测量仪器的定标.     

自动多波段红外海洋表面温度辐射系统研究

针对我国海洋遥感定标检验技术的研究,设计了一种能够自动测量海水表面温度的多波段红外辐射系统,其分辨率优于0.1℃,精度优于±0.5℃。系统采用了4个波段,即3.5～4.0μm,8～13μm,10.3～11.3μm和11.5～12.3μm。内部光学系统通过两个不同温度的参考黑体进行实时校正,保证光学系统被盐雾沉积后也不影响整个系统的精度。另外,为了防止恶劣天气对系统的影响,还设计了一个由雨量传感器触发的自动保护罩。通过实验室标定和岸边实验对系统精度和稳定性进行了实验验证。     

核爆炸光辐射探测中的大气传输性能研究

从核爆炸光辐射特点出发, 结合我国中纬度地区大气特点,研究了(0.2～1.2)μm波段大气传输性能。通过实际测量数据分析可知,大气对（0.2～1.2)μm光辐射起主要作用的成分有水蒸气、二氧化碳和臭氧的分子吸收和散射以及气溶胶大粒子的散射。综合考虑这些因素,改进了水平路径传输上（0.2～1.2）μm光辐射大气传输经验方程。计算机仿真结果表明：该方程能体现我国中纬度地区光辐射的传输情况,对（0.4～0.8）μm可见光波段能很好地吻合。将（0.4～0.8）μm波段光辐射大气传输定量计算结果直接应用到基于可见光辐射探测的核爆炸探测子系统中,模拟核爆炸探测,实验结果表明：与传统大气传输计算软件的定性结果相比,该方法的测量精度有明显的提高。     

制冷型折衍混合双波段红外光学系统无热化设计

基于衍射元件的特殊成像性质,使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率,在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构,能够消除背景噪声干扰,保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法,设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统,实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜,仅由两种材料组成,入瞳直径为80 mm,焦距为100 mm,F数为1.25,有效视场为6°,工作波段为3.7～4.8μm和8.0～12.0μm,工作环境温度为-40～60℃。分析结果表明,在整个温度范围内,在17 lp/mm截止频率处,双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59,同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%,综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单,成像质量好,在军事和商业应用中具有一定优势。     

红外仿真变焦光学系统设计

针对目前半实物仿真采用一弹一仿的问题,提出采用变焦距投影系统的五轴转台仿真方案,使得不同视场、不同焦距、不同型号的导引头可以采用同一套仿真系统进行仿真测试,提高了仿真系统的效费比。分析了红外半实物仿真用变焦光学系统的特点,设计了（8～12）μm波段衍射受限红外变焦光学系统,系统入瞳直径80mm,变倍比为3.0,弥散斑直径小于50μm。     

海军光电装备的未来发展方向

光电系统可以工作在所有的环境下，当装在无人机或无人舰船上时，光电传感器也能通过适当布置完成多传感器的数据融合，这将极大地提高目标位置测量精度。在不远的将来，无人舰船将装备先进的光电负载，工作在网络中心战（NCW）的框架下，灵活地适应指挥员的任务调遣。这些平台将工作在高威胁地区，识别目标并保持对通过高密度交通区运动目标的跟踪。海军通过改善他们与光电传感器、雷达和其它传感器的连通性，并考虑获取建制机载光电系统以进行闭环决战武器控制。如果能将多个传感器的数据进行融合，就可利用它们的多维特征很容易地探测难以发现的目标。     

双波段多层衍射光学元件的基底材料选择方法研究及其在变焦系统中的应用

基于双波段系统的多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分衍射效率(PIDE),建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7～4.8μm(MWIR)和长波红外7.7～9.5μm(LWIR)双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。     

红外场景投射器双波段投影光学系统设计

为了使红外场景投射器投射出的红外场景更加逼真,设计了一入瞳距800mm、入瞳100mm和视场为±2.5°的双波段红外场景投射器投影光学系统。研究了红外场景投射器双波段投影光学系统的设计过程,分析了初始结构选择的方法。该系统可以模拟主要发出波长为3~5μm的高温物体和波长为8~12μm的常温物体,可以分别使用3~5μm波段红外探测器和8~12μm波段红外探测器进行观测,并对该系统进行了像质评价和公差分析。     

Development of ship-borne electro-optical tracking and fire control system北大核心CSCD

舰载光电跟踪与火控系统是一种远距离监视、跟踪与火力打击装置,按照体系结构可以分为分立式和综合式两类。对比分析了德国MSP500、意大利“梅杜莎MK4”、英国2500型、以色列Toplite、美国SeaFLIR 280-HD和380-HD、瑞典EOS 500、法国EOMS NG和PASEO等典型光电指向器的结构形式、传感器配置、作用距离及与火控系统的关系。指出光电指向器的结构由“T型”逐渐发展为“U型”,光电传感器的波段由单一波段发展为多个波段,光电跟踪系统的功能由单一功能向综合多功能转变。随着现代海战对抗加剧,舰载光电跟踪与火控系统将朝着多传感器协同探测、信息融合、多目标识别、智能跟踪、使命任务多样化方向发展。     

谐衍射/折射双波段系统设计

将谐衍射透镜成功地引入红外凝视阵列探测器双波段系统的设计中,使系统在3．7～4．3μm的中波红外和8．7～11．5μm的长波红外波段同时较好的完成了像差校正。光学传递函数在两个波段范围内,在18lp／mm时的归一化值均大于0．5,接近衍射极限。该系统具有100％冷光栏效率。设计结果表明,谐衍射透镜的光谱特性介于折射透镜与衍射透镜之间,色散大小可以控制,降低了对工艺水平的要求,使红外双波段系统结构紧凑,透镜组片数少、分辨率高。为红外光学设计提供了一种全新的器件。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计（英文）

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8)μm和(7.7～9.5)μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃～71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

双色红外共孔径消热差光学系统设计

针对红外搜索跟踪系统对目标的探测,为提高光学系统在复杂背景下的探测能力,设计了双色红外共口径光学系统。系统工作波段为红外中波3 m~5 m和红外长波8 m~12 m,采用分光型RC系统实现双波段共孔径清晰成像,总焦距为400 mm,相对孔径D/f=1/2,全视场角为2,为了抑制中波的热辐射杂光,对中波系统实现了二次成像,通过红外材料与光焦度的合理分配实现了折反式被动消热差设计。设计结果表明,系统在-40℃～+60℃工作温度下像质优良,能够满足红外搜索跟踪系统的使用需求。     

红外双波段双层谐衍射光学系统设计

将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4~4.2μm和8~11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4~4.2μm和8~11μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。