一种宽温双光谱红外搜索跟踪系统的设计

基于谐衍射光学元件特殊的色差和热差特性,将谐衍射元件应用于红外搜索成像系统中, 设计了一个双光谱宽温度范围的红外搜索跟踪成像系统,该系统工作波段为3.7—4.8 μm和8.7—11.3 μm, F数为2.5,有效焦距为200 mm,全视场角为5°, 环境温度为-80 ℃—200 ℃. 设计结果表明,使用谐衍射透镜不仅可以使系统在两个波段范围成像优良, 而且结构简单紧凑、透射比高、具有良好的消热差特性. 关键词： 光谱成像 红外搜索 热差     

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。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

多波段红外离轴三反光学系统的设计

单一红外波段的光学系统在无人机对地侦察时接收到目标信息量较少,也易受环境的影响甚至无法探测到目标,严重影响了侦察的效率.分析了多波段红外光学系统成像原理及设计方法,最终选取反射式结构形式设计了一款焦距为50mm、全视场为12°×10°的离轴三反红外光学系统,该系统可用于短波红外成像、中波红外成像,以及长波红外成像.各个...     

多波段全天空气辉成像仪光学系统设计

为了降低多波段全天空成像仪的复杂度和研制成本,提出了一种免调焦、高鲁棒性的多波段全天空成像光学系统方案.采用像方远心鱼眼镜头加物方远心像方准远心的有限共轭距成像镜组成二次成像系统,货架级的窄带滤光片置于一次像面处,使用H-FK61和KF2两种玻璃实现全系统复消色差.设计结果表明:系统F数为2.8,波段范围427.8～865nm,色焦移小于0.048mm,系统8个观测通道的光学传递函数都在0.46以上,满足使用要求,且滤光片公差容限非常宽松,面形公差PV≤λ/2、折射率公差±0.003、厚度公差±0.05,货架级产品即可满足使用要求.相比传统方案,该系统省去了探测器调焦机构、且不需要使用定制的窄带滤光片,达到了简化系统降低成本的目的.     

分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计

为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息,设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法,在不同通道内放置滤光片的方式,实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93,单通道的焦距为60 mm,MTF接近衍射极限,同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求,可以满足应用和指标需求。     

抛物面镜调校双波段光学系统光轴的误差分析

通常采用离轴抛物面镜来对双波段成像光学系统的光轴进行校准以便实现两个成像系统的像素级图像融合,但抛物面镜和点光源安装时所产生的误差会影响两个光轴的校准精度。根据几何关系及光学成像原理,推导了离轴抛物面镜对焦点附近点光源的成像公式,在此基础上分析了抛物面镜和点光源的安装误差对双波段成像光学系统光轴校正造成的影响。根据推导的误差分析公式可将可见光通道和红外通道双波段光轴的平行性误差控制在1个像素以内。     

抛物面镜调校双波段光学系统光轴的误差分析

通常采用离轴抛物面镜来对双波段成像光学系统的光轴进行校准以便实现两个成像系统的像素级图像融合,但抛物面镜和点光源安装时所产生的误差会影响两个光轴的校准精度。根据几何关系及光学成像原理,推导了离轴抛物面镜对焦点附近点光源的成像公式,在此基础上分析了抛物面镜和点光源的安装误差对双波段成像光学系统光轴校正造成的影响。根据推导的误差分析公式可将可见光通道和红外通道双波段光轴的平行性误差控制在1个像素以内。     

大视场大相对孔径双波段夜视R-C系统设计

为了利用可见光波段和长波红外波段所蕴含的不同信息进行数据融合和实时彩色显示,设计了一种大视场的单通道双光谱R-C结构。双谱光学系统的具体结构为R-C系统加校正镜,采用主镜后分光,利用二向分光镜反射可见光波段,透射长波红外波段。全视场角和相对孔径分别为5°和1∶1.7;次镜遮拦比为1∶3;光学系统在可见光波段MTF=0.60的成像质量对应的空间频率为50 lp/mm,在长波红外波段MTF=0.30的成像质量对应的空间频率为15 lp/mm。对该系统的结构特点进行分析和讨论,给出了各种像差曲线和光学传递函数。     

通道调制型偏振成像系统的波段宽度限制判据

通道调制型偏振成像技术是一种体积紧凑、空间分辨率高且能够实时获取全偏振信息的新型偏振成像探测技术. 但该技术目前只能实现准单色光的全偏振探测, 严重制约了其实用化. 本文首先对宽带光通道调制型偏振成像出现混叠现象的原因进行了分析, 得出载波频率是限制波段宽度的主要因素. 据此在空间频谱域上分析并推导了通道调制型偏振成像系统的光谱宽度限制判据公式, 同时通过模型仿真得到了系统的极限有效光谱范围, 与理论推导公式结果进行了对比分析, 验证了判据的准确性. 基于该判据可预测给定通道调制型偏振成像系统的有效工作波段, 同时还可为扩展系统波段宽度提供理论支撑.     

微光彩色夜视光学系统设计与像质评价

为了充分利用可见光和长波红外所蕴含的不同信息进行数据融合、彩色显示,分析了3种不同类型双波段光学系统及其成像性能,设计了全折射光学系统、折反射光学系统和离轴三反射双谱光学系统。采用不同的分光形式,反射可见光波段,透射长波红外波段,使3种不同类型光学系统的全视场角和相对孔径分别为5°和1∶1.7;光学系统在可见光波段成像质量对应的空间频率50 lp/mm处的MTF=0.60,在长波红外波段成像质量对应的空间频率15 lp/mm处的MTF=0.30。对不同结构类型的系统特点进行分析和讨论,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,为多波段彩色夜视设计了不同类型的光学系统。     

共口径中波/短波偏振红外成像光学系统

对中波/短波偏振红外成像光学系统进行了研究,设计了一个新颖的共口径中波/短波偏振红外成像光学系统.该光学系统由全反射式无焦光学系统、分束镜、二级镘远系统、偏振组件和红外物镜系统组成,为了约束主反射镜、双面反射镜、分束镜和偏振片的H径,创造性地采用了_三次成像光学系统.光波经无焦光学系统后被分束镜分成中波红外波段(3～5 gm)和短波红外波段(1～2.5弘m).然后分别经两个物镜系统会聚到两个探测器上.实现了双波段共1:3径成像.给出了光学系统的设计结果.像质良好,满足整机使用要求.     

Johnson准则在红外成像系统外场识别性能评估中的应用

通过对外场观测的红外图像进行反演,获取了目标的临界尺寸和目标与背景的平均温差.以热成像系统的测试最小可分辨温差曲线为基础,确定了反演目标表观温度对应的空间频率,并结合Johnson准则和目标传递概率函数建立了实测目标图像与热成像系统探测识别性能的数学模型.该应用技术在外场识别性能评估中避免了人员对红外靶标图像的主观判读,可建立起客观的外场红外系统性能评估模型.对外场实测热图像及数据进行了实验,计算结果表明该模型可以有效地对红外成像系统的探测识别性能进行评估.     

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。     

可见/中波双波段共口径光学系统设计

为了提高光电探测设备目标探测与识别的能力，设计了一套可见/中波双波段共口径光学系统。根据实际工程经验总结了一套分段设计、组合优化的光学设计方法，通过合理地分配光焦度，分段选择合适的初始结构，再现了双波段共口径光学系统初始结构的设计过程；结合CodeV和TracePro软件量化了制冷型中波红外探测系统的冷反射现象，并且通过外场试验成像验证了分析结论的正确性。双波段共口径光学系统最大视场达到1.25°，畸变小于0.1%，可以在环境温度?30 ℃～50 ℃下工作，中波红外探测系统实现了100%冷光阑匹配，可见光探测系统可以实现大、小视场的切换，双波段成像系统具有调焦、调光功能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。     

二元光学双波段红外成像光谱仪

根据红外辐射的大气窗口特性、二元光学元件特殊的色散特性和多级衍射特性,提出了利用二元光学透镜的新型中波和长波红外双波段成像光谱技术,从理论上阐述了二元光学双波段红外成像光谱仪的基本原理和设计方法,实际例子证明了设计的可行性,利用此方法可研制轻型、价格低廉的双波段红外成像光谱仪.     

红外相机共孔径双波段成像光学系统

针对双波段成像系统可以有效提升红外相机的目标探测与识别能力,选择了折反射式双波段系统结构形成,提出共孔径分光路中波红外和长波红外双波段成像光学系统。2个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后2个谱段采用相互独立的中继透镜组, 通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。2个谱段焦距均为800 mm,工作谱段为3.7 m～4.8 m和7.7 m～10.3 m,中波和长波的F数分别为2.3和2.8,视场角为1.2,该光学系统各谱段在各自乃奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,可满足实际使用需求。     

双色中波红外图像差异统计特征的选择与提取

针对双色中波红外图像特征数目庞大,不易于对其双波段成像差异进行综合分析的问题,提出一种基于统计特征的三级特征选择模型。该模型先对双波段的原始统计特征进行标准化处理,然后根据其在四组双波段图像中的分布,经过显著差异级、一致差异级、特殊差异级的分析,选择出能够满足双波段图像差异分布规律的有效统计特征。在特征选择的基础上,利用局部线性嵌入（LLE）的特征提取方法对有效统计特征进行降维处理。实验数据表明,经该特征选择与提取后的单维特征能够综合反映双波段图像的差异幅度,达到了利用少量特征对双波段差异综合分析的目的。     

红外成像技术在靶场中的应用

本文就红外成像技术在靶场的应用，阐述了靶场应用的必要性、可行性以及注意的几个问题。分析了红外成像技术在靶场外弹道测量、图像传输和目标热场分布测量等方面的优势；通过理论计算，分析了红外成像测量系统选用的波段、可能达到的作用距离和测量精度等技术指标；结合靶场的工作实践，提出了红外测量系统在靶场应用中应重视的窗口选择、图像时延与传输、双目标识别以及标校等问题。     

用于太阳光谱仪的光电探测系统线性度测试装置

依据光叠加原理研制了一台太阳光谱仪光电探测系统线性度测试装置。该测试装置由300 W高稳定度氙灯光源、250 W卤钨灯光源、双层中性滤光片轮、双孔光阑及光学成像系统组成。依靠中性滤光片改变光束强度,依靠独立开闭的双光阑和光学成像系统实现光流叠加。该装置工作波段为200～2 400 nm,可模拟紫外-可见-红外波段地外太阳光谱辐照度,动态范围为104,已用于太阳光谱仪等光谱仪和硅光电二极管标准探测器等光电探测系统线性测量。