李正　王文生　張桂源

摘要：針對軍用裝備目標探測的應(yīng)用需求，設(shè)計了一種15倍非制冷式紅外變焦系統(tǒng)。該變焦系統(tǒng)工作于8～12 μm遠紅外波段，F(xiàn)數(shù)為3，在20～300 mm范圍內(nèi)系統(tǒng)能夠連續(xù)變焦且像質(zhì)較好，在最大截止頻率為11 lp/mm時，各焦距位置的MTF曲線與衍射極限十分接近。在長焦距、大變倍比的前提下，結(jié)構(gòu)依然緊湊，總長度有效控制在330 mm。在給定公差范圍內(nèi)，像質(zhì)變化滿足實際應(yīng)用允許的變化范圍。最后，該系統(tǒng)與聯(lián)合變換相關(guān)器相結(jié)合，完成了對目標的探測實驗。實驗結(jié)果表明，該紅外變焦系統(tǒng)能夠很好地探測識別目標。

關(guān)鍵詞：紅外變焦系統(tǒng)；遠紅外；光學(xué)設(shè)計；目標探測；目標跟蹤；聯(lián)合變換相關(guān)器

中圖分類號：TJ760；TN215 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0027-05

0、引言

近年來，隨著光學(xué)相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的武器裝備將紅外變焦系統(tǒng)和聯(lián)合變換相關(guān)器結(jié)合在一起對目標進行探測與跟蹤。紅外變焦系統(tǒng)是武器瞄準系統(tǒng)的重要組成部分，能夠連續(xù)獲取特定焦距范圍內(nèi)目標的紅外輻射能量，既可大視場搜索視野區(qū)域，也可小視場詳察目標。聯(lián)合變換相關(guān)器對變焦系統(tǒng)的成像進行圖像處理后可獲取目標位置與俯仰角等重要信息，火控跟蹤系統(tǒng)以此為依據(jù)完成精確制導(dǎo)?？梢哉f，紅外變焦系統(tǒng)的成像質(zhì)量決定著目標識別精度的高低，同時制約著武器裝備戰(zhàn)斗能力的強弱。

國外對紅外變焦系統(tǒng)有相當多的研究，如Barr&Stroud公司針對8～13 μm遠紅外波段設(shè)計了一系列應(yīng)用于掃描系統(tǒng)的變焦鏡頭，能夠達到10倍最佳變焦比。Wescan公司針對3～5 μm中紅外波段設(shè)計了一款F數(shù)為4的20倍變焦系統(tǒng)，焦距在20～400 mm范圍內(nèi)變化。國內(nèi)對變焦系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已有多家單位具備紅外變焦系統(tǒng)設(shè)計和加工的能力。浙江大學(xué)光學(xué)工程中心設(shè)計了一種F數(shù)為2的遠紅外波段變焦系統(tǒng)，變倍比為3，焦距在32～96 mm間連續(xù)變化。針對折反式的變焦結(jié)構(gòu)，長春光機所研發(fā)了一種遠紅外波段的大口徑變焦系統(tǒng)，焦距在750～3000 mm的范圍內(nèi)變化。

對于紅外圖像采集的變焦系統(tǒng)來說，存在紅外光學(xué)材料種類較少且價錢昂貴等限制，在兼顧應(yīng)用所需變焦比的同時，還要使系統(tǒng)具有大相對孔徑，從而獲取足夠的光通量完成遠距離目標探測。本文基于武器裝備瞄準系統(tǒng)的需求設(shè)計了一款變倍比為15的紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)數(shù)為3，焦距在20～300 mm范圍內(nèi)連續(xù)變化。該系統(tǒng)由七片透鏡組成，成像質(zhì)量較好，結(jié)構(gòu)緊湊。將聯(lián)合變換相關(guān)器和紅外變焦物鏡結(jié)合在一起，突出紅外變焦系統(tǒng)連續(xù)跟蹤目標圖像，聯(lián)合變換相關(guān)器精準識別定位目標的優(yōu)勢，完成瞄準系統(tǒng)的設(shè)計。

1、原理

1.1 聯(lián)合變換相關(guān)器

聯(lián)合變換相關(guān)器是一種用于目標識別的光電混合系統(tǒng)，整個系統(tǒng)依照光學(xué)相關(guān)原理進行工作，利用數(shù)學(xué)方法對所接收信號的波長、相位以及強度等信息進行相關(guān)運算，最終得到相關(guān)峰輸出，從而完成復(fù)雜區(qū)域內(nèi)目標的探測跟蹤。

圖1所示為聯(lián)合變換相關(guān)器工作原理圖，激光束經(jīng)衰減器、準直透鏡組、偏振器等裝置進行調(diào)制得到準直相干光，經(jīng)半反半透鏡分為兩條光路，作為兩次傅里葉變換的照明光源。PCI中存儲著與探測目標相同的參考圖像，由光學(xué)系統(tǒng)采集到待測區(qū)域的圖像信息，經(jīng)電腦制作與參考圖像合為一張聯(lián)合圖像后一起寫入電尋址液晶EAL-CD1，聯(lián)合圖像經(jīng)一次傅里葉變換得到聯(lián)合變換功率譜，由探測器CCD2接收并存儲到PC2中，再將聯(lián)合變換功率譜寫入電尋址液晶EALCD2，經(jīng)傅里葉逆變換，得到相關(guān)輸出，被探測器CCD3獲取傳輸?shù)絇C3中。當聯(lián)合圖像經(jīng)過衍射現(xiàn)象和傅里葉透鏡共同作用之后會得到二者的相關(guān)峰輸出，通過觀察相關(guān)峰的強度，確定參考圖像與被測目標之間的一致性。若待測區(qū)域內(nèi)不存在被測目標，則沒有相關(guān)輸出。相關(guān)輸出的兩個亮斑越明顯，則探測到目標的可能性就越大，反之，則探測范圍內(nèi)存在目標的可能性較小。

1.2 變焦距光學(xué)系統(tǒng)

變焦距光學(xué)系統(tǒng)的焦距在限定范圍內(nèi)可進行改變，對于不同焦距位置，系統(tǒng)視場角不同，所觀測到的景物大小也不同。為了保證變焦過程中像面位置穩(wěn)定不變，需要某些組元作相對運動來補償變焦過程產(chǎn)生的像面移動。采用機械補償方法的變焦系統(tǒng)中，各運動組元按照復(fù)雜規(guī)律運動實現(xiàn)系統(tǒng)變焦以及像移補償，在一定焦距范圍內(nèi)能夠連續(xù)變焦，相對孔徑基本不變，像面位置不發(fā)生變化。這種光學(xué)系統(tǒng)每個組元的光焦度均為定值，通過使運動組元作相對運動而改變各組元空氣間隔，從而有效改變系統(tǒng)焦距。

以典型的四組元系統(tǒng)為例對變焦方程進行分析，只討論產(chǎn)生像面位移的運動組元，變焦方程見式（1）。假設(shè)變倍組移動曲的距離，引起整個變焦部分的像面位移量為m²₃（1-m²₃）dq，補償組的非線性移動距離由d△表示，它所引起的像移量為（1-m²₃）d△。保證系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定不變，兩個運動組元產(chǎn)生的像移量之和必須為零。

其中：m₂——變倍組的垂軸倍率：

m²₃——補償組的垂軸倍率。

對變焦方程求解，得通解：

假設(shè)變倍組和補償組的變焦起始位置位于系統(tǒng)長焦，此時，m₂=m_2l，m₃=m_3l，可得

將式（2）和式（3）進行減法運算，得變焦方程特解：

以補償組的倍率為自變量建立方程：

對式（5）求解，得到互為倒數(shù)的兩個根，該結(jié)果與物像交換原則相一致。

2、紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

本文研究的裝備瞄準系統(tǒng)，針對目標的長波紅外輻射進行探測識別，既可大視場搜索視野區(qū)域，也可小視場詳察目標。變焦光學(xué)系統(tǒng)接收目標的紅外福射能量后，由聯(lián)合變換相關(guān)器對接收信號進行光學(xué)相關(guān)處理，得到目標與參考圖像的一對相關(guān)輸出，以此為依據(jù)完成制導(dǎo)對象的識別和位置判斷。

通常來說，紅外光學(xué)系統(tǒng)盡量采用大相對孔徑設(shè)計，確保盡量多的光通量進入系統(tǒng)，以此彌補熱輻射能量微弱的特點。本文根據(jù)瞄準系統(tǒng)的總體指標制定光學(xué)參數(shù)，該系統(tǒng)以8～12 μm長波紅外作為工作波段，主要承擔(dān)實時獲取目標紅外輻射的作用。為擴大該瞄準系統(tǒng)的探測范圍，提升其遠距探測能力，本文設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)在20～300mm焦距范圍內(nèi)進行15倍連續(xù)變焦，采用機械補償方式補償變焦過程中產(chǎn)生的像面漂移，相對孔徑為3。選用320×240元的非制冷式紅外探測器成像，像元尺寸為45 μm×45 μm，參照空間頻率計算公式求得，該探測器具有11 lp/mm的極限分辨能力。系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。

2.2 設(shè)計過程

通過查找專利庫選取初始結(jié)構(gòu)，該初始結(jié)構(gòu)由九片透鏡組成，材料均為鍺紅外材料。初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成像質(zhì)量如圖2所示，MTF曲線比較低，且出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)的偽分辨現(xiàn)象，像質(zhì)不符合要求。應(yīng)用Zemax軟件作為優(yōu)化工具，通過人工調(diào)校與自動優(yōu)化相結(jié)合的方法修改初始結(jié)構(gòu)，參照軟件自帶像質(zhì)評價功能對成像質(zhì)量進行評估。

紅外光學(xué)材料價錢昂貴，且光線在經(jīng)過多片透鏡后會有部分能量損耗，從降耗、減重、降本等多方面考慮，將初始結(jié)構(gòu)的九片透鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化為七片式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總長約束為330 mm，系統(tǒng)緊湊，可在有限空間內(nèi)進行應(yīng)用。前固定組選用一片聚焦透鏡，有效降低第二個組元（變倍組）上光線的入射高度，增加整個系統(tǒng)的視場角。變倍組在移動過程中承擔(dān)光線偏角的變化量較大，所以依然保持兩片透鏡組合形式，正彎月透鏡與負彎月透鏡相互抵消自身產(chǎn)生的球差，同時也抵消了部分來自于前固定組的負球差。補償組含一片負彎月透鏡，兩運動組元相對位置變化，從而完成系統(tǒng)變焦。后固定組總光焦度為正，應(yīng)用三片透鏡較好地校正自身像差和補償其他透鏡組剩余的正球差和軸外像差，同時有效縮短系統(tǒng)總長，并保證足夠長的后截距。

色差是影響成像質(zhì)量的重要因素之一，通常在光學(xué)系統(tǒng)中采用兩種或兩種以上光學(xué)材料能夠有效校正色差。硫化鋅是長波紅外比較常見的光學(xué)材料，通常會將其作為負透鏡材料。系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)中透鏡材料較單一，均為鍺材料，無法校正色差，在后固定組中選取一片負透鏡替換為硫化鋅材料，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計校正系統(tǒng)色差，成像質(zhì)量得以改善。光學(xué)系統(tǒng)鏡片個數(shù)減少，使得個別透鏡曲率增大，各個面承擔(dān)的光線偏折角也有所增加，由此容易導(dǎo)致過大的高級像差。對系統(tǒng)中較敏感的面引入偶次非球面，以球面作為基底，二次項設(shè)置為變量進行優(yōu)化，校正高級像差。該系統(tǒng)變焦范圍較大，在焦距值每隔20 mm的位置便設(shè)置多重結(jié)構(gòu)，確保仿真結(jié)果不失真，便于擬合平滑的凸輪曲線。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，最終得到符合技術(shù)指標、像質(zhì)較好的光學(xué)系統(tǒng)，變焦系統(tǒng)最終設(shè)計結(jié)果的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，多重結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2.3 像質(zhì)分析

通過多種性能指標考量成像系統(tǒng)的像質(zhì)，兼顧每種類別的像差，將它們優(yōu)化到一定范圍內(nèi)，則認為符合成像要求。本文通過三種綜合評價函數(shù)來分析該系統(tǒng)的像質(zhì)是否理想。

（1）MTF曲線

調(diào)制傳遞函數(shù)是能夠?qū)ο褓|(zhì)進行綜合評估的性能判別依據(jù)，MTF曲線體現(xiàn)了不同空間頻率下光學(xué)系統(tǒng)具有怎樣的對比度傳遞能力。圖4為系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，在11 lp/mm截止頻率處觀察系統(tǒng)短、中、長焦三個位置，零視場、0.707視場和全視場的MTF曲線均高于0.5，其中中焦位置MTF曲線幾乎與衍射極限重合，表明系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果比較理想。

（2）點列圖

實際光學(xué)系統(tǒng)沒有辦法完全消除像差，物點經(jīng)過光學(xué)鏡頭后在像面呈現(xiàn)許多離散的彌散斑圖樣，通過觀察彌散斑的離散程度可以判別系統(tǒng)像質(zhì)的高低。圖5為不同焦距時變焦系統(tǒng)的點列圖，對于短、中、長焦處彌散斑最大均方根半徑分別為11.982 μm，11.002 μm和20.225 μm，多數(shù)能量聚集在艾里斑之內(nèi)，且能夠落在一個像敏單元內(nèi)，據(jù)此成像質(zhì)量達到系統(tǒng)要求。

（3）波像差

根據(jù)瑞利判據(jù)得知，如果波像差的最大值小于四分之一波長，則認為波面偏離程度在允許范圍內(nèi)。圖6為設(shè)計結(jié)果的波像差示意圖，短、中、長焦的最大波像差分別為0.0514λ，0.0326λ和0.1587λ，均小于0.25λ。但是由于瑞利判據(jù)僅關(guān)注波像差的極大值，而忽略了波面上的局部缺陷對整體造成的影響，在某些時候可能會過大估計系統(tǒng)的像差值。所以在對像質(zhì)評估過程中，往往要綜合多種評價函數(shù)一起對像質(zhì)進行正確判斷。

2.4 凸輪曲線

凸輪機構(gòu)帶動變倍組和補償組一起作特定規(guī)律的相對運動，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)變焦。在變焦范圍內(nèi)，本文應(yīng)用插值法對系統(tǒng)構(gòu)建多個焦距位置，應(yīng)用Matlab軟件繪制擬合曲線，以此作為凸輪加工依據(jù)，凸輪曲線如圖7所示。此時以20 mm短焦位置作為初始點，縱坐標為變倍組的線性移動距離，橫坐標為兩運動組元相對于初始點的位置。當系統(tǒng)由20 mm短焦向300 mm長焦位置變化的過程中，位于兩端的運動組元逐漸靠近，然后一起向右側(cè)移動，在靠近長焦位置處兩組元具有最小空氣間隔。

3、實驗結(jié)果

將紅外變焦物鏡與聯(lián)合變換相關(guān)器相結(jié)合構(gòu)建實驗臺，在野外進行紅外目標探測性能試驗。將紅外變焦物鏡采集到的實際圖像與參考圖像經(jīng)電腦合成為一張聯(lián)合圖像（如圖8所示），將其輸入聯(lián)合變換相關(guān)器，經(jīng)一次傅里葉變換得到如圖9所示的聯(lián)合變換功率譜，聯(lián)合變換功率譜經(jīng)過傅里葉逆變換，得到圖10中二、四象限的一對相關(guān)峰輸出，表明已探測到目標。根據(jù)相關(guān)峰相對于坐標的位置，計算目標位置、方位角及俯仰角等重要信息，火控跟蹤系統(tǒng)根據(jù)實時采集和計算的參數(shù)對目標進行精準打擊。

4、結(jié)論

非制冷式紅外變焦系統(tǒng)與聯(lián)合變換相關(guān)器相結(jié)合作為某武器裝備的瞄準系統(tǒng)應(yīng)用，對8～12Ixm波段的目標紅外輻射進行采集與處理，得到目標位置及俯仰角等重要信息。該系統(tǒng)能夠在20～300 mm的大焦距范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)變焦，F(xiàn)數(shù)為3。系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，且結(jié)構(gòu)緊湊，在15倍大變焦比的技術(shù)要求下，總長僅為330 mm，有效節(jié)約了武器裝備內(nèi)部可利用空間。通過對系統(tǒng)進行長焦距和大變倍比的設(shè)計來擴大瞄準系統(tǒng)的探測區(qū)域，通過焦距實時變化而減少探測盲點，最終達到靈活偵察目標的目的。