張洪偉，丁亞林，馬迎軍，陳衛(wèi)寧

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119)

1 引 言

紅外光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下具有目標(biāo)探測(cè)精度高、虛警率低、可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)探測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在遙感、導(dǎo)航以及導(dǎo)引等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于飛行器尾焰，飛行器、坦克等發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫氣體在3～5 μm波段有較強(qiáng)的輻射；而飛行器、坦克等設(shè)備本體在8～12 μm波段有較強(qiáng)的輻射，因此利用中波/長(zhǎng)波紅外雙波段復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)可有效提高復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)探測(cè)精度。然而，隨著飛行器、機(jī)動(dòng)器等目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性能、隱蔽性能的不斷提高，常規(guī)的定焦紅外系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的有效探測(cè)及跟瞄，需要一種雙視場(chǎng)變焦成像系統(tǒng)，大/小視場(chǎng)協(xié)同作業(yè)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索及小視場(chǎng)跟蹤監(jiān)視[1-4]。同時(shí)，為保證大/小視場(chǎng)切換過(guò)程中目標(biāo)不丟失，光學(xué)系統(tǒng)需要快速切換，且切換后系統(tǒng)需要保持較高的光軸穩(wěn)定精度。因此，紅外雙波段雙視場(chǎng)探測(cè)技術(shù)是一個(gè)亟待研究的課題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)報(bào)道了許多關(guān)于紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的研究方法與成果，但是為了滿足總體包絡(luò)尺寸以及重量要求，多采用單色定焦透射或反射光學(xué)結(jié)構(gòu)形式，難以滿足復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)探測(cè)的需求。盡管有些雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪進(jìn)行變焦，其軸向尺寸大，變倍速度慢，也無(wú)法滿足實(shí)際使用要求。本文設(shè)計(jì)了中波/長(zhǎng)波雙波段紅外成像系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)體積重量以及實(shí)際探測(cè)需求，中波紅外分系統(tǒng)采取定焦結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)采取光學(xué)元件切入/切出形式的雙視場(chǎng)變焦結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)電磁鐵為驅(qū)動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)了大于80 ms快速變焦，且大/小視場(chǎng)切換后光軸晃動(dòng)小于兩個(gè)像素。由于光學(xué)成像系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，需要承受-40～60 ℃大動(dòng)態(tài)范圍的溫度變化，在無(wú)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)中需要進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)以保證成像質(zhì)量。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、視場(chǎng)大、長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)大/小視場(chǎng)切換速度快、光軸穩(wěn)定性高及成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)總體指標(biāo)對(duì)整機(jī)的體積包絡(luò)、質(zhì)量的要求，本文設(shè)計(jì)的中波/長(zhǎng)波雙波段紅外成像告警系統(tǒng)中的中波與長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)采取共用窗口與分光鏡的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)入窗口的光能量在分光鏡處進(jìn)行分光，分別進(jìn)入中波與長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)，完成對(duì)目標(biāo)的雙波段復(fù)合探測(cè)[5-9]。

2.1 紅外成像系統(tǒng)組成

中波/長(zhǎng)波雙波段紅外成像告警系統(tǒng)主要由窗口共形組件、分光鏡組件、中波紅外鏡組組件、中波制冷型紅外探測(cè)器及成像電路組件、長(zhǎng)波紅外鏡組組件、變倍組件、長(zhǎng)波制冷型紅外探測(cè)器及成像電路組件、底板等組成，紅外成像系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，變倍組件需要能夠滿足80 ms快速切換穩(wěn)定、大/小視場(chǎng)切換后光軸晃動(dòng)小于兩個(gè)像素的指標(biāo)要求。

圖1 紅外成像系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared imaging system

2.2 變倍結(jié)構(gòu)形式選擇

雙視場(chǎng)紅外成像光學(xué)系統(tǒng)中大/小視場(chǎng)的切換形式有多種，目前常用的有以下兩種切換形式：一種是通過(guò)軸向移動(dòng)變倍及補(bǔ)償鏡組來(lái)改變系統(tǒng)焦距以實(shí)現(xiàn)大/小視場(chǎng)的切換，采用這種變倍形式切換速度較慢、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且參與成像的鏡片數(shù)量多，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率以及成像質(zhì)量有一定的影響，如圖2(a)所示；另一種是通過(guò)徑向切入/切出變倍鏡組來(lái)改變系統(tǒng)焦距以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換，采用這種徑向變倍形式不需要軸向預(yù)留鏡組移動(dòng)空間從而有利于系統(tǒng)小型化，僅需保證變倍鏡組切入光路的復(fù)位精度便能確保光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)短焦光軸的一致性，并且采用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)組件便能實(shí)現(xiàn)大/小視場(chǎng)的快速切換，如圖2(b)所示。因此，本文采用徑向切換方式進(jìn)行長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 雙視場(chǎng)變倍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of zoom system with dual-FOVs

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)及構(gòu)型設(shè)計(jì)

成像光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)包括焦距、相對(duì)口徑和視場(chǎng)角等[10-11]。受衍射極限的限制，成像光學(xué)系統(tǒng)的最小分辨率往往取決于系統(tǒng)的相對(duì)口徑。本文中波與長(zhǎng)波光學(xué)系統(tǒng)均采用制冷型640×512面陣探測(cè)器，像元尺寸為15 μm。綜合考慮紅外成像告警系統(tǒng)的包絡(luò)尺寸、質(zhì)量和探測(cè)性能等因素，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 紅外成像光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

fn=fw×k.

(1)

長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)在大視場(chǎng)工況下變倍鏡組的物像距公式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：dw_12為大視場(chǎng)工況下前固定鏡組與變倍鏡組的間隔，dw_23為大視場(chǎng)工況下變倍鏡組與后固定鏡組的間隔。

最后，再依據(jù)長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的實(shí)際焦距進(jìn)行比例縮放，縮放比為Pr。

(6)

(7)

dFw_12=dw_12×Pr,

(8)

dFw_23=dw_23×Pr,

(9)

由于中波/長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)采取共用窗口與分光鏡的結(jié)構(gòu)形式，為保證系統(tǒng)不會(huì)引入較大像差對(duì)成像質(zhì)量造成較大影響，窗口兩個(gè)面的曲率半徑分別為120.2， 116.6 mm，其光焦度為1/13 000趨近于0，因此分光鏡位于入射光路的平行光路中，不會(huì)引起較大像差。為了達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)以及消色差的目的，中波紅外波段采用HW14，ZnS兩種材料，長(zhǎng)波紅外波段采用ZnSe,HW14兩種材料，窗口采用ZnS材料，分光鏡采用Ge材料。通過(guò)加入非球面(圖3)、規(guī)劃光焦度等光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及材料的選擇等方法達(dá)到校正系統(tǒng)像差、提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的目的；通過(guò)光學(xué)材料與鏡筒等結(jié)構(gòu)材料的匹配達(dá)到無(wú)熱化設(shè)計(jì)的目的[12-15]。

為實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)的光焦度、消色差以及消熱差必須滿足：

(10)

(11)

(12)

(13)

其中：φ為光學(xué)系統(tǒng)的光焦度，hi為第一近軸光線在透鏡上的入射高度，φi為透鏡光焦度，Δfc為光學(xué)系統(tǒng)由色散引起的光焦度變化值，ωi為透鏡色散因子，ΔfT為光學(xué)系統(tǒng)由光學(xué)元件引起的焦距變化值，χi為歸一化熱差系統(tǒng)，agi為透鏡的線膨脹系數(shù)，am為結(jié)構(gòu)件的線膨脹系數(shù)，L為系統(tǒng)總長(zhǎng)。

通過(guò)式(10)～式(13)，可計(jì)算得到滿足光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化要求的光學(xué)系統(tǒng)的近軸關(guān)系，然后再經(jīng)過(guò)合理匹配透鏡材料與結(jié)構(gòu)件材料就能夠得到光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化要求的光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。

為減小鏡片口徑，中波/長(zhǎng)波紅外光學(xué)分系統(tǒng)均采用二次成像的形式，并且在長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的一次成像附近設(shè)置切入/切出變倍鏡組，以實(shí)現(xiàn)大/小視場(chǎng)的切換，這樣設(shè)計(jì)可減小變倍鏡組口徑以達(dá)到減小驅(qū)動(dòng)扭矩的目的。采用CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 成像告警光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Optical system of image early warning system

3.2 變倍驅(qū)動(dòng)及限位組件

長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的變倍鏡組圍繞驅(qū)動(dòng)組件的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)切入/切出光路來(lái)實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)大/小視場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)組件主要由驅(qū)動(dòng)元件、驅(qū)動(dòng)軸系等組成。其中，驅(qū)動(dòng)軸系主要包括一對(duì)角接觸球軸承、軸承端蓋、軸承座和變倍鏡組擺臂的旋轉(zhuǎn)軸等。由于伺服電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)較大，啟動(dòng)較慢，因此選用旋轉(zhuǎn)電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)組件的驅(qū)動(dòng)元件，以實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)的快速切換。

限位組件采取電限位、機(jī)械限位及磁力鎖緊機(jī)構(gòu)的組合形式。在變倍鏡組切入、切出兩個(gè)位置均設(shè)有一套電限位、機(jī)械限位以及磁力鎖緊機(jī)構(gòu)。其中，電限位采用光電開關(guān)；機(jī)械限位采用聚氨酯減震材料；磁力鎖緊機(jī)構(gòu)采用失電源型電磁鐵與鐵鎳合金座組合形式，失電源型電磁鐵即通電失去磁力，斷電恢復(fù)磁力，因此采用失電源型電磁鐵僅在視場(chǎng)切換過(guò)程中通電，視場(chǎng)切換結(jié)束后便可斷電鎖緊，減少系統(tǒng)功耗，如圖4所示。

長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)初始處于大視場(chǎng)搜索模式，待系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，磁力鎖緊機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電磁鐵同時(shí)通電工作，變倍鏡組瞬間切出系統(tǒng)光路，此時(shí)旋轉(zhuǎn)電磁鐵低電壓保持力矩，磁力鎖緊機(jī)構(gòu)斷電鎖緊定位，系統(tǒng)變?yōu)殚L(zhǎng)焦小視場(chǎng)工作模式，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)跟蹤。大/小視場(chǎng)切換速度達(dá)到80 ms以內(nèi)，以確保目標(biāo)在視場(chǎng)切換過(guò)程中不會(huì)丟失。

圖4 變倍驅(qū)動(dòng)及限位組件Fig.4 Zoom drive and limit components

3.3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

系統(tǒng)采用的中波/長(zhǎng)波紅外探測(cè)器均為15 μm，其特征頻率為33 lp /mm。中波紅外光學(xué)分系統(tǒng)與長(zhǎng)波紅外光學(xué)分系統(tǒng)大小視場(chǎng)在-40，0，20，60 ℃條件下的調(diào)制傳遞函數(shù)如圖5～圖7所示。從圖中可以看出，各光學(xué)系統(tǒng)在不同溫度下的調(diào)制傳遞函數(shù)均接近衍射極限，由此實(shí)現(xiàn)了紅外光學(xué)系統(tǒng)在-40 ℃～60 ℃內(nèi)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

圖5 中波紅外光學(xué)分系統(tǒng)在不同溫度下的調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.5 MTF curves of MWIR optical subsystem at different temperatures

圖6 長(zhǎng)波紅外光學(xué)分系統(tǒng)大視場(chǎng)不同溫度下的調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.6 MTF curves of LWIR-WFOV optical subsystem at different temperatures

圖7 長(zhǎng)波紅外光學(xué)分系統(tǒng)小視場(chǎng)不同溫度下的調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.7 MTF curves of LWIR-NFOV optical subsystem at different temperatures

中波紅外光學(xué)分系統(tǒng)與長(zhǎng)波紅外光學(xué)分系統(tǒng)的畸變曲線分別如圖8、圖9所示，從圖中可以看出畸變均小于3%，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖8 中波紅外光學(xué)分系統(tǒng)的畸變曲線Fig.8 Astigmatism and distortion curves of MWIR optical subsystem

圖9 長(zhǎng)波紅外光學(xué)分系統(tǒng)的畸變曲線Fig.9 Astigmatism and distortion curves of LWIR optical subsystem

3.4 光學(xué)系統(tǒng)公差分析

在光學(xué)元件的加工和裝配過(guò)程中，光學(xué)系統(tǒng)公差會(huì)影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量，主要體現(xiàn)在傳遞函數(shù)上。其中，偏心、傾斜和中心厚誤差等系統(tǒng)公差對(duì)不同視場(chǎng)角光線的傳遞函數(shù)的影響較大。為保證成像質(zhì)量，須對(duì)光學(xué)系統(tǒng)公差加以分析，并依此作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

經(jīng)分析，光學(xué)鏡片在偏心0.01 mm、傾斜1′、中心厚誤差為±0.02 mm、面型3圈以上時(shí)，中波紅外分系統(tǒng)在33 lp/mm處全溫度范圍內(nèi)，中心視場(chǎng)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.4的概率為90%，0.7視場(chǎng)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.4的概率為90%；長(zhǎng)波大/小視場(chǎng)在33 lp/mm處全溫度范圍內(nèi)中心視場(chǎng)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.20的概率為90%，0.7視場(chǎng)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.20的概率為85%。以目前的加工及裝配能力均可滿足要求。

3.5 系統(tǒng)光軸精度分析

3.5.1 光軸誤差系統(tǒng)

中波紅外成像系統(tǒng)為定焦成像系統(tǒng)，鏡組為固定鏡組；長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的變倍鏡組切出后為長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的小視場(chǎng)，鏡組為固定鏡組。鏡組均采用定心裝配工藝進(jìn)行裝配，故中波及長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的小視場(chǎng)光軸重復(fù)精度均小于1個(gè)像素。

圖10 變倍鏡組裝配測(cè)試系統(tǒng)Fig.10 Assembly and test system of zoom lens group

長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的變倍鏡組切入后為長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的大視場(chǎng)，由于變倍鏡組切入光路時(shí)會(huì)引入傾斜、偏心誤差，對(duì)像質(zhì)產(chǎn)生影響，因此要嚴(yán)格控制變倍鏡組切入光路時(shí)產(chǎn)生的傾斜和偏心誤差。采用光學(xué)穿軸工藝對(duì)變倍鏡組進(jìn)行裝配，設(shè)備包括經(jīng)緯儀、精密平移臺(tái)、光柵尺和兩片十字分化板，如圖10所示。首先，將后固定鏡組的十字分化板1作為基準(zhǔn)，將經(jīng)緯儀與后固定鏡組的十字分化板1進(jìn)行光學(xué)穿軸，即將基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到經(jīng)緯儀；然后將變倍鏡組切入光路，將經(jīng)緯儀與變倍鏡組的十字分化板2進(jìn)行光學(xué)穿軸，從而實(shí)現(xiàn)變倍鏡組與后固定鏡組的光學(xué)穿軸。通過(guò)修切旋轉(zhuǎn)電磁鐵支座下的墊片可實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀反射像的穿心調(diào)整；移動(dòng)精密平移臺(tái)并以光柵尺作為位移反饋，通過(guò)修切機(jī)械限位處的墊片(圖中未顯示)對(duì)經(jīng)緯儀的中心像進(jìn)行穿心調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變倍鏡組的光學(xué)穿軸裝配[16-17]。進(jìn)而能夠最大程度保證變倍鏡組切入光路后的光軸穩(wěn)定性。

3.5.1.1 傾斜誤差

場(chǎng)地是群眾開展乒乓球運(yùn)動(dòng)的重要硬件。乒乓球場(chǎng)館在不影響工作的前提下，需要按時(shí)對(duì)外開放，為群眾健身互動(dòng)做出服務(wù)。相關(guān)地方政府也要注重對(duì)乒乓球場(chǎng)館的維護(hù)，根據(jù)地方情況與發(fā)展形勢(shì)，構(gòu)建出滿足當(dāng)?shù)厝罕娦枨蟮钠古仪蚧顒?dòng)中心，因地制宜地使用校園、公園、廣場(chǎng)等能夠遮風(fēng)避雨的地方，在群眾人數(shù)較多的區(qū)域構(gòu)建能夠滿足群眾健身活動(dòng)的乒乓球場(chǎng)地。

傾斜誤差主要以經(jīng)緯儀反射像作為依據(jù)，其主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)件的加工誤差、軸系誤差、結(jié)構(gòu)件與軸系裝配時(shí)的不垂直度誤差、振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)件形變誤差、測(cè)量誤差等。其中，由于結(jié)構(gòu)件剛度很大，變形量很小，形變誤差可忽略不計(jì)。

采用上述工藝可將結(jié)構(gòu)件的加工誤差、結(jié)構(gòu)件與軸系裝配時(shí)的不垂直度誤差等系統(tǒng)誤差減小甚至消除，殘差取決于檢測(cè)裝置的精度誤差，現(xiàn)使用經(jīng)緯儀進(jìn)行檢測(cè)，其分辨率為σ1=4″，按均勻分布考慮，則經(jīng)緯儀檢測(cè)引入的誤差為：

(14)

軸系誤差取決于選取的軸承精度(圓度、直徑差和材料硬度不均勻度等)及軸承安裝方式，選擇一對(duì)P4精度的角接觸軸承背對(duì)背安裝，其最大誤差σ2=10″，按正態(tài)分布，則軸系誤差為：

(15)

測(cè)量時(shí)采用格值為σ3=4″的經(jīng)緯儀，讀數(shù)可估讀1/10格值，按均勻分布考慮，則測(cè)量誤差為：

(16)

根據(jù)誤差合成理論得到：

(17)

3.5.1.2 偏心誤差

偏心誤差主要以經(jīng)緯儀中心像作為依據(jù)，其主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)件的加工誤差、軸系誤差和振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)件形變誤差等。同樣由于結(jié)構(gòu)件剛度很大，變形量很小，形變誤差可忽略不計(jì)。

同樣采取光學(xué)穿軸工藝，由于經(jīng)緯儀無(wú)法測(cè)平移量，借助光柵尺可測(cè)出中心像與基準(zhǔn)偏移量。因此，儀器誤差便轉(zhuǎn)為光柵尺的精度誤差，其分辨率為σ4=0.01 mm，按均勻分布考慮，則光柵尺的誤差為：

(18)

由于光柵尺為數(shù)字式測(cè)量?jī)x器，不存在測(cè)量讀數(shù)誤差。

軸系誤差引起的偏心誤差為隨機(jī)誤差，其最大誤差σ5=0.02 mm，按正態(tài)分布，則軸系誤差為：

(19)

根據(jù)誤差合成理論得：

(20)

3.5.2 光軸晃動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響

變倍鏡組的傾斜、偏心誤差均會(huì)影響光軸在探測(cè)器中心的位置。當(dāng)變倍鏡組的傾斜誤差為12.1″時(shí)，長(zhǎng)波寬視場(chǎng)光軸偏離探測(cè)器中心0.006 mm，小于1個(gè)像素；當(dāng)變倍鏡組的偏心誤差為0.027 mm時(shí)，長(zhǎng)波寬視場(chǎng)光軸偏離探測(cè)器中心0.016 mm，小于2個(gè)像素；當(dāng)變倍鏡組同時(shí)存在0.027 mm偏心誤差與12.1″傾斜誤差時(shí)，此時(shí)長(zhǎng)波寬視場(chǎng)光軸偏離探測(cè)器中心最大值為0.025 mm，小于2個(gè)像素。

將上述分析結(jié)果帶入CODE V軟件對(duì)長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)大視場(chǎng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)如圖11所示。由圖可知，變倍鏡組切入光路時(shí)光軸晃動(dòng)對(duì)長(zhǎng)波紅外大視場(chǎng)的成像質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響。

圖11 光軸晃動(dòng)下長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig.11 MTF curves of LWIR optical subsystem at optical axis shaking

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

圖12 紅外成像性能檢測(cè)系統(tǒng)Fig.12 Performance detection system of infrared imaging system

為了充分考核紅外成像告警系統(tǒng)的光軸重復(fù)精度、長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的大/小視場(chǎng)切換后光軸穩(wěn)定精度以及視場(chǎng)切換快速響應(yīng)性能，搭建了如圖12所示的性能檢測(cè)系統(tǒng)。整套系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、高低溫箱、圖像采集系統(tǒng)、1 m平行光管、自制十字靶標(biāo)和黑體等組成。成像系統(tǒng)位于高低溫箱內(nèi)，圖像采集系統(tǒng)、平行光管、十字靶標(biāo)和黑體等位于高低溫箱外。為消除紅外窗口引起的冷反射現(xiàn)象，紅外窗口采取一種傾角安裝形式。以黑體作為熱源，黑體發(fā)射出均勻的熱輻射，依次通過(guò)十字靶標(biāo)、平行光管、高低溫箱的紅外窗口進(jìn)入成像系統(tǒng)，從而得到無(wú)窮遠(yuǎn)十字靶標(biāo)在長(zhǎng)波/中波紅外探測(cè)器上的像，再經(jīng)過(guò)圖像采集系統(tǒng)顯示在顯示器上。根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)定高低溫箱的溫度對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行高低溫成像性能檢測(cè)。依次設(shè)定高低溫箱的溫度為-40，20，60 ℃，檢測(cè)紅外成像系統(tǒng)的光軸重復(fù)精度以及長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)大/小視場(chǎng)切換后光軸穩(wěn)定精度，圖13為低溫時(shí)紅外成像系統(tǒng)對(duì)十字靶標(biāo)的一組成像效果圖。從圖中可看出，中波紅外分系統(tǒng)與長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)大小視場(chǎng)所成十字靶標(biāo)清晰，靶標(biāo)邊緣銳利，成像質(zhì)量好；中波紅外分系統(tǒng)、長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)大/小視場(chǎng)的光軸重復(fù)精度小于1個(gè)像素，且長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)大/小視場(chǎng)切換后的光軸晃動(dòng)量小于2個(gè)像素，滿足總體指標(biāo)要求。

采用對(duì)十字靶標(biāo)進(jìn)行視頻圖像采集的方法對(duì)長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的大/小視場(chǎng)切換速度進(jìn)行考核，長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的幀頻為50Hz，單幅圖像間隔為20 ms。依次設(shè)定高低溫箱的溫度為-40，20，60 ℃，使用成像系統(tǒng)對(duì)十字靶標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)波紅外視頻成像，對(duì)變倍鏡組切換前后的圖像進(jìn)行逐幀分析，如表2所示。變倍鏡組切換前后穩(wěn)定圖像均相差3幀，故其變倍穩(wěn)定時(shí)間約為60 ms，滿足雙視場(chǎng)切換速度不大于80 ms的總體技術(shù)指標(biāo)。

圖13 十字靶標(biāo)的紅外成像效果Fig.13 Images of cross target captured by infrared imaging system

表2 長(zhǎng)波紅外視頻成像測(cè)量結(jié)果

*Pi為變倍鏡組切換前穩(wěn)定圖像幀頻值；Pj為變倍鏡組切換后穩(wěn)定圖像幀頻值；Δ=Pj-Pi+1，即前后幀頻差值。

5 結(jié) 論

本文基于復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)距離點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種共用窗口與分光鏡的緊湊型無(wú)熱化雙波段雙視場(chǎng)紅外成像告警系統(tǒng)。在系統(tǒng)體積與質(zhì)量受限的前提下，采用光學(xué)被動(dòng)消熱差方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在-40～60 ℃大動(dòng)態(tài)溫度范圍內(nèi)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)。采用旋轉(zhuǎn)電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)元件，同時(shí)采用電限位、機(jī)械限位以及磁力鎖組合定位機(jī)構(gòu)作為限位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)快速切換變倍功能以及變倍切換過(guò)程中光軸晃動(dòng)小于兩個(gè)像素的穩(wěn)定精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：紅外成像告警系統(tǒng)成像清晰，長(zhǎng)波紅外分系統(tǒng)的大/小視場(chǎng)變倍切換速度優(yōu)于80 ms，滿足總體指標(biāo)要求。