機載復雜紅外光學系統無熱化補償方法研究

劉 欣， 劉春華， 潘枝峰， 羅京平

(中國航空工業洛陽電光設備研究所，河南洛陽 471009)

0 引言

機載光學儀器隨飛機的飛行高度不同環境溫度不斷變化，引起光學材料的折射率、鏡片半徑、鏡片厚度、鏡片間距和空氣折射率等產生變化［1］，導致熱移焦，嚴重影響光學系統的像質。

由于紅外光學材料折射率受溫度影響很大［2］，溫度變化對紅外光學系統產生嚴重影響。因此應采用無熱化技術，使紅外系統在較大的溫度范圍內保持良好的成像質量［3］。

目前的無熱化技術主要有機械被動式、電子主動式、光學被動式和折衍混合式等幾種［4］。由于這些方法在設計中都以光學系統溫度均勻為前提［5］，對于工作在溫度均勻環境中的紅外系統，這些方法都能達到較好的效果［6］。但是當機載紅外系統比較復雜時，紅外系統工作在不均勻溫度場中，各鏡片有溫度差異，這些方法無法達到很好的效果［7］。

本文提出了一種光學加權補償方法，實現在溫度變化環境中紅外光學系統的無熱化被動補償。

1 光學加權無熱化補償方法

光學系統中每個光學元件和間隔對焦距的貢獻不同，所以溫度變化對成像質量的影響也不相同［8］，光學加權無熱化補償方法根據每個光學元件和間隔溫度變化對系統成像影響程度的不同賦予不同的權重，建立溫度補償模型。通過實時測試光學系統的各區域溫度，將每個光學元件和間隔附近溫度值輸入模型，利用機械式調焦機構進行被動實時調焦，使光學系統在環境溫度不斷變化時保持圖像清晰。

薄透鏡公式為［9］

溫度變化引起焦距變化率為

式中:f為薄透鏡焦距;n為材料折射率;r1、r2為薄透鏡兩個面半徑;dn/dt為材料折射率溫度變化率;dl/dt為材料線膨脹系數。在一定的溫度范圍內，dn/dt和dl/dt是常數，因此薄透鏡df/dt為常數，薄透鏡焦距隨溫度變化曲線為一次線性關系。

兩個薄透鏡組合的焦距f0為

式中:d為兩個薄透鏡的空氣間隔;f1、f2為兩個薄透鏡焦距。

兩個薄透鏡組合焦距的df0/dt與單個透鏡df/dt、間隔材料dl/dt等相關，因此，兩個薄透鏡組合焦距隨溫度變化曲線也為一次線性關系。

當光學系統環境溫度變化不均勻時，各透鏡溫度變化ΔT不相同，系統焦距變化量為

化簡上式

式中:K1、K2、P1為透鏡1、2和間隔對總焦距影響的加權因子;ΔT1、ΔT2、ΔT3為透鏡1、2 和間隔溫度變化值。

對一個復雜光學系統，假設有m個透鏡，n個間隔，為了簡化模型，提高模型的實用性，將實際焦距隨溫度變化函數中的高次函數去掉，建立系統焦距隨溫度變化的函數關系即溫度補償模型為

式中:Ki、Pi為透鏡和間隔對總焦距影響的加權因子;ΔTi為透鏡和間隔溫度變化值;A為高次修正因子;ΔT0為系統平均溫度。

將光學系統溫度范圍的某溫度點作為調焦函數的基準溫度，ΔTi是采集溫度與基準溫度的差值，高次修正因子用于當系統工作溫度遠偏離基準溫度時進行誤差修正。

2 仿真分析

為了驗證光學加權無熱化補償方法的實用性，針對研制的一套復雜紅外成像系統，利用光學設計軟件仿真分析，建立加權溫度補償模型。紅外成像系統的光學系統示意圖如圖 1 所示，系統由透鏡 1、2、3、4、5、6和4個反射鏡組成，透鏡5和6組成調焦鏡組。光學系統性能參數如下:工作波段為7.7 ～9.5 μm;F數為 3.0;焦距為 480 mm;視場為 1.83°×1.38°。

圖1 光學系統示意圖Fig.1 Illustration of the optic system

用CODE V光學設計軟件計算每個鏡片和間隔溫度單獨變化1℃時引起的焦面變化量，該參數反映了各部件的溫度敏感度，也代表加權因子。紅外成像光學系統各透鏡和間隔溫度敏感度分析如表1所示。

表1 光學系統溫度敏感度分析Table 1 Temperature sensitivity analysis of optic system單位:μm/℃

表1所示是光學系統溫度環境為0℃、各透鏡和間隔溫度單獨變化1℃時引起的焦面變化。全系統優化表示紅外系統全系統溫度均勻變化1℃引起的焦面移動量(單位是μm/℃)。

從表1中可以看出，單獨分析光學系統的各部件單獨變化1℃時引起的調焦量的總和與全系統溫度均勻變化1℃引起的調焦量之間的差別較小，因此，單個鏡片和間隔溫度變化對系統的影響可以看成一次線性變化，各部分對系統的影響可以線性疊加，高次影響＜1%。加權溫度補償模型為

當全系統溫度均勻變化時即系統各部件溫度變化相同，加權溫度補償模型簡化為

機載光學系統工作溫度一般在-50～+60℃，通過仿真計算，系統環境溫度改變±20℃內，表中的各系數變化＜0.5%，環境平均溫度偏離基準溫度大于20℃時，高次修正因子A=0.12。

因此從仿真計算中可以驗證光學加權無熱化補償方法的簡單實用。

3 實驗測試

為了測試加權溫度補償模型精度，搭建一套實驗測試環境，對以上紅外成像系統進行高低溫實驗，測試和驗證上述溫度補償模型實用性和仿真分析精度。

實驗測試設備布局圖如圖2所示。被測紅外成像系統放在高低溫箱中，高低溫箱窗口外放置紅外平行光管，平行光管口徑對準被測紅外成像系統的光學口徑。

圖2 測試設備布局圖Fig.2 Layout of testing equipment

實驗1 光學加權無熱化補償方法的實用性測試。

實驗步驟 高低溫箱溫度在+60～-50℃范圍內變化，變化過程中觀察監視器上紅外成像系統的圖像。由于箱內溫度變化造成紅外成像光學系統中溫度不均勻，溫度傳感器實時測量鏡片附近溫度，根據采樣溫度不同按照以上調焦控制模型進行調焦補償，重復測試5次。

實驗結果 紅外成像系統圖像始終保持清晰成像。

實驗2 溫度補償模型仿真計算精度測試。

實驗步驟 高低溫箱溫度在+60℃穩定后測試調焦位置，高低溫箱溫度從+60℃變化到-50℃ ，每10℃為一個采樣點。高低溫箱溫度達到采樣點溫度后穩定0.5 h，待被測紅外成像系統溫度均勻穩定，通過調焦使圖像清晰，測量對應點調焦位置的讀數，重復測試5次。

實驗結果 將每一個溫度采樣點的溫度數據和對應的調焦位置讀數進行線性曲線擬合，得出調焦位移與溫度變化擬合曲線關系為Δf0=36.85ΔTi(μm)。以上調焦位移與溫度變化擬合關系與式(7)溫度補償模型非常吻合。

實驗測試結果分析如下。

實驗1的結果驗證了工作在溫度變化不均勻環境中的紅外系統，光學加權無熱化補償方法簡單實用，能夠保持圖像始終清晰，滿足紅外成像系統的被動無熱化功能和性能要求。

實驗2中，實際溫度補償模型與CODE V光學仿真計算模型相比，經過數據分析［10］，誤差 ＜1.5%，主要誤差有兩方面:1)材料折射率溫度變化率dn/dt和材料線膨脹系數dl/dt仿真時選用CODE V軟件中的參數，實際系統中材料為國產材料，材料參數可能略有差別;2)簡化了高次分量。

以上實驗結果表明光學加權無熱化補償方法仿真精度高，與仿真結果完全相符。

4 總結

機載軍用光學儀器的環境溫度不斷變化，對于復雜紅外光學系統工作在不均勻溫度場中，各鏡片有溫度差異，常規的無熱化技術無法滿足成像要求。根據每個光學元件和間隔溫度變化對系統成像影響程度的不同賦予不同的權重，利用光學設計軟件仿真分析，建立加權溫度補償模型。通過實時測試光學系統的各區域溫度變化，使用機械式調焦機構進行被動實時調焦，使光學系統在環境溫度不斷變化時保持圖像清晰。通過仿真分析和實驗測試驗證，加權溫度補償模型實用性強、精度高。在機載環境溫度范圍內，各項誤差能夠控制在1.5%，滿足機載環境復雜紅外光學系統的被動無熱化的要求。有效解決了機載環境光學儀器被動無熱化的關鍵技術，已在多個型號中應用。

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