雙視場手持熱像儀紅外望遠鏡系統技術研究及工程應用

張 林，莫啟元，王清泉，焦明印，高 婧，肖家宏

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雙視場手持熱像儀紅外望遠鏡系統技術研究及工程應用

張 林1，莫啟元2，王清泉1，焦明印1，高 婧1，肖家宏1

（1. 西安應用光學研究所，陜西 西安 710065；2. 陸軍重慶軍事代表局駐昆明地區軍事代表室，云南 昆明 650223）

針對手持熱像儀較普通熱像儀的特殊要求，設計了一種適用于手持熱像儀長波雙視場望遠鏡系統，該系統變倍比為2.5倍，采用ZOOMING型軸向移動變倍方式，采用一片透鏡即可實現變倍、調焦及溫度補償功能。優化了系統光機電設計，符合手持熱像儀高性能、高集成、小型化、輕量化的要求，并通過了工程實際應用及外場驗證試驗。

手持熱像儀；紅外望遠鏡系統；雙視場；調焦

0 引言

與普通紅外熱像儀相比較而言，手持熱像儀在體積、重量、功耗等方面具有嚴格要求。在滿足技術性能指標的前提下，手持熱像儀研制的關鍵是滿足輕便、便攜、符合人機工程學等特殊的要求。而紅外望遠鏡作為熱像儀重要的組成部分之一，其光機電設計對產品尺寸、重量及性能起著決定性作用。

針對手持熱像儀的特點，充分考慮各種制約因素，研制了一種用于手持熱像儀的雙視場望遠鏡系統，光學設計采用反射鏡對光路進行折轉方案；結構設計采用ZOOMING型軸向移動變倍調焦方式以替代傳統的變倍鏡組沿光軸移入移出光路的變倍方式和利用曲線套筒的調焦方式；系統控制電路設計為與探測器信號處理電路共用控制器，且選用新型、高集成、具有單芯片解決方案的表貼步進電機驅動電路。從光機電綜合設計角度出發，以達到手持熱像儀高性能、高集成、小型化、輕量化的要求[1]。

1 紅外系統光學設計

紅外光學系統由于其材料、加工工藝等的特殊性，如透射材料少、不能采用膠合零件、材料的折射率-溫度和吸收系數高等，使得變倍紅外光學系統的光機設計也具有一定的不同于可見光學系統的特殊性，需要在像質、透過率、材料成本及加工工藝等方面綜合考慮，才能保證研制出滿足指標要求的、有實際工程應用意義的產品[2]。

手持熱像儀光學系統為增加接收能量，提高靈敏度，光學系統結構形式選取全透射式?？紤]手持儀器的特殊性，為減小外形尺寸，解決體積、重量等各種制約因素問題，相對口徑取1/2.5，同時采用同一片透鏡完成變倍、調焦及溫度補償功能的變倍設計，減少器件的使用，實現手持熱像儀的小型化、輕量化設計。

手持熱像儀光學系統包含物鏡組、目鏡組、掃描反射鏡和二次成像組，物鏡組由前固定組、變倍組、后固定組構成，物鏡組和目鏡組構成變倍望遠系統，變倍組軸向移動實現大、小視場切換。成像光束經過變倍望遠系統通過反射鏡掃描實現全視場成像。在光學設計中，以光學系統視場角（大視場8°×6°，小視場3.2°×2.4°）、相對孔徑（1/2.5）和反射鏡尺寸（12mm）等光學參數，確定合理的望遠系統放大倍率和各鏡組光焦度。經計算，望遠系統大視場放大倍率2倍，小視場放大倍率6.5倍，大視場物鏡組光焦度0.03，小視場物鏡組光焦度0.005，目鏡組光焦度0.07，二次成像組光焦度0.02。為避免能量損失，孔徑光闌位于探測器冷屏處，保證冷屏效率100%。

光學透鏡材料選擇適用于8mm～12mm的Ge、ZnSe兩種材料，其中，Ge具有較高的折射率，作為正透鏡，承擔了主要的光焦度；ZnSe具有較高的色散系數，用于系統消色差。為進一步減輕系統重量，采用了衍射面設計，有效地消除了系統熱差和色差，減少了系統鏡片數量，提高了系統透過率，并且實現了變倍組透鏡完成溫度補償、變倍和調焦的功能。同時系統采用了高次非球面來提高成像質量，滿足系統性能指標要求。光學系統尺寸為90mm×161mm×82mm。圖1為紅外小、大視場光學系統圖，傳遞函數如圖2所示，極限頻率點20lp/mm，小視場、大視場軸上點傳遞函數均大于0.3。

設備安全性是人機工程設計中的重要組成部分，在設計手持紅外熱像儀物鏡系統時，對以往物鏡鏡頭凸出在殼體外的設計方案進行了改進，將物鏡系統設計為全部縮置在熱像儀整機殼體內部，并且在鏡頭周圍設計有凸臺保護，以便手持熱像儀使用更加安全可靠。樣機如圖3所示。

2 雙視場手持熱像儀紅外望遠鏡系統結構設計

該手持紅外望遠鏡系統設計為大小兩個不同視場，以滿足大視場搜索目標，小視場識別、跟蹤目標的使用要求[3]。傳統的紅外光學系統變倍方式多采用變倍鏡組沿光軸切向移入移出光路的方式實現，該方式機構相對復雜，所占空間較大[4]。調焦方式則是利用電機經齒輪傳動帶動曲線套筒正反轉動，從而帶動內筒中鏡組沿光軸做往復直線平移運動，完成調焦動作。該方式的缺點是曲線套筒的曲線加工難度較高。紅外光學系統若采用上述變倍調焦機構方式，除了在結構上是兩套相對獨立的機構而且分別各需要一套相應的控制電路。

圖1 紅外光學系統圖

圖2 光學系統傳遞函數曲線

圖3 熱像儀整機殼體樣機圖

顯然，傳統的紅外望遠鏡系統的變倍調焦機構形式不適用于要求高集成、小型化的手持熱像儀產品。故該手持熱像儀光學系統的變倍調焦機構設計為結構緊湊的ZOOMING型變倍調焦方式，ZOOMING型變倍調焦方式即為軸向變倍調焦方式，該方式是通過驅動機構帶動變倍透鏡沿著光軸的方向平移，從而改變光學系統的焦距，實現視場變倍。該機構結構圖如圖4所示。由帶有滑塊的高精密直線導軌、高精度滾珠絲杠加消隙內螺紋驅動螺母、精密軸承、直線步進電機、到位表貼光電開關、鈦合金材質基座等構成。將變倍透鏡固連在滑塊和驅動螺母上，當進行視場變倍時，直線步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，滾珠絲杠上的消隙驅動螺母驅動變倍透鏡，在高精密直線導軌的引導下，沿著光軸軸向移動，以焊接在柔性電纜上的表貼光電開關為視場切換到位檢測元件，實現視場快速切換。設計時兼顧考慮滿足調焦精度所需，所選絲杠每步直線位移要在調焦精度指標范圍之內，得以實現精確的微距調焦及溫度補償。ZOOMING型變倍調焦機構的優點是僅需一套電機傳動機構及驅動控制電路，通過移動一片透鏡即可實現系統變倍調焦及溫度補償，而且橫向尺寸小、光軸方向上尺寸緊湊、結構簡單。

圖4 視場切換、調焦機構示意圖

在該機構的實際工程應用過程中，發現存在大小視場光軸不一致問題。究其原因是在執行視場變倍動作的過程中，因透鏡的移動會產生傾斜誤差和移位誤差，最終導致光軸不一致，熱像儀的性能指標不能滿足。為消除光軸一致性誤差，分析找到產生誤差的主要因素，采用極限偏差分析法通過分析和計算驗證設計所產生的偏差量。同時對該機構采取高低溫去應力時效方法，避免了在環境溫度變化的情況下，光機結構應力形變因素造成光軸走動誤差。最主要的環節是變倍鏡組光軸與光學系統光軸的同軸度的裝配調整過程。首先，變倍透鏡需利用工裝鏡及定中心儀來定中心，確保光學零件的同心度。其次，調整高精密直線導軌的位置及變倍透鏡相對于導軌滑塊的相對位置。根據裝調的實踐經驗，該調整過程在配合電機轉動的情況下更容易完成。從而保證透鏡在大、小視場兩個位置光軸一致性良好[5]。從小視場切換到大視場，視場光軸水平方向差0條電視線，垂直方向向下差1條電視線，滿足熱像儀指標要求。

3 系統控制電路

本手持熱像儀望遠鏡系統變倍調焦機構控制系統的設計指標為：2s內完成軸向位移17mm視場切換，負載100g，且具有在－40℃～＋50℃的環境溫度范圍內溫度自動補償功能，調焦精度0.03mm。

3.1 系統的硬件設計

系統控制原理如圖5所示[6-7]。

圖5 控制系統原理圖

控制系統主要由以下幾部分組成：上位機、控制器、溫度傳感器、功率放大電路、直線步進電機、到位光電開關。其中到位光電開關采用微型表貼光電開關，焊接在柔性電纜上，避免印制板的制做，節省了空間，在每一處細節力求手持熱像儀的小型化。兩個開關的位置分別決定大、小視場的到位位置，兩者的間距根據光學計算值在設計柔性電路板時布局確定，且在整機調試時可通過柔性電路板的腰子安裝過孔進行位置微調，以保證光學間隔。

電路設計思路是變倍采用閉環控制，通過檢測大、小視場的兩個光電開關來判斷變倍到位與否；調焦采用開環控制；控制器接收上位機的調焦動作指令和調焦參數，據此控制電機的步進方向及步進步數，實現透鏡在大、小視場位置前后的微距調焦。

3.1.1 控制器與測溫單元

為符合手持熱像儀的電路高度集成化，優化整機的硬件電路設計，對電路資源整合、資源共享。熱像儀望遠鏡系統的控制器與探測器信號處理控制器共享?？刂破靼∕CU和FPGA，其功能接收來自上位機的望遠鏡系統變倍、調焦及調焦參數指令，并實時采集工作環境溫度將數據處理后進行溫度補償。

因望遠鏡的紅外透射鏡材料的折射率隨溫度變化顯著，所以溫度變化會導致透射式紅外光學系統的像面漂移，使系統性能急劇下降。因此，紅外望遠鏡系統應具有溫度自動補償功能，該望遠鏡光學系統采用機電主動補償方式。溫度傳感器采用DALLAS半導體公司生產的單線智能數字溫度傳感器DS18B20，測溫精度高，與控制器僅需一個連接端口即可實現雙向通信，通過編程可實現9～12位的溫度數字值讀數方式。根據光學設計計算出的一組溫度-調焦位置的數據進行曲線擬合，得到溫度與調焦位置的函數關系式，控制器通過溫度傳感器測得當前溫度值，代入該函數關系式計算得到補償調焦位移量，進而控制功放驅動電機執行相應位移，完成紅外望遠鏡的溫度自動補償。

在實際使用DS18B20進行測溫時需注意的是，原利用DS18B20進行測溫時，將其直接與控制器中的MCU通用IO引腳相連，然后通過軟件向DS18B20發送各種控制命令來完成對溫度數據的采集，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因為DS18B20的單總線對時序要求比較嚴格，因此，為了保證與DS18B20通信的可靠性，MCU與DS18B20通信時需要采用關閉中斷的方法，以防止操作時序被中斷破壞。由此帶來的弊端是占用MCU的資源和增加了運行時間。不能及時響應緊急任務，可能造成對調焦變倍指令不能及時響應。針對該弊端，改用FPGA與DS18B20通信，利用FPGA硬件自動的﹑周期性的產生所需要的讀寫時序，并把采集數據存放在一個存儲器中，從而用硬件代替軟件來控制對芯片的操作，大大減輕MCU的負擔，讓MCU有更多的時間來處理更加緊急的任務，提高系統的并行處理能力。

3.1.2 電機與驅動電路

電機采用海頓直線步進電機，取代傳統旋轉電機驅動方式，省略中間傳動環節，將電機輸出的運動直接施加在滑塊上，提高了傳動效率。將工程熱塑性結合進轉子驅動螺母，并配合使用不銹鋼梯形螺紋導桿，較傳統使用青銅螺母和V形螺紋結構的電機運行更為高效、耐久和安靜。在兼顧考慮定位的精確性與運動的快速性，所選絲杠每步直線位移0.024384mm，完全滿足調焦精度0.03mm的要求。

本著系統體積盡可能小的原則，現采用新型可編程﹑集環形分配器和功放于一體的表貼微步步進電極驅動器件A4980，能靈活設置全步進﹑半步進﹑四分之一及十六分之一多種步進驅動模式，具有高溫和低溫警告﹑過溫關機﹑過壓和欠壓鎖定芯片級保護功能。關鍵是與控制器接口簡單，只需輸入步進方向與步進脈沖即可完成電機驅動，無須進行相位時序的復雜編程。高集成度電路的應用無疑減小了體積、提高了可靠性。

在驅動電機應用中，發現在軸向方向有振動，且電機停轉、A4980中功放使能引腳禁止的情況下，透鏡受軸向力而移動，造成焦面位置變化，這對手持熱像儀的使用很不利。為此A4980中功放使能引腳始終有效，使得電機停轉時也具有保持力矩，實現機構自鎖。這會使電機驅動器件A4980發熱，所以需要采取散熱措施。

3.2 系統的軟件設計

系統軟件主程序如圖6所示。

圖6 系統主程序流程圖

需要注意的是：在調試步進電機變倍運轉程序部分時，發現設置的步進頻率較低則影響了執行機構的工作效率，變倍到位時間過長，無法滿足2s內完成軸向位移17mm視場切換的技術指標要求；若設置的步進頻率較高則發生丟步，甚至不能啟動的現象。這種現象是由步進電機的矩頻特性造成的，隨步進頻率的升高，電機的帶載能力逐漸下降。又因為所帶負載存在慣性，使步進電機可能發生到位過沖現象，影響定位精度。為解決該問題在軟件上設計了變速功能。在啟動時由較低的頻率啟動，逐漸升高到所要求的工作頻率，在快到位時再逐漸降低，即經歷升速、恒速、減速的過程。這樣在保證不失步、不過沖的前提下對步進電機加速，實現了用最快的速度、最短的時間完成變倍動作。

4 系統實驗驗證

該手持紅外熱像儀整機分別進行了性能測試、環境實驗及外場實驗[8]。

4.1 性能測試

性能測試進行了空域NETD測試，相關圖示數據如圖7所示。

空域NETD測試，如圖7所示。

4.2 高低溫實驗

利用高低溫試驗箱對熱像儀進行試驗，紅外望遠鏡系統在－40℃～＋60℃環境溫度下均能正常工作，視場切換過程中無卡滯現象，光軸一致性良好，且滿足視場切換時間要求。

－40℃溫度補償后光學系統小、大視場傳遞函數（MTF）如圖8所示，＋60℃溫度補償后光學系統小、大視場傳遞函數（MTF）如圖9所示，在探測器衍射極限18lp/mm處，軸上傳遞函數均不小于0.4，軸外傳遞函數均不小于0.3。

圖7 空域NETD測試柱狀圖

圖8 －40℃光學系統傳遞函數曲線

圖9 60℃光學系統傳遞函數曲線

空域NETD測試結果如表1所示。

表1 空域NETD測試結果數據表

4.3 外場試驗

在能見度為10km的情況下，對典型車輛目標的識別距離為3.2km，圖像清晰。外場試驗成像圖像如圖10所示。

圖10 外場試驗圖像

5 結論

針對國產288×4長波紅外探測器，研制了一個結構緊湊的ZOOMING型雙視場紅外望遠鏡系統，并從光、機、電三方面進行了較為詳細的設計論述，對工程使用過程中發現的問題提出了相應的解決方法、改進措施。其大、小視場成像質量較好，光軸一致性良好，符合手持熱像儀高性能、高集成、小型化、輕量化的要求。對小型熱像儀的雙視場紅外望遠鏡系統的設計具有參考價值。

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Design of Hand-Held Dual Field-of-View Infrared Optical System

ZHANG Lin1，MO Qiyuan2，WANG Qingquan1，JIAO Mingyin1，GAO Jing1，XIAO Jiahong1

(1.,710065,; 2.,650223,)

This article reports on the development of a hand-held infrared telescoping system for long-wave dual field-of-view, according to the characteristics and strict requirements of military hand-held infrared thermal cameras. The telescope with a zoom ratio of 2.5×is designed with a ZOOMING mode movement. The zoom lens can realize functions of zooming, focusing, and temperature compensation. The design result showed that the system exhibited excellent image quality, compact structure, and light weight. Moreover, it passed the practical project application and range test.

hand-held infrared，infrared optical system，dual field of view，rotate-zoom

TN216

A

1001-8891(2017)11-1001-06

2017-07-04；

2017-11-09.

張林（1970-），女，高級工程師，主要研究方向為紅外技術。