海面監視紅外熱像儀光學系統分析設計*

錢坤，劉家國，李軍偉

(1.光學輻射重點實驗室，北京 100854；2.北京環境特性研究所，北京 100854)

0 引言

我國擁有1.8萬km多的漫長大陸海岸線，領海范圍為領海基線往外12 n mile(1 n mile=1 852 m)。為實現對我國領海的有效監控，當前我國已沿海岸線建立了岸基的海岸視頻監控體系，出于對岸基視頻監控系統的補充，針對浮空系留艇上搭載光學、雷達等載荷的空基廣域監視方案，開展光電探測設計和探測性能分析研究，以實現更大的監視預警范圍。

紅外成像系統的變焦系統主要分為連續變焦和定檔變焦2種。連續變焦光學系統雖然能實現焦距在一定范圍內連續改變,從而實現像面景物的大小連續可變, 但是,此類系統結構復雜,加工和裝調難度大[1]。與連續變焦光學系統相比,定檔變焦系統具有結構簡單,大、小視場間的切換時間短,透過率高,成像質量好等優點。在兩檔變焦和三檔變焦中,紅外兩檔變焦光學系統是最常用的,因此本文從探測距離指標為依據，論證設計一種兩檔變焦的紅外熱像儀光學系統，能夠實現對500 t以上海面艦船探測距離達23 km以上，像質好，像差小。

1 光學系統主要參數分析

1.1 紅外探測器選型

紅外探測器按照制冷與否分為制冷型和非制冷型2種，按照波段又可分為短波、中波和長波。非制冷型紅外探測器價格便宜，但靈敏度有限，本系統中要求對目標探測距離較遠，因此選用高靈敏度的制冷型探測器。在目前的制造成本、工藝水平下，凝視型長波探測器的成本比中波探測器要高不少，出于成本考慮，本系統選擇凝視型中波探測器。對市場上中波制冷探測器進行廣泛調研后，最后選取某型碲鎘汞(mercury cadmium telluride,MCT)中波探測器，主要技術參數如下表1所示。

表1 紅外探測器主要技術參數

1.2 光學系統主要參數分析計算

光學系統的主要參數包括通光口徑、焦距、F數等，本系統中所選探測器F數為2，根據制冷紅外光學系統中冷光闌匹配的原則，因此光學系統的F數確定為2。由于F數和通光口徑有以下關系：

(1)

確定鏡頭焦距后就可確定通光口徑，下面根據總體探測距離要求來確定紅外鏡頭焦距指標。

系統探測距離要求是對500 t以上的海面艦船(大于10 m×10 m)探測距離不小于23 km，影響紅外系統作用距離的主要因素有大氣的傳輸特性、探測器的靈敏度和目標的紅外輻射特性等[2]。對于點源目標可由式(2)計算紅外熱像儀的探測距離[3]：

(2)

式中：J為目標紅外輻射強度，W/sr ；τa為大氣透過率；NEI為紅外熱像儀靈敏度，W·cm-2；SNR為信噪比，對于可探測，取6。

大氣透過率τa受大氣環境和傳輸距離的影響很大[4-5]，因此大氣透過率的計算成為紅外系統作用距離計算的重要部分。一般來說，大氣透過率的計算途經有2種：一是利用經驗公式粗略計算；二是利用專業計算軟件精確計算。經驗公式計算難于描述復雜的大氣狀況，而專業計算軟件計算精度高[6-8]。本文采用Modtran軟件來進行計算，用戶輸入參數后軟件就可自動求解、給出大氣透過率數值，非常方便[9-11]。當地典型的氣象環境為溫度20 ℃，濕度80%，能見度大于23 km ，系留艇升空高度600 m，按照上述條件計算出大氣透過率τa=0.05。

目標的紅外輻射強度取決于目標的溫度、其表面的發射率、有效輻射面積，出于簡化計算的目的，可將目標作灰體處理，則可通過式(3)求計算[12]：

(3)

式中:ε為目標的發射率，對于海面艦船，一般取0.9；At為目標有效輻射面積，為了得到極限探測距離，對于500 t艦船按照最小輻射面積即迎頭探測計算，為30 m2;T為目標的溫度，假設海面空氣溫度20℃，根據實際測試，500 t艦船表面溫度與海面空氣溫差大約5 K左右，即為298 K;c1為第一輻射常數，c1=3.741 5×104W·cm-2·μm4；c2為第二輻射常數，c2=1.438 8×104μm·K；λ1,λ2為起止波段，λ1=3.7 μm，λ2=4.8 μm。

紅外探測系統靈敏度NEI由空間靈敏度NEIs和時間靈敏度NEIt2部分決定，由式(4)～(6)給出[13]：

(4)

(5)

(6)

式中：Ad為探測器像元面積，按15 μm×15 μm計算，取2.25×10-6cm2；Δf為探測器等效噪聲帶寬，對于焦平面探測器按式(7)計算[14]：

(7)

(8)

式中:σe為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，取5.67×10-12W·cm-2·K-4；T為環境溫度，取300 K，代入式(8)計算得到D*=1.57×1010cm·Hz1/2·W-1。

Eb為背景輻射通量密度，按黑體輻射公式計算：

(9)

按環境溫度300 K，代入式(9)計算得Eb=3.95×10-4W·cm-2。

聯立式(2),(4),(5),(6)可計算出焦距f的值，最后求得f=299.5 mm，取整為焦距f=300 mm。根據式(1)得到通光口徑D=150 mm。鏡頭設計為兩檔變焦，根據實際監視要求，變倍比設置為3，即短焦為100 mm，最后確定鏡頭的主要參數為：

短焦f1=100 mm，長焦f2=300 mm，最大通光口徑D=150 mm，F數為2，兩檔變焦。

2 光學系統設計

按照上文中分析確認的光學系統主要參數指標運用Zemax光學設計軟件開展詳細設計。

為滿足紅外熱像儀體積小、質量輕的要求，雙視場光學鏡頭設計采取光學補償法，使用沿軸平行移動變倍組來進行視場的切換[16]，變焦部分共有3組透鏡，分為前固定組、變倍組和后固定組組成，其中前固定組為正透鏡，變倍組為負透鏡，后固定組為正透鏡，并盡量減少移動透鏡的數量。通過優化，在改變視場過程中，移動透鏡的數量僅為一片，通過沿軸向前后移動這片透鏡軸來改變光學系統的焦距和實現聚焦功能。整個光學系統由9片透鏡組成，材料為硅、鍺、硫化鋅和氟化鎂4種常用紅外光學材料，系統光路如圖1所示。

圖1 光學系統光路圖Fig.1 Configurations of the zoom optical system

短焦端，在系統特征頻率33 mm/lp處，各視場調制傳遞函數均大于0.38，如圖2所示。

短焦端成像最大畸變為2.5%，如圖3所示。

長焦端，在系統特征頻率33 mm/lp處，各視場調制傳遞函數也均接近衍射極限，如圖4所示。

長焦端成像最大畸變為2%，如圖5所示。

為消除和減小溫度效應引起光學系統成像質量變差，系統采取主動無熱化補償措施，具體措施是在鏡頭內安裝溫度傳感器，根據環境溫度移動調焦鏡片，實現調焦量的補償，確保圖像在不同溫度條件下始終清晰。

圖2 光學系統短焦端MTF曲線圖Fig.2 MTF curves on short-focus of the optical system

圖3 光學系統短焦端場曲和畸變曲線圖Fig.3 Field curvature & distortion curve on short-focus of the optical system

圖4 光學系統長焦端MTF曲線圖Fig.4 MTF curves on long-focus of the optical system

圖5 光學系統長焦端場曲和畸變曲線圖Fig.5 Field curvature & distortion curve on long-focus of the optical system

3 外場實驗驗證

光學系統完成設計后到生產廠家進行加工調試，然后和探測器進行整機裝配、調試，完成了紅外熱像儀整機裝配、檢驗合格后搭載系留艇到外場進行了實際驗證。實驗中通過艇上搭載的對海監視雷達進行引導及測距，雷達將目標引導進紅外小視場后，紅外進行跟蹤監視，對海面距監控點23 km處500 t級海面艦船的探測效果如圖6所示。

圖6 紅外對距離23 km處500 t級海面艦船探測效果圖Fig.6 Infrared thermal imager detection effect to 500 t level sea surface ship at 23 km distance

如圖6所示，海面艦船在紅外熱像儀上成像像素不小于8×8，輪廓清晰可辨。

4 結束語

本文介紹了通過探測距離指標的分析計算確定其紅外光學系統的焦距、通光口徑等參數，根據這些參數設計了一種兩檔變焦制冷中波光學系統，并進行了外場實驗驗證，證明其探測能力符合其設計要求。這種方法可作為紅外探測、監視系統論證過程光學系統焦距等主要指標的論證計算方法。

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