紅外雙波段雙視場成像告警系統設計

張洪偉，丁亞林，馬迎軍，陳衛寧

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119)

1 引 言

紅外光學成像探測系統在復雜環境下具有目標探測精度高、虛警率低、可實現全天時探測等優勢，在遙感、導航以及導引等領域得到廣泛的應用。由于飛行器尾焰，飛行器、坦克等發動機噴出的高溫氣體在3～5 μm波段有較強的輻射；而飛行器、坦克等設備本體在8～12 μm波段有較強的輻射，因此利用中波/長波紅外雙波段復合探測系統可有效提高復雜環境下目標探測精度。然而，隨著飛行器、機動器等目標的機動性能、隱蔽性能的不斷提高，常規的定焦紅外系統難以實現對來襲目標的有效探測及跟瞄，需要一種雙視場變焦成像系統，大/小視場協同作業便可實現對目標的大視場搜索及小視場跟蹤監視[1-4]。同時，為保證大/小視場切換過程中目標不丟失，光學系統需要快速切換，且切換后系統需要保持較高的光軸穩定精度。因此，紅外雙波段雙視場探測技術是一個亟待研究的課題。

近年來，國內外陸續報道了許多關于紅外成像探測系統的研究方法與成果，但是為了滿足總體包絡尺寸以及重量要求，多采用單色定焦透射或反射光學結構形式，難以滿足復雜環境下目標探測的需求。盡管有些雙視場光學系統設計，但大多采用電機驅動凸輪進行變焦，其軸向尺寸大，變倍速度慢，也無法滿足實際使用要求。本文設計了中波/長波雙波段紅外成像系統。根據系統體積重量以及實際探測需求，中波紅外分系統采取定焦結構，長波紅外分系統采取光學元件切入/切出形式的雙視場變焦結構。長波紅外分系統采用旋轉電磁鐵為驅動元件實現了大于80 ms快速變焦，且大/小視場切換后光軸晃動小于兩個像素。由于光學成像系統工作環境惡劣，需要承受-40～60 ℃大動態范圍的溫度變化，在無調焦光學系統中需要進行無熱化設計以保證成像質量。該系統具有結構緊湊、視場大、長波紅外分系統大/小視場切換速度快、光軸穩定性高及成像質量好等優點。

2 總體設計

根據總體指標對整機的體積包絡、質量的要求，本文設計的中波/長波雙波段紅外成像告警系統中的中波與長波紅外分系統采取共用窗口與分光鏡的結構形式，進入窗口的光能量在分光鏡處進行分光，分別進入中波與長波紅外分系統，完成對目標的雙波段復合探測[5-9]。

2.1 紅外成像系統組成

中波/長波雙波段紅外成像告警系統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器及成像電路組件、長波紅外鏡組組件、變倍組件、長波制冷型紅外探測器及成像電路組件、底板等組成，紅外成像系統組成如圖1所示。其中，變倍組件需要能夠滿足80 ms快速切換穩定、大/小視場切換后光軸晃動小于兩個像素的指標要求。

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

2.2 變倍結構形式選擇

雙視場紅外成像光學系統中大/小視場的切換形式有多種，目前常用的有以下兩種切換形式：一種是通過軸向移動變倍及補償鏡組來改變系統焦距以實現大/小視場的切換，采用這種變倍形式切換速度較慢、結構較為復雜，并且參與成像的鏡片數量多，對光學系統透過率以及成像質量有一定的影響，如圖2(a)所示；另一種是通過徑向切入/切出變倍鏡組來改變系統焦距以實現視場切換，采用這種徑向變倍形式不需要軸向預留鏡組移動空間從而有利于系統小型化，僅需保證變倍鏡組切入光路的復位精度便能確保光學系統長短焦光軸的一致性，并且采用適當的驅動組件便能實現大/小視場的快速切換，如圖2(b)所示。因此，本文采用徑向切換方式進行長波紅外分系統的設計。

圖2 雙視場變倍系統結構Fig.2 Structure of zoom system with dual-FOVs

3 光學系統設計

3.1 參數及構型設計

成像光學系統的主要參數包括焦距、相對口徑和視場角等[10-11]。受衍射極限的限制，成像光學系統的最小分辨率往往取決于系統的相對口徑。本文中波與長波光學系統均采用制冷型640×512面陣探測器，像元尺寸為15 μm。綜合考慮紅外成像告警系統的包絡尺寸、質量和探測性能等因素，光學系統參數如表1所示。

表1 紅外成像光學系統參數

fn=fw×k.

(1)

長波紅外分系統在大視場工況下變倍鏡組的物像距公式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

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

最后，再依據長波紅外分系統的實際焦距進行比例縮放，縮放比為Pr。

(6)

(7)

dFw_12=dw_12×Pr,

(8)

dFw_23=dw_23×Pr,

(9)

由于中波/長波紅外分系統采取共用窗口與分光鏡的結構形式，為保證系統不會引入較大像差對成像質量造成較大影響，窗口兩個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，不會引起較大像差。為了達到光學系統無熱化設計以及消色差的目的，中波紅外波段采用HW14，ZnS兩種材料，長波紅外波段采用ZnSe,HW14兩種材料，窗口采用ZnS材料，分光鏡采用Ge材料。通過加入非球面(圖3)、規劃光焦度等光學系統設計以及材料的選擇等方法達到校正系統像差、提高光學系統成像質量的目的；通過光學材料與鏡筒等結構材料的匹配達到無熱化設計的目的[12-15]。

為實現光學系統的無熱化設計，光學系統的光焦度、消色差以及消熱差必須滿足：

(10)

(11)

(12)

(13)

其中：φ為光學系統的光焦度，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為光學系統由色散引起的光焦度變化值，ωi為透鏡色散因子，ΔfT為光學系統由光學元件引起的焦距變化值，χi為歸一化熱差系統，agi為透鏡的線膨脹系數，am為結構件的線膨脹系數，L為系統總長。

通過式(10)～式(13)，可計算得到滿足光學系統無熱化要求的光學系統的近軸關系，然后再經過合理匹配透鏡材料與結構件材料就能夠得到光學系統無熱化要求的光學系統的初始結構。

為減小鏡片口徑，中波/長波紅外光學分系統均采用二次成像的形式，并且在長波紅外光學系統的一次成像附近設置切入/切出變倍鏡組，以實現大/小視場的切換，這樣設計可減小變倍鏡組口徑以達到減小驅動扭矩的目的。采用CODE V光學設計軟件對光學系統進行反復優化，得到最優的設計結果，如圖3所示。

圖3 成像告警光學系統Fig.3 Optical system of image early warning system

3.2 變倍驅動及限位組件

長波紅外分系統的變倍鏡組圍繞驅動組件的回轉中心轉動切入/切出光路來實現分系統大/小視場的轉換。驅動組件主要由驅動元件、驅動軸系等組成。其中，驅動軸系主要包括一對角接觸球軸承、軸承端蓋、軸承座和變倍鏡組擺臂的旋轉軸等。由于伺服電機的電氣時間常數較大，啟動較慢，因此選用旋轉電磁鐵作為驅動組件的驅動元件，以實現雙視場的快速切換。

限位組件采取電限位、機械限位及磁力鎖緊機構的組合形式。在變倍鏡組切入、切出兩個位置均設有一套電限位、機械限位以及磁力鎖緊機構。其中，電限位采用光電開關；機械限位采用聚氨酯減震材料；磁力鎖緊機構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，斷電恢復磁力，因此采用失電源型電磁鐵僅在視場切換過程中通電，視場切換結束后便可斷電鎖緊，減少系統功耗，如圖4所示。

長波紅外分系統初始處于大視場搜索模式，待系統發現目標，磁力鎖緊機構與旋轉電磁鐵同時通電工作，變倍鏡組瞬間切出系統光路，此時旋轉電磁鐵低電壓保持力矩，磁力鎖緊機構斷電鎖緊定位，系統變為長焦小視場工作模式，對目標進行瞄準跟蹤。大/小視場切換速度達到80 ms以內，以確保目標在視場切換過程中不會丟失。

圖4 變倍驅動及限位組件Fig.4 Zoom drive and limit components

3.3 像質評價

系統采用的中波/長波紅外探測器均為15 μm，其特征頻率為33 lp /mm。中波紅外光學分系統與長波紅外光學分系統大小視場在-40，0，20，60 ℃條件下的調制傳遞函數如圖5～圖7所示。從圖中可以看出，各光學系統在不同溫度下的調制傳遞函數均接近衍射極限，由此實現了紅外光學系統在-40 ℃～60 ℃內的無熱化設計。

圖5 中波紅外光學分系統在不同溫度下的調制傳遞函數Fig.5 MTF curves of MWIR optical subsystem at different temperatures

圖6 長波紅外光學分系統大視場不同溫度下的調制傳遞函數Fig.6 MTF curves of LWIR-WFOV optical subsystem at different temperatures

圖7 長波紅外光學分系統小視場不同溫度下的調制傳遞函數Fig.7 MTF curves of LWIR-NFOV optical subsystem at different temperatures

中波紅外光學分系統與長波紅外光學分系統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%，滿足系統指標要求。

圖8 中波紅外光學分系統的畸變曲線Fig.8 Astigmatism and distortion curves of MWIR optical subsystem

圖9 長波紅外光學分系統的畸變曲線Fig.9 Astigmatism and distortion curves of LWIR optical subsystem

3.4 光學系統公差分析

在光學元件的加工和裝配過程中，光學系統公差會影響系統的成像質量，主要體現在傳遞函數上。其中，偏心、傾斜和中心厚誤差等系統公差對不同視場角光線的傳遞函數的影響較大。為保證成像質量，須對光學系統公差加以分析，并依此作為機械結構的設計依據。

經分析，光學鏡片在偏心0.01 mm、傾斜1′、中心厚誤差為±0.02 mm、面型3圈以上時，中波紅外分系統在33 lp/mm處全溫度范圍內，中心視場傳遞函數優于0.4的概率為90%，0.7視場傳遞函數優于0.4的概率為90%；長波大/小視場在33 lp/mm處全溫度范圍內中心視場傳遞函數優于0.20的概率為90%，0.7視場傳遞函數優于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 系統光軸精度分析

3.5.1 光軸誤差系統

中波紅外成像系統為定焦成像系統，鏡組為固定鏡組；長波紅外成像系統的變倍鏡組切出后為長波紅外成像系統的小視場，鏡組為固定鏡組。鏡組均采用定心裝配工藝進行裝配，故中波及長波紅外成像系統的小視場光軸重復精度均小于1個像素。

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

長波紅外成像系統的變倍鏡組切入后為長波紅外成像系統的大視場，由于變倍鏡組切入光路時會引入傾斜、偏心誤差，對像質產生影響，因此要嚴格控制變倍鏡組切入光路時產生的傾斜和偏心誤差。采用光學穿軸工藝對變倍鏡組進行裝配，設備包括經緯儀、精密平移臺、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，將經緯儀與后固定鏡組的十字分化板1進行光學穿軸，即將基準轉換到經緯儀；然后將變倍鏡組切入光路，將經緯儀與變倍鏡組的十字分化板2進行光學穿軸，從而實現變倍鏡組與后固定鏡組的光學穿軸。通過修切旋轉電磁鐵支座下的墊片可實現對經緯儀反射像的穿心調整；移動精密平移臺并以光柵尺作為位移反饋，通過修切機械限位處的墊片(圖中未顯示)對經緯儀的中心像進行穿心調整，從而實現對變倍鏡組的光學穿軸裝配[16-17]。進而能夠最大程度保證變倍鏡組切入光路后的光軸穩定性。

3.5.1.1 傾斜誤差

場地是群眾開展乒乓球運動的重要硬件。乒乓球場館在不影響工作的前提下，需要按時對外開放，為群眾健身互動做出服務。相關地方政府也要注重對乒乓球場館的維護，根據地方情況與發展形勢，構建出滿足當地群眾需求的乒乓球活動中心，因地制宜地使用校園、公園、廣場等能夠遮風避雨的地方，在群眾人數較多的區域構建能夠滿足群眾健身活動的乒乓球場地。

傾斜誤差主要以經緯儀反射像作為依據，其主要來自以下幾個方面：結構件的加工誤差、軸系誤差、結構件與軸系裝配時的不垂直度誤差、振動引起的結構件形變誤差、測量誤差等。其中，由于結構件剛度很大，變形量很小，形變誤差可忽略不計。

采用上述工藝可將結構件的加工誤差、結構件與軸系裝配時的不垂直度誤差等系統誤差減小甚至消除，殘差取決于檢測裝置的精度誤差，現使用經緯儀進行檢測，其分辨率為σ1=4″，按均勻分布考慮，則經緯儀檢測引入的誤差為：

(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P4精度的角接觸軸承背對背安裝，其最大誤差σ2=10″，按正態分布，則軸系誤差為：

(15)

測量時采用格值為σ3=4″的經緯儀，讀數可估讀1/10格值，按均勻分布考慮，則測量誤差為：

(16)

根據誤差合成理論得到：

(17)

3.5.1.2 偏心誤差

偏心誤差主要以經緯儀中心像作為依據，其主要來自以下幾個方面：結構件的加工誤差、軸系誤差和振動引起的結構件形變誤差等。同樣由于結構件剛度很大，變形量很小，形變誤差可忽略不計。

同樣采取光學穿軸工藝，由于經緯儀無法測平移量，借助光柵尺可測出中心像與基準偏移量。因此，儀器誤差便轉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)

由于光柵尺為數字式測量儀器，不存在測量讀數誤差。

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

(19)

根據誤差合成理論得：

(20)

3.5.2 光軸晃動對成像質量的影響

變倍鏡組的傾斜、偏心誤差均會影響光軸在探測器中心的位置。當變倍鏡組的傾斜誤差為12.1″時，長波寬視場光軸偏離探測器中心0.006 mm，小于1個像素；當變倍鏡組的偏心誤差為0.027 mm時，長波寬視場光軸偏離探測器中心0.016 mm，小于2個像素；當變倍鏡組同時存在0.027 mm偏心誤差與12.1″傾斜誤差時，此時長波寬視場光軸偏離探測器中心最大值為0.025 mm，小于2個像素。

將上述分析結果帶入CODE V軟件對長波紅外分系統大視場的成像質量進行評價，獲得的光學調制傳遞函數如圖11所示。由圖可知，變倍鏡組切入光路時光軸晃動對長波紅外大視場的成像質量幾乎沒有影響。

圖11 光軸晃動下長波紅外分系統的調制傳遞函數曲線Fig.11 MTF curves of LWIR optical subsystem at optical axis shaking

4 實驗與結果

圖12 紅外成像性能檢測系統Fig.12 Performance detection system of infrared imaging system

為了充分考核紅外成像告警系統的光軸重復精度、長波紅外分系統的大/小視場切換后光軸穩定精度以及視場切換快速響應性能，搭建了如圖12所示的性能檢測系統。整套系統主要由成像系統、高低溫箱、圖像采集系統、1 m平行光管、自制十字靶標和黑體等組成。成像系統位于高低溫箱內，圖像采集系統、平行光管、十字靶標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，黑體發射出均勻的熱輻射，依次通過十字靶標、平行光管、高低溫箱的紅外窗口進入成像系統，從而得到無窮遠十字靶標在長波/中波紅外探測器上的像，再經過圖像采集系統顯示在顯示器上。根據指標要求設定高低溫箱的溫度對成像系統進行高低溫成像性能檢測。依次設定高低溫箱的溫度為-40，20，60 ℃，檢測紅外成像系統的光軸重復精度以及長波紅外分系統大/小視場切換后光軸穩定精度，圖13為低溫時紅外成像系統對十字靶標的一組成像效果圖。從圖中可看出，中波紅外分系統與長波紅外分系統大小視場所成十字靶標清晰，靶標邊緣銳利，成像質量好；中波紅外分系統、長波紅外分系統大/小視場的光軸重復精度小于1個像素，且長波紅外分系統大/小視場切換后的光軸晃動量小于2個像素，滿足總體指標要求。

采用對十字靶標進行視頻圖像采集的方法對長波紅外分系統的大/小視場切換速度進行考核，長波紅外探測器的幀頻為50Hz，單幅圖像間隔為20 ms。依次設定高低溫箱的溫度為-40，20，60 ℃，使用成像系統對十字靶標進行長波紅外視頻成像，對變倍鏡組切換前后的圖像進行逐幀分析，如表2所示。變倍鏡組切換前后穩定圖像均相差3幀，故其變倍穩定時間約為60 ms，滿足雙視場切換速度不大于80 ms的總體技術指標。

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

表2 長波紅外視頻成像測量結果

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

5 結 論

本文基于復雜環境下遠距離點目標的探測需求，設計了一種共用窗口與分光鏡的緊湊型無熱化雙波段雙視場紅外成像告警系統。在系統體積與質量受限的前提下，采用光學被動消熱差方法實現了系統在-40～60 ℃大動態溫度范圍內的無熱化設計。采用旋轉電磁鐵作為驅動元件，同時采用電限位、機械限位以及磁力鎖組合定位機構作為限位機構，實現了長波紅外分系統快速切換變倍功能以及變倍切換過程中光軸晃動小于兩個像素的穩定精度。實驗結果表明：紅外成像告警系統成像清晰，長波紅外分系統的大/小視場變倍切換速度優于80 ms，滿足總體指標要求。