CN103091841A

CN103091841A - 基于dmd的双色红外成像制导仿真光学系统

Info

Publication number: CN103091841A
Application number: CN2013100105329A
Authority: CN
Inventors: 孙永雪; 龙夫年; 丛海佳; 陈刚义; 赵晓
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-05-08

Abstract

一种基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，涉及一种红外成像制导仿真光学系统。本发明的红外成像制导仿真光学系统包括：照明系统（1），提供景象产生所需要的红外光，并且均匀照明投影系统的物面；分光系统（2），使照明系统（1）的光路发生偏转，使系统的光路更清晰；DMD景象生成器（3），对照在它上面的光进行反射调制，然后使调制后的光进入投影系统（4）；投影系统（4），接收来自经DMD景象生成器（3）调制后的辐射，并将其准直投影出去，得到红外景象。本系统适用于双色红外、大视场、大相对孔径的红外导引头，而且该成像制导仿真光学系统具有结构简单、动态范围大、温度分辨率高和空间分辨率高等优点。

Description

基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统

技术领域

本发明涉及一种红外成像制导仿真光学系统，尤其是涉及一种基于DMD（数字微镜阵列）的双色红外成像制导仿真光学系统，其可以对红外双波段导引头性能进行评估。

背景技术

导引头技术作为精确制导武器的核心技术之一，主要完成对目标的自主搜索、识别和跟踪、并给出制导律所需要的控制信号。由于红外导引头具有制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性能好、结构紧凑、机动灵活等特点,所以成为各国研制精确制导武器的重要技术手段。经过几十年的研究，红外导引头历经了由点源到成像、由单色到多色、由单模到复合的发展过程。双色红外具有宽的频率覆盖范围、不易被干扰、成像具有一定的互补性等优点，光学双色导引头包括红外双色、红外/ 紫外和红外/ 可见光(电视) 等复合形式。老式红外导引头有易受红外诱饵和背景的干扰继而易丢失目标的缺点，而光学双色导引头能有效克服这一缺点。

随着各种红外成像制导导弹的出现，也随之提出了对红外成像制导仿真的要求，迫切需要研制相应的半实物成像制导仿真系统，以便有效的对红外成像武器的性能作出评价。光学成像系统是成像制导仿真系统的核心部分，其性能的好坏直接影响仿真结果的逼真程度，继而影响导引头的性能测试。由于未来导引头会向着双色、高分辨率凝视红外、轻小型化、智能化等方向发展，则相应的成像制导仿真系统也要随之加以改进。

发明内容

为了解决红外双色导引头的性能评价问题，本发明提供一种基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，该系统为双色导引头提供了高仿真性能的评价方法。

本发明的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统包括：

照明系统，提供景象产生所需要的红外光，并且均匀照明投影系统的物面（DMD景象生成器）；

分光系统，它的主要作用是衔接照明系统和投影系统，使照明系统的光路发生偏转，使系统的光路更清晰；

DMD景象生成器，对照在它上面的光进行反射调制，然后使调制后的光进入投影系统；

投影系统，其接收来自经景象生成器调制后的辐射，并将其准直投影出去。

根据上述构思，该红外成像制导仿真光学系统的波段范围是红外双波段。

根据上述构思，该红外成像制导仿真光学系统的红外光源具有较高的温度稳定性、空间辐射均匀性及光能利用率。

根据上述构思，该红外成像制导仿真光学系统的照明系统可以采用临界照明或者柯勒照明。

根据上述构思，该红外成像制导仿真光学系统的景象生成器采用DMD，对红外辐射进行反射调制而得到红外景象，具有高分辨率、高帧频、无死像元和均匀性好等特点。

根据上述构思，加入分光系统衔接照明系统和投影系统，使照明系统的光路发生偏转，使系统的光路更清晰。

根据上述构思，该红外成像制导仿真光学系统的分光系统可以采用半反半透镜、全反射镜或者偏振分光棱镜。

根据上述构思，该红外成像制导仿真光学系统的照明系统光轴与投影系统光轴垂直。

根据上述构思， DMD景象生成器垂直于投影系统光轴。

根据上述构思，沿投影系统光轴方向从左至右依次是DMD景象生成器，分光系统，投影系统。

根据上述构思，分光系统与照明系统的位置根据需要自行设置，但是分光系统的位置最好能保证照明系统与投影系统的光轴垂直。

本发明的双色红外成像制导仿真光学系统，适用于双色红外、大视场、大相对孔径的红外导引头，而且该成像制导仿真光学系统具有结构简单、动态范围大、温度分辨率高和空间分辨率高等优点。

附图说明

图1是本发明的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统的结构示意图；

图2是分光系统（全发射分光棱镜）的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的技术方案，但并不限定本发明的保护范围。

一种基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，如图1所述，主要包括：照明系统1、分光系统（红外分光棱镜）2、DMD景象生成器（DMD芯片）3、准直投影系统4；所述照明系统（1），提供景象产生所需要的红外光，并且均匀照明投影系统的物面；所述分光系统（2），使照明系统（1）的光路发生偏转，使系统的光路更清晰；所述DMD景象生成器（3），对照在它上面的光进行反射调制，然后使调制后的光进入投影系统（4）；所述投影系统（4），接收来自经DMD景象生成器（3）调制后的辐射，并将其准直投影出去，得到红外景象。

所述双色红外成像制导仿真光学系统适用波段为红外中波（3.7～4.8μm）和长波（8～12μm）双波段。

所述照明系统1包括红外光源1-1和聚光镜组1-2，照明系统1采用临界照明将光源的像成在物面附近，本发明提及的物面是景象生成器3即DMD芯片。

所述红外光源1-1具有较高的温度稳定性、空间辐射均匀性及光能利用率。

所述红外光源1-1选用黑体，其发射率高、温控精度高且均匀性好。

所述聚光镜组1-2采用一片正透镜，照明系统1一般不要求严格校正像差，通常只要适当控制球差。聚光镜组1-2的材料为锗，透镜两个面的半径R1和R2分别为112.9656mm和2560.1407mm，透镜的厚度为8mm。

所述分光系统2，其主要作用是衔接照明系统和投影系统，使照明系统的光路发生偏转，使系统的光路更清晰。

所述分光系统2采用全反射分光棱镜，如图2所示，该分光棱镜由两个全等直角的红外棱镜组成。

所述全反射分光棱镜，可以提高系统的透过率，即提高光能利用率。如图2所述，棱镜的结构设计要满足：入射光线满足全反射条件，光线几乎全部被反射到DMD芯片上；光线经DMD芯片反射调制后再次经过全反射分光棱镜要能透射过去。

所述全反射分光棱镜的θ角为45°，材料为锗，根据不同使用要求，可以自行计算规定。

所述DMD景象生成器3（DMD芯片）选用TI公司生产的产品，像素分辨率为1024×768，帧频为60Hz，对角线尺寸为21.76mm，根据不用使用要求，可以自行选择。

所述准直投影系统4，根据系统的工作原理，准直投影系统4的物为DMD景象生成器3（即DMD芯片），且DMD芯片置于投影物镜的物方焦面上，出射的光为平行光。

所述准直投影系统4的设计原则为：准直投影系统4的视场应该与被测导引头的成像系统视场一致，或者稍大于；为了有效利用DMD景象生成器3的辐射能量和避免不必要的杂散光进入被测导引头光学系统，准直投影系统4的出瞳要与被测导引头的入瞳重合；为保证有一定误差时DMD景象生成器3输出的能量也能完全充满导引头入瞳，要求准直投影光学系统4的出瞳稍大于被测导引头入瞳。

所述准直投影系统4包括四片透镜：第一透镜4-1、第二透镜4-2、第三透镜4-3、第四透镜4-4，具体结构参数见表1。

表1 准直投影系统结构参数（单位mm）

	厚度d	R1	R2	材料
					第一透镜4-1	17	-698.3171	-254.8094	ZnSe
第二透镜4-2	17	-198.3052	-303.6196	ZnS
					第三透镜4-3	20	378.8325	334.1828	ZnSe
第四透镜4-4	17	-164.1273	-166.5372	Ge

第一透镜4-1与第二透镜4-2之间的距离为11mm，第二透镜4-2与第三透镜4-3之间的距离为100mm，第三透镜4-3与第四透镜4-4之间的距离为53mm，系统焦距为540mm。

第一透镜4-1与第四透镜4-4为正透镜，第二透镜4-2与第三透镜4-3为负透镜。

所述所有透镜面都为标准球面，不含非球面，减小加工、装调及检测等难度。

针对某双色红外、大视场、大相对孔径的导引头，本发明的红外成像制导仿真光学系统其温度分辨率为0.01K，空间分辨率为1024×768，模拟灰度级为2¹⁴级，并满足3.7～4.8μm和8～12μm双波段、焦距540mm、入瞳距200mm、F数为3、MTF曲线基本与衍射极限重合、边缘畸变基于0.05%等系统要求。

综上所述，本发明的红外成像制导仿真光学系统与其他仿真方法相比较，具有如下有益效果：结构简单紧凑、综合成本低廉，能够应用于双色红外、大视场、大相对孔径的导引头的评价。

Claims

1.一种基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述红外成像制导仿真光学系统包括照明系统（1）、分光系统（2）、DMD景象生成器（3）和投影系统（4），沿投影系统（4）光轴方向从左至右依次是DMD景象生成器（3）、分光系统（2）、投影系统（4），其中：

所述照明系统（1），提供景象产生所需要的红外光，并且均匀照明投影系统的物面；

所述分光系统（2），使照明系统（1）的光路发生偏转，使系统的光路更清晰；

所述DMD景象生成器（3），对照在它上面的光进行反射调制，然后使调制后的光进入投影系统（4）；

所述投影系统（4），接收来自经DMD景象生成器（3）调制后的辐射，并将其准直投影出去，得到红外景象。

2.根据权利要求1所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述红外成像制导仿真光学系统的波段范围是波段为红外中波和长波双波段。

3.根据权利要求2所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述红外中波的波长3.7～4.8μm，长波的波长为8～12μm。

4.根据权利要求1所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述照明系统（1）采用临界照明或者柯勒照明。

5.根据权利要求1或4所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述照明系统（1）包括红外光源（1-1）和聚光镜组（1-2）。

6.根据权利要求5所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述红外光源（1-1）选用黑体。

7.根据权利要求5所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述聚光镜组（1-2）为一正透镜，材料为锗，透镜两个面的半径R1和R2分别为112.9656mm和2560.1407mm，透镜的厚度为8mm。

8.根据权利要求1所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述分光系统（2）采用半反半透镜、全反射镜或者偏振分光棱镜。

9.根据权利要求1所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述准直投影系统（4）包括第一透镜（4-1）、第二透镜（4-2）、第三透镜（4-3）、第四透镜（4-4），第一透镜（4-1）的厚度为17mm，R1=-698.3171，R2=-254.8094，材料为ZnSe；第二透镜（4-2）的厚度为17mm，R1=-198.3052，R2=-303.6196，材料为ZnS；第三透镜（4-3）的厚度为20mm，R1=378.8325，R2=334.1828，材料为ZnSe；第四透镜（4-4）的厚度为17mm，R1=-164.1273，R2=-166.5372，材料为Ge。

10.根据权利要求1、4、5或9所述的基于DMD的双色红外成像制导仿真光学系统，其特征在于所述照明系统（1）光轴与投影系统（4）光轴垂直；DMD景象生成器（3）垂直于投影系统（4）光轴。