CN106842561B - 一种红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，所述凝视补偿装置包括：从物侧到像侧依次排列的变倍望远镜(1)、折转反射镜(2)、反扫镜(3)、中继组(4)和探测器冷屏(5)，其中，所述反扫镜(3)位于目镜(14)的后方，反扫镜(3)与焦平面探测器共同置于周转方位转台内部，随同方位转台一起周转。本发明提供的凝视补偿措施能够保证红外焦平面探测器在随方位转台周视成像的过程中，在其积分时间内能获得相对于自身保持静止的场景图像，保证探测器完成凝视积分成像，能够完全消除周视图像的“拖影”现象。
Description
技术领域
本发明属于光学红外搜索跟踪技术领域，尤其涉及一种红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置。
背景技术
红外搜索跟踪系统集警戒和自动跟踪功能于一体，目前此种系统主要采用的是扫描成像的线列焦平面探测器，使用这种探测器的红外搜索跟踪系统积分时间短，热灵敏度低。而使用面阵焦平面探测器虽然可以得到较高的积分时间及热灵敏度，但在无任何补偿措施的情况下，场景图像无法在面阵探测器的积分时间内相对成像器件保持静止，所形成的搜索周视图像将会存在严重的“拖影”。
目前解决“拖影”的方法主要有两种，降低探测器的积分时间和降低转台旋转速度。降低探测器的积分时间会导致热灵敏度下降图像对比度降低。降低转台旋转速度会导致整个搜索跟踪系统搜索效率下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，保证红外焦平面探测器在随方位转台周视成像的过程中，在其积分时间内能获得相对于自身保持静止的场景图像，保证探测器完成凝视积分成像,解决了搜索周视图中存在的“拖影”问题。
本发明的技术方案如下：一种红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，所述凝视补偿装置包括：从物侧到像侧依次排列的变倍望远镜1、折转反射镜2、反扫镜3、中继组4和焦平面探测器5，其中，所述变倍望远镜1由前固定物镜11、变倍镜12、后固定物镜13和目镜14组成，通过变倍镜12沿光轴前后移动来实现变倍、调焦功能；所述后固定物镜13由第四透镜131和第五透镜132组成；
所述折转反射镜2放置在第五透镜132和目镜14之间，与光轴夹角为45°，由一片平面反射镜组成，使整个光路转过90°，用以折叠光路减小系统体积；
所述反扫镜3位于目镜14的后方，反扫镜3与焦平面探测器共同置于周转方位转台内部，随同方位转台一起周转；工作时，通过反扫镜3摆动来保证焦平面探测器得到的物方视场图像在其积分时间内相对于搜索视场中的场景保持静止。其中，反扫镜3的相对运动与稳定平台的运动方向相反，角速度跟稳定平台相同。当凝视积分完毕后，反扫镜3快速回位，为下一个新视场内的凝视成像做准备。
所述中继组4位于反扫镜3的后方，所述焦平面探测器5位于中继组4后方。
进一步地，所述前固定物镜11、变倍镜12、后固定物镜13和目镜14四组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正的结构。前固定物镜11、变倍镜12、后固定物镜13中有非球面，中继组4的作用是一次成像面中继成像到像方位置，保证100％冷光阑效率。
进一步地，所述中继组4位于反扫镜3的后方，中继组4由第七透镜46、第八透镜45、第九透镜44、第十透镜43、第十一透镜42和第十二透镜41组成；所述焦平面探测器5位于第十二透镜41的后方。
进一步地，所述第四透镜131为凸面朝向像侧的弯月硅正透镜，第五透镜132为凸面朝向物侧的弯月硅正透镜。
进一步地，所述前固定物镜11由第一透镜111和第二透镜112组成，第一透镜111是一个凸面朝向物侧的弯月形正硅透镜，第二透镜112是一个凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜。
进一步地，所述变倍镜12由两个第三透镜组成，第三透镜是一个双凹负透镜，材料为IG6。
进一步地，所述目镜14为凸面朝向像侧的弯月硅正透镜。
进一步地，所述第七透镜46是凸面朝向物侧的弯月形正透镜，第八透镜45是凸面朝向物侧的弯月形正透镜，第九透镜44是一个凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，第十透镜43是一个凸面朝向像侧的弯月形硅正透镜，第十一透镜42是一个凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第十二透镜41是双凸正透镜。所述第七透镜46材料为IG6，第八透镜45材料为GASIR2，第十二透镜41材料为硅。
进一步地，所述反扫镜3为工作频率为100Hz，摆动角度为±1°的反射镜。
为了解决传统面阵焦平面探测器在红外搜索跟踪系统中图像“拖影”的问题，本发明在保证周视转台能连续转动的前提下，设计一种凝视补偿装置来实现每一视场内的场景凝视补偿，使得一个视场内场景图像在探测器积分时间内相对于器件本身保持静止，消除周视图像的“拖影”现象，本发明的工作原理如下：当搜索跟踪转台旋转时，物方景物在探测器焦面上产生瞬时视场的偏移，导致图像模糊，此时反扫镜相对转台旋转方向进行反向扫描，以稳定探测器接收到的物方景物图像，抵消由于转台旋转带来的瞬时视场的偏移。光学系统采用前端望远镜出射平行光路，后端物镜会聚平行光的形式，此形式可以消除反扫镜扫描带来的像差，进而解决拖影问题。
本发明的设计难点在于利用前端望远镜，后端会聚物镜的光学形式消除了反扫镜扫描代入的像差。利用U型折叠光路缩短了系统总长，使整个系统布局紧凑合理。后端会聚物镜加入了衍射面，保证了不同温度下的成像质量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的凝视补偿措施能够保证红外焦平面探测器在随方位转台周视成像的过程中，在其积分时间内能获得相对于自身保持静止的场景图像，保证探测器完成凝视积分成像，能够完全消除周视图像的“拖影”现象。
附图说明
图1为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在长焦位置的示意图；
图2为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在短焦位置的示意图；
图3为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置周转方位转台在旋转过程中反扫镜在各阶段的摆动位置示意图；
图4为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在长焦位置的MTF；
图5为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在长焦位置的场曲及畸变；
图6为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在长焦位置的点列图；
图7为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在短焦位置的MTF；
图8为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在短焦位置的场曲及畸变；
图9为本发明新型红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置光学系统在短焦位置的点列图；
图中标记：1-变倍望远镜，2-折转反射镜，3-反扫镜，4-中继组，5-焦平面探测器，6-像侧，11-前固定物镜，12-变倍镜，13-后固定物镜，14-目镜，111-第一透镜，112-第二透镜，12-第三透镜，131-第四透镜，132-第五透镜，46-第七透镜，45-第八透镜，第九透镜44、43-第十透镜，42-第十一透镜，41-第十二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
本实施例是将凝视补偿装置应用于制冷型640×512像元25μm凝视型焦平面探测器的例子，探测器感光面积小于此探测器的均在本发明适用范围内。
如图1、图2所示，从物侧0到像侧6依次由变倍望远镜1、折转反射镜2、反扫镜3、中继组4、焦平面探测器5组成。变倍望远镜1由前固定物镜11、变倍镜12、后固定物镜13和目镜14组成，这四组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正的结构，通过变倍镜12的轴向移动来实现变倍、调焦功能。其中前固定物镜由第一透镜111和第二透镜112组成，第一透镜111是一个凸面朝向物侧的弯月形正硅透镜，第二透镜112是一个凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，变倍镜由第三透镜12组成，第三透镜12是一个双凹负透镜，材料为IG6，后固定物镜由第四透镜131和第五透镜132组成，第四透镜131为一个凸面朝向像侧的弯月硅正透镜，第五透镜132为一个凸面朝向物侧的弯月硅正透镜，目镜是第六透镜14由一个凸面朝向像侧的弯月硅正透镜组成。折转反射镜2放置在第五透镜132和第六透镜14之间，与光轴夹角为45°，由一片平面反射镜组成，使整个光路转过90°，用以折叠光路减小系统体积。变倍望远镜1后方是反扫镜3，图2是反扫镜3工作示意图，反扫镜3是工作在一定频率，一定摆动角度的反射镜，反扫镜3与焦平面探测器共同置于周转方位转台内部，随同方位转台一起周转。工作时，通过反扫镜3摆动来保证焦平面探测器得到的物方视场图像在其积分时间内相对于搜索视场中的场景保持静止。其中，反扫镜3的相对运动与稳定平台的运动方向相反，角速度跟稳定平台的相同。当凝视积分完毕后，反扫镜3快速回位，为下一个新视场内的凝视成像做准备。中继组4由第七透镜46、第八透镜45、第九透镜44、第十透镜43、第十一透镜42、第十二透镜41组成，第七透镜46是凸面朝向物侧的弯月形正透镜材料为IG6，第八透镜45是凸面朝向物侧的弯月形正透镜材料为GASIR2,第九透镜44是一个凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，第十透镜43是一个凸面朝向像侧的弯月形硅正透镜，第十一透镜42是一个凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第十二透镜41是双凸正透镜材料为硅。前固定物镜11、变倍镜12、后固定物镜13中有非球面，中继组4的作用是一次成像面中继成像到像方位置，保证100％冷光阑效率。
本实施例中采用的光学镜的参数如表1所示。
表1
表1中Sn(n为1，2，3，…,26)代表各镜片的表面序号，曲率半径是指每个表面的曲率半径。间距是指两相邻表面的距离，表面S1的间距，即指表面S1至S2间的距离，其余相同,玻璃材料是指透镜所用的材料。
本实施例中镜片表面S2、S3、S11、S19的非球面系数如表2所示。
表2
| 表面序号 | K | A | B | C |
| S3 | 0 | 8.029987e-009 | -3.9240989e-013 | 1.9035042e-016 |
| S6 | 0 | -6.4026911e-007 | 4.4257023e-011 | -3.4903695e-014 |
| S13 | 0 | 4.4839243e-008 | -1.6634488e-011 | 2.3650885e-014 |
| S17 | 0 | -9.1652737e-007 | -1.1871678e-009 | -1.2780646e-012 |
| S19 | 0 | 1.1668458e-006 | 7.8589274e-010 | -4.7061678e-013 |
| S21 | 0 | -3.492622e-004 | 6.3069798e-007 | -2.5207822e-007 |
| S23 | 0 | -1.5541486e-006 | -7.1889168e-008 | -2.8711229e-011 |
| S25 | 0 | -7.7001717e-006 | 2.126077e-008 | -6.4086289e-011 |
偶次非球面方程定义如下：
式中，C为非球面的曲率半径，y为垂直于光轴的坐标，k为圆锥系数，z为点y处的弧高，将表2中的非球面系数代入到偶次非球面方程中可以得到精确的面型曲线。
表3镜片表面S17的衍射面系数
其中，C1，C2，C3，C4分别为衍射面2次项、4次项、6次项、8次项系数。
表4本实施例光学系统在长焦、短焦端的一些重要参数值
表4中，包括有效焦距、F数、视场角及可变间距T1、T2。
本实施例采用8个非球面及一个衍射面就达到了良好的成像质量。
图4为凝视补偿装置光学系统在长焦位置的MTF；
图5为凝视补偿装置光学系统在长焦位置的场曲及畸变；
图6为凝视补偿装置光学系统在长焦位置的点列图；
图7为凝视补偿装置光学系统在短焦位置的MTF；
图8为凝视补偿装置光学系统在短焦位置的场曲及畸变；
图9为凝视补偿装置光学系统在短焦位置的点列图；
从图4～图9的图形曲线可以看出其长焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均达到使用要求，解决了拖影问题。
实施例2
本实施例是本发明应用于制冷型640×512像元15μm凝视型焦平面探测器的例子。除下表所列参数与实施例1不同外，其余参数及功能均与实施例1相同。
表5
表5中，Sn代表各镜片的表面序号。曲率半径是指每个表面的曲率半径。间距是指两相邻表面的距离，表面S1的间距，即指表面S1至S2间的距离，其余相同。玻璃材料是指透镜所用的材料。
表6实施例1的镜片表面S2、S3、S11、S19的非球面系数。
| 表面序号 | K | A | B | C |
| S17 | 0 | -9.195688e-007 | -1.493277e-009 | -1.249940e-012 |
| S19 | 0 | 1.039476e-006 | 1.304697e-009 | -9.477126e-013 |
| S21 | 0 | -4.641110e-004 | -2.010087e-006 | -2.924787e-007 |
| S23 | 0 | -1.802269e-005 | 1.603350e-008 | 1.022170e-010 |
| S25 | 0 | 1.993647e-005 | -1.265029e-007 | 2.225485e-010 |
偶次非球面方程定义如下：
表7实施例2镜片表面S17的衍射面系数
其中，C1，C2，C3，C4分别为衍射面2次项、4次项、6次项、8次项系数。
实施例3
本实施例是本发明应用于制冷型384×288像元20μm凝视型焦平面探测器的例子。除下表所列参数与实施例1不同外，其余参数及功能均与实施例1相同。
表8
表8中，Sn代表各镜片的表面序号。曲率半径是指每个表面的曲率半径。间距是指两相邻表面的距离，表面S1的间距，即指表面S1至S2间的距离，其余相同。玻璃材料是指透镜所用的材料。
表9实施例3的镜片表面S2、S3、S11、S19的非球面系数。
| 表面序号 | K | A | B | C |
| S17 | 0 | -9.104367e-007 | -1.502819e-009 | -1.366940e-012 |
| S19 | 0 | 1.088199e-006 | 1.285940e-009 | -9.504351e-013 |
| S21 | 0 | -5.112795e-004 | -3.524096e-006 | -3.179595e-007 |
| S23 | 0 | -1.893043e-005 | 4.214665e-008 | 1.493766e-010 |
| S25 | 0 | 2.344342e-005 | -1.507982e-007 | 2.797815e-010 |
偶次非球面方程定义如下：
表10实施例3镜片表面S17的衍射面系数
| 表面序号 | 衍射级次 | 中心波长 | C1 | C2 | C3 | C4 |
| S17 | 1 | 4.3um | -117.0378 | 15.346764 | -59.734875 | 48.497023 |
其中，C1，C2，C3，C4分别为衍射面2次项、4次项、6次项、8次项系数。
从图形曲线可以看出其长焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均达到使用要求。
Claims (6)
1.一种红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置,其特征在于，所述凝视补偿装置由变倍望远镜(1)、折转反射镜(2)、反扫镜(3)、中继组(4)和焦平面探测器(5)构成，其中，所述变倍望远镜(1)从物侧到像侧由前固定物镜(11)、变倍镜(12)、后固定物镜(13)和目镜(14)组成；
所述后固定物镜(13)由第四透镜(131)和第五透镜(132)组成；
所述折转反射镜(2)放置在第五透镜(132)和目镜(14)之间，与光轴夹角为45°，由一片平面反射镜组成，使整个光路转过90°，用以折叠光路减小系统体积；
所述反扫镜(3)位于目镜(14)的后方，反扫镜(3)与焦平面探测器共同置于周转方位转台内部，随同方位转台一起周转；
所述中继组(4)位于反扫镜(3)的后方，所述焦平面探测器(5)位于中继组(4)后方；所述中继组(4)由第七透镜(46)、第八透镜(45)、第九透镜(44)、第十透镜(43)、第十一透镜(42)和第十二透镜(41)组成；所述焦平面探测器(5)位于第十二透镜(41)的后方；
所述第七透镜(46)是凸面朝向物侧的弯月形正透镜，第七透镜(46)材料为IG6；第八透镜(45)是凸面朝向物侧的弯月形正透镜，第八透镜(45)材料为GASIR2；第九透镜(44)是一个凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，第十透镜(43)是一个凸面朝向像侧的弯月形硅正透镜，第十一透镜(42)是一个凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第十二透镜(41)是双凸正透镜，第十二透镜(41)材料为硅；
所述前固定物镜(11)、变倍镜(12)、后固定物镜(13)和目镜(14)四组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正的结构。
2.如权利要求1所述的红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，其特征在于，所述第四透镜(131)为凸面朝向像侧的弯月硅正透镜，第五透镜(132)为凸面朝向物侧的弯月硅正透镜。
3.如权利要求1所述的红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，其特征在于，所述前固定物镜(11)由第一透镜(111)和第二透镜(112)组成，第一透镜(111)是一个凸面朝向物侧的弯月形正硅透镜，第二透镜(112)是一个凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜。
4.如权利要求1所述的红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，其特征在于，所述变倍镜(12)由一个第三透镜组成，第三透镜是一个双凹负透镜，材料为IG6。
5.如权利要求1所述的红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，其特征在于，所述目镜(14)为凸面朝向像侧的弯月硅正透镜。
6.如权利要求1所述的红外搜索跟踪系统的凝视补偿装置，其特征在于，所述反扫镜(3)为工作频率为100Hz，摆动角度为±1°的反射镜。
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