CN106959509A - 一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，具体过程为：首先，设成像系统的方位角分辨力IFOVH与俯仰角分辨力IFOVV的乘积为给定常数κ；其次，根据常数κ计算反射镜面型，实现成像系统的设计。本发明将俯仰角分辨力和方位角分辨力的几何平均数设为常数，以此作为等作用距离系统设计的条件，利用该方法设计的成像系统能够满足在不同俯仰视场和方位视场下实现相等作用距离的要求。

Description

一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法

技术领域

本发明涉及一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，属于周视红外成像技术领域。

背景技术

为了解决常规成像系统视场狭小的问题，周视系统应运而生。周视顾名思义需要系统有获取方位角360°范围的能力，同时根据应用需求覆盖一定的俯仰角范围。周视的实现形式有很多种，但是考虑到场景的动态获取，则需要采用凝视型的周视系统，而这类系统目前最有代表性的就是折反射周视成像系统。折反射周视成像系统使用单个成像器件对方位360°、一定俯仰的大视场进行同时且无缝的成像，具有结构简单，易于实现，成本低的特点。在最近十几年这种系统广泛应用于街景拍摄、视频监控、机器人视觉导航和自动驾驶等领域。

红外波段的折反射周视系统作为这类系统的一个重要分支，从2005年AppliedScience Innovations公司的ViperView系统开始受到关注。目前折反射周视红外成像系统主要适用于周视成像探测与跟踪和周边态势感知等场合。当前局部战争中的威胁源种类越来越多样化，如地面枪械/火箭弹、防空导弹、空中有人或无人飞行平台发射的导弹等，这些威胁也呈现出时域和方位多样化的特点。红外波段的折反射周视由于能进行夜间观察，且不需要运动扫描机构、仅使用单个面阵焦平面探测器即可实现360°方位视场(水平环绕的角度)、大俯仰视场的成像，可以全时、实时无缝地探测、搜索和分析周视视场内的威胁目标，对于现代战争尤为重要。另外，现代战争尤其重视信息获取能力，希望作战平台具备广域态势信息获取能力，而且每个作战平台作为信息节点，与其它作战平台一起形成综合评价威胁源信息和战场态势的信息网络。结构简单、成本低、小型化的优势使折反射周视红外成像系统适合于安装在不同的作战平台上。因此，无论从广域实时探测的角度，还是从信息化战争的角度，红外波段的折反射周视成像系统均具有很大的应用价值。

不过，目前红外波段折反射周视系统的曲面反射镜通常使用圆锥曲面面型，这类系统对于不同俯仰角下的相同等距目标，在探测器上所成的像大小是不同的，也就是说系统对于不同俯仰角视场的红外成像作用距离是不同的。但是周视红外成像系统在战场中的意义在于广域信息获取潜力，这样系统基本没有将这种潜力发挥出来，实际适合的视场只占系统获得视场的一部分。如果需将潜力变为能力还需要系统在可以获得的周视大视场内均具有近似相等的作用距离。

发明内容

本发明提供一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，该方法将俯仰角分辨力和方位角分辨力的几何平均数设为常数，以此作为等作用距离系统设计的条件，利用该方法设计的成像系统能够满足在不同俯仰视场和方位视场下实现相等作用距离的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，具体过程为：

首先，设成像系统的方位角分辨力IFOVH与俯仰角分辨力IFOVV的乘积为给定常数κ；

其次，根据常数κ计算反射镜面型，实现成像系统的设计。

进一步地，本发明所述根据常数κ计算反射镜面型的具体过程为：

(一)、设最大的入射角为α_max，其对应的最大投影半径为R_max，计算C₀；

(二)、设最小的入射角为α_min，计算其对应的投影极径位置为R_min

(三)、从R_min到R_max按照给定的步长d_pixel分为N个数值点R_i，计算N个数值点所对应的镜片上反射点的坐标(r_i,z_i)，实现反射镜的面型设计。

进一步地，本发明所述计算N个数值点所对应的镜片上反射点的坐标(r_i,z_i)的具体过程为：

(1)设初始z₀＝0，r₀＝R_min(l′+z₀)/f，l′为沿系统中心轴方向上相机光心与镜面顶点的距离，f为镜头焦距，令i＝1；

(2)计算z_i＝z_i-1+Δz_i，其中，tanβ_i为第i个反射点的正切向量，ΔR＝d_pixel；

(3)Δr_i≈Δz_itanβ_i，r_i＝r_i-1+Δr_i。

有益效果：

本发明提出的一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，与现有系统设计方式，具有以下优势：

第一，本发明首次提出使用凝视型的折反射系统实现等作用距离红外成像。

第二，本发明首次提出将折反射系统不同视场下的俯仰角分辨力和方位角分辨力的几何平均数设为常数，以此作为不同俯仰视场下作用距离保持相等的条件，并推导出满足条件的系统设计方法，以实现周视视场下的均衡监视效果。

第三，本发明通过设计参数的调节，不仅能实现系统作用距离在不同视场下的相等，还可以使设计的系统作用距离优于传统折反射系统中大部分视场下的作用距离，满足优异的特点。

附图说明

图1为本发明凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法的流程图

图2为折反射周视系统方位角示意图；

图3为折反射周视系统光束投影示意图；

图4为成像面投影环带示意图；

图5为折反射周视系统俯仰角示意图；

图6为等作用距离系统设计示意图；

图7为一般反射镜面型的折反射周视系统结构示意图；

图8为设计的等作用距离系统反射镜面型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表述的更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明的具体实施方式做详细说明。

本发明的设计思路为：鉴于常规的红外折反射周视系统虽然具有凝视的特点，但是作用距离一般随着俯仰角的变化而变化，导致只有部分视场是实际可用的。本发明提出一种等作用距离的系统设计方法。作用距离是红外成像系统最重要的应用指标，主要由目标尺寸、任务准则和系统角分辨力决定，这三者中，系统角分辨力与系统结构直接关联。对于常规的红外成像系统，系统视场中的任何视角的角分辨力都是近似相等的，所以在特定的目标尺寸和任务准则下，系统的作用距离是不会随着视角的改变而变化的。而折反射周视系统由于物像投影的非线性特点，其俯仰角和方位角的角分辨力会随着俯仰角的改变而变化。对于一般的圆锥曲面镜折反射周视红外成像系统，俯仰角和方位角分辨力的几何平均数是变化的。这就导致作用距离会随着俯仰角的变化而变化。本发明将俯仰角分辨力和方位角分辨力的几何平均数设为常数，以此作为等作用距离系统设计的条件，并给出了相应的设计方法。

本发明的设计原理为：从影响作用距离的系统因素，即系统角分辨力出发，提出了系统等作用距离的条件。折反射系统的角分辨力有俯仰角和方位角的区别，等作用距离需要系统的方位角分辨力和俯仰角分辨力的乘积为常数。系统的设计分为两步，在第一步中，推导具有旋转对称特性的一般折反射周视系统的方位角分辨力和俯仰角分辨力；在第二步中，将第一步中得到的方位角和俯仰角分辨力的表达式的积设置为常数，从该方程出发进一步推导系统所需满足的参数条件。

方位角分辨力：折反射周视系统的方位角定义为水平环绕的角度(参考图2)，水平环绕视场中的场景会在成像面上形成一个环带投影，投影环带的半径与水平环绕视场的俯仰高度有关(参考图3和图4)。方位角分辨力为环带投影区域的单个像元对应的水平环绕视场大小。同一环带的像元方位角分辨力是一致的，不同环带的像元方位角分辨力则是不同的。

俯仰角分辨力：折反射周视系统的俯仰角定义为垂直方向的角度(参考图5),不同俯仰角的视场会投影在圈饼像面上的不同极径位置(参考图3和图4)。俯仰角分辨力为极径上不同位置的单个像元对应的垂直方向的视场大小。俯仰角分辨力大小只与投影的极径位置有关。

等作用距离：折反射系统的作用距离在相同目标尺寸、任务准则下只与系统的俯仰角和方位角分辨力的乘积有关。等作用距离的物理意义在于无论目标在系统的任何俯仰或方位角视场中，只要与系统的距离是一定的，其俯仰角和方位角分辨力的乘积都是相等的，也就是说其在像面上的二维尺度或面积是近似相等的，这样探测监视的效果是一致的。

基于上述原理，本发明一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，具体过程为：

如图1所示，首先，设成像系统的方位角分辨力IFOVH与俯仰角分辨力IFOVV的乘积为给定常数κ；其次，根据常数κ计算反射镜面型，实现成像系统的设计。

具体过程如下：

步骤一、设成像系统的方位角分辨力IFOVH与俯仰角分辨力IFOVV的乘积为给定常数κ；

步骤二、设最大的入射角为α_max，其对应的最大投影半径为R_max，计算C₀；

步骤三、设最小的入射角为α_min，计算其对应的投影极径位置为R_min

步骤四、从R_min到R_max按照给定的步长d_pixel分为N个数值点R_i，计算N个数值点所对应的镜片上反射点的坐标(r_i,z_i)，实现反射镜的面型设计；

具体过程为：

每个反射点的切向量正切tanβ_i，l′为沿系统中心轴方向上相机光心C与镜面顶点的距离(见图6)。

(1)设初始z₀＝0，r₀＝R_min(l′+z₀)/f，tanβ₀为R＝R₀＝R_min时的取值，令初始i＝1；

(2)计算z_i＝z_i-1+Δz_i，其中ΔR＝d_pixel；

(3)Δr_i≈Δz_itanβ_i，r_i＝r_i-1+Δr_i；

(4)令i＝i+1，按照步骤(2)-(3)计算出所有反射点的坐标。

当反射点坐标(r₀,z₀)确定，则可以根据步骤(2)-(3)可以计算出所有反射点的坐标。

步骤五、利用步骤四获得的反射镜，完成成像系统的设计。

实例

以具有旋转对称特点的曲面镜和氧化钒红外焦平面探测器所实现系统的设计方法为实施例说明如下：

本实施例所采用的氧化钒红外焦平面的参数为：探测器材料为氧化钒，像元规模1024×1024，像元间距15μm，探测器尺寸d为15.36mm，噪声等效温差NETD＝25mK。

本实施例的系统参数(参考图6和图7)：俯仰角视场范围α＝60°-100°，镜面顶点与相机光心间距设置为200mm，镜头焦距f＝20mm，中心波长λ＝10μm，系统F/#为1.4。

本实施例的其它参数：目标尺寸D_TGT＝5m，任务标准V＝2.338，校正因子k'＝1560，场景对比度SCN_TMP＝7.5K，表观目标对比度C_TARGET＝0.1667。

设方位角分辨力IFOVH与俯仰角分辨力IFOVV的乘积为常数κ。

IFOVH·IFOVV＝κ (1)

方位角分辨力定义为

其中R为光线在像面上的投影极径。俯仰角分辨力定义为

联立式(1)、(2)和(3)得

其中，C₀为常数。

设最大的入射角为α_max，其对应的最大投影半径为R_max。常数κ作为设定值，可以根据需要的作用距离进行设置。C₀可以被解出

对于特定俯仰角视场范围，设最小的入射角为α_min，其对应的投影极径位置为R_min

为了得到镜面的面型，需要获得而这实际上等于计算tanβ。参考图7，有下面的几何关系

β＝γ+θ (7)

2γ+θ+α＝π (8)

联立(7)和(8)有

将式(9)两边取正切

而有

联立(4)(10)和(11)

式(12)中R为z的函数，由(12)的表达式可知镜面面型的解析表达式是不能获得的，于是只能求取面型的数值解。为了获得足够的精度，R变化以像元尺寸d_pixel为步长。则从R_min到R_max有N个数值点。相应的会有N个反射点。这些反射点需要逐点计算。

对r/(l′+z)＝R/f求导

设反射点的纵坐标为z_i，横坐标为r_i，每个反射点的切向量正切tanβ_i，具体的反射镜面型计算步骤如下：

1)初始z₀＝0，r₀＝R_min(l′+z₀)/f，tanβ₀为R＝R₀＝R_min时的取值；

2)根据式(13)，z_i＝z_i-1+Δz_i，其中ΔR＝d_pixel；

3)Δr_i≈Δz_i tanβ_i，r_i＝r_i-1+Δr_i。

参考图8中仿真了三种κ取值时所设计的折反射系统反射镜面型。κ的取值主要考虑了镜面的可加工性，分别取为6e-6,7e-6和8e-6。图8的横纵坐标与图6的坐标轴相对应。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，其特征在于，具体过程为：

首先，设成像系统的方位角分辨力IFOVH与俯仰角分辨力IFOVV的乘积为给定常数κ；

其次，根据常数κ计算反射镜面型，实现成像系统的设计。

2.根据权利要求1所述凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，其特征在于，所述根据常数κ计算反射镜面型的具体过程为：

(一)、设最大的入射角为α_max，其对应的最大投影半径为R_max，计算C₀；

$C_0={\mathrm{\α}}_{max}-\frac{1}{2}{\mathrm{\κR}}_{max}^2$

(二)、设最小的入射角为α_min，计算其对应的投影极径位置为R_min

$R_{\min }=\sqrt{2({\mathrm{\α}}_{\min }-C_0)/\mathrm{\κ}}---\left(6\right)$

(三)、从R_min到R_max按照给定的步长d_pixel分为N个数值点R_i，计算N个数值点所对应的镜片上反射点的坐标(r_i,z_i)，实现反射镜的面型设计。

3.根据权利要求1所述凝视型周视等作用距离红外成像系统设计方法，其特征在于，所述计算N个数值点所对应的镜片上反射点的坐标(r_i,z_i)的具体过程为：

(1)设初始z₀＝0，r₀＝R_min(l′+z₀)/f，l′为沿系统中心轴方向上相机光心与镜面顶点的距离，f为镜头焦距；

(2)计算z_i＝z_i-1+Δz_i，其中，tanβ_i为第i个反射点的正切向量，ΔR＝d_pixel；

(3)Δr_i≈Δz_itanβ_i，r_i＝r_i-1+Δr_i。