CN107942510A - 一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法，通过移动调焦镜或者加入散焦透镜改变红外成像系统光路的办法，使原来的成像光路散焦后在探测器焦面上形成比较均匀的光强度分布，同时在散焦过程中不向系统引入杂散光和冷反射，最终使红外成像系统不加挡板也能完成非均匀校正的目的。分析方法提供了调焦镜移动校正、插入透镜校正以及调焦镜移动和插入透镜相结合三种散焦校正方法，并将像面均匀性、系统杂散光和冷反射强度引入非均匀校正的分析中作为评价因子，每个评价因子可以做定量化的分析，提高了分析的准确度。同时散焦校正在实际应用时可以将场景信息校入系统，提高了红外成像系统的目标发现和识别能力。

Description

一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法
技术领域
本发明属于光学仿真领域，涉及一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法。
背景技术
由于现有制造工艺水平和材料的限制，红外焦平面阵列的各个探测单元的响应特性不完全一致，它以固定图案噪声的形式叠加在图像上，这种噪声即为红外焦平面阵列的非均匀性，它严重影响了红外系统的成像质量，使目标图像很难从背景中分辨出来，这就限制了红外焦平面阵列的性能，也限制其在军事和民用方面的应用。
为了解决上述问题，首先是提高红外焦平面阵列器件的研制、生产水平，进一步降低器件的非均匀性，这是一条最基本的技术途径，但投资巨大、收效较慢。最常用的方法就是在红外成像系统设计中添加挡板校正机构，利用挡板切断光路传输后进行图像校正，但是当红外系统工作在温度比较恶略的条件时，挡板温度与外界温差较大，导致校正画面与实际环境温差较大。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法，达到在探测器焦面上形成比较均匀的光强度分布，使红外成像系统不加挡板也能完成非均匀校正的目的。
技术方案
一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法，其特征在于：红外成像系统为连续调焦红外成像系统，分析步骤如下：
步骤1：将校正透镜置于连续调焦红外成像系统中会聚一与会聚二之间；
步骤2：在光学仿真软件中，把连续调焦红外成像系统的焦平面均匀性作为约束条件，把调焦镜的移动位置作为变量，采用最小二乘法自动进行优化，得到所有符合约束条件的调焦镜移动位置；
步骤3：在光学仿真软件中，把连续调焦红外成像系统的焦平面均匀性作为约束条件，将校正透镜的材料前后表面曲率半径和厚度作为变量，给每个变量设置能够实现的边界条件采用最小二乘法自动进行优化，得到所有符合约束条件的校正透镜；
步骤4：将连续调焦红外成像系统在ASAP软件中建模，将步骤3优化得到的符合约束条件的校正透镜参数依次加入到成像系统的模型中，然后通过光线追迹方法计算出各个校正状态下成像系统中引入的杂散光比例；
步骤5：以所有符合约束条件的校正透镜和调焦镜位置为步骤4模型的输入参数，然后通过光线追迹方法计算出各个校正状态下成像系统中焦面边缘与中心的照度值之比；
步骤6：将光学设计结果输入到该连续调焦红外成像系统的codev光学设计程序中，利用近轴光线追迹的方法，得到各个校正状态下的反映冷反射情况的焦平面上冷反射斑的半径大小和形成冷反射的光束拦光量数据；所述光学设计结果为步骤2求取所有符合约束条件的校正透镜时的校正透镜的材料前后表面曲率半径和厚度，以及所选择的校正透镜材料；
步骤7：在所有结果中，排除不符合设计需求的杂散光系数和冷反射状态时的光学参数，在符合设计需求的杂散光系数和冷反射状态时的光学参数中，选择一个焦面照度比最接近1的状态的光学参数。
所述ASAP软件能够以tracepro，fred，lighttools或speos软件取代。
有益效果
本发明提出的一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法，通过移动调焦镜或者加入散焦透镜改变红外成像系统光路的办法，使原来的成像光路散焦后在探测器焦面上形成比较均匀的光强度分布，同时在散焦过程中不向系统引入杂散光和冷反射，最终使红外成像系统不加挡板也能完成非均匀校正的目的。
本发明利用光学散焦的原理，提出了调焦镜移动位置校正、切入散焦透镜校正以及两者相结合校正三种校正方法，创新性地利用焦面光照度均匀性、光学系统杂光系数和光学系统的冷反射严重程度作为评价因子，综合考虑三个评价因子筛选出最优的校正方法。利用该方法选出的校正方法可以实时利用图像中的背景信息，有效提高红外成像系统的目标发现和识别能力。
本发明具有的优点、特点或积极效果是：本发明的红外成像系统非均匀校正分析方法具有准确度高、真实性好、实际效果显著的特点。所述分析方法提供了调焦镜移动校正、插入透镜校正以及调焦镜移动和插入透镜相结合三种散焦校正方法，并将像面均匀性、系统杂散光和冷反射强度引入非均匀校正的分析中作为评价因子，每个评价因子可以做定量化的分析，提高了分析的准确度。同时散焦校正在实际应用时可以将场景信息校入系统，提高了红外成像系统的目标发现和识别能力。
附图说明
图1：本发明方法流程示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
步骤1：将校正透镜置于连续调焦红外成像系统中会聚一与会聚二之间；该校正透镜选择材料为锗，校正透镜的切入位置为：校正透镜后表面到会聚透镜2前表面的距离为7.62mm；
步骤2：在光学仿真软件中，把连续调焦红外成像系统的焦平面均匀性作为约束条件，把调焦镜的移动位置作为变量，采用最小二乘法自动进行优化，得到所有符合约束条件的调焦镜移动位置所述；
步骤3：在光学仿真软件中，把连续调焦红外成像系统的焦平面均匀性作为约束条件，将校正透镜的材料前后表面曲率半径和厚度作为变量，给每个变量设置能够实现的边界条件，采用最小二乘法自动进行优化，得到所有符合约束条件的校正透镜；校正透镜前后表面曲率半径分别为-508mm和588.6mm，透镜厚度为3.61mm；
步骤4：将连续调焦红外成像系统在ASAP软件中建模，将步骤3优化得到的符合约束条件的校正透镜参数依次加入到成像系统的模型中，然后通过光线追迹方法计算出各个校正状态下成像系统中引入的杂散光比例；
步骤5：以所有符合约束条件的校正透镜和调焦镜位置为步骤4模型的输入参数，然后通过光线追迹方法计算出各个校正状态下成像系统中焦面边缘与中心的照度值之比；
步骤6：将光学设计结果输入到该连续调焦红外成像系统的codev光学设计程序中，利用近轴光线追迹的方法，得到各个校正状态下的反映冷反射情况的焦平面上冷反射斑的半径大小和形成冷反射的光束拦光量数据；所述光学设计结果为步骤2求取所有符合约束条件的校正透镜时的校正透镜的材料前后表面曲率半径和厚度，以及所选择的校正透镜材料；
步骤7：在所有结果中，排除杂光系数为7％和冷反射条件为冷反射等效温差(NITD)与系统噪声等效温差(NETD)的比值不大于2的光学参数中，选择一个焦面照度比最接近1的状态的光学参数。

Claims (2)

1.一种基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法，其特征在于：红外成像系统为连续调焦红外成像系统，分析步骤如下：
步骤1：将校正透镜置于连续调焦红外成像系统中会聚一与会聚二之间；
步骤2：在光学仿真软件中，把连续调焦红外成像系统的焦平面均匀性作为约束条件，把调焦镜的移动位置作为变量，采用最小二乘法自动进行优化，得到所有符合约束条件的调焦镜移动位置；
步骤3：在光学仿真软件中，把连续调焦红外成像系统的焦平面均匀性作为约束条件，将校正透镜的材料前后表面曲率半径和厚度作为变量，给每个变量设置能够实现的边界条件采用最小二乘法自动进行优化，得到所有符合约束条件的校正透镜；
步骤4：将连续调焦红外成像系统在ASAP软件中建模，将步骤3优化得到的符合约束条件的校正透镜参数依次加入到成像系统的模型中，然后通过光线追迹方法计算出各个校正状态下成像系统中引入的杂散光比例；
步骤5：以所有符合约束条件的校正透镜和调焦镜位置为步骤4模型的输入参数，然后通过光线追迹方法计算出各个校正状态下成像系统中焦面边缘与中心的照度值之比；
步骤6：将光学设计结果输入到该连续调焦红外成像系统的codev光学设计程序中，利用近轴光线追迹的方法，得到各个校正状态下的反映冷反射情况的焦平面上冷反射斑的半径大小和形成冷反射的光束拦光量数据；所述光学设计结果为步骤2求取所有符合约束条件的校正透镜时的校正透镜的材料前后表面曲率半径和厚度，以及所选择的校正透镜材料；
步骤7：在所有结果中，排除不符合设计需求的杂散光系数和冷反射状态时的光学参数，在符合设计需求的杂散光系数和冷反射状态时的光学参数中，选择一个焦面照度比最接近1的状态的光学参数。
2.根据权利要求1所述基于散焦的红外成像系统非均匀校正分析方法，其特征在于：所述ASAP软件能够以tracepro，fred，lighttools或speos软件取代。
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