CN114414055B - 多波段共孔径红外成像搜跟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段共孔径红外成像搜跟装置，其中成像系统设置于搜跟转台上，随着搜跟转台的转动而转动，通过设置于搜跟转台的光学窗口接收多波段光；多波段光，经过离轴三反无焦镜组后，入射分光镜，分光镜对长波段光和中波段光进行分离，长波段光经过长波反射镜后在长波红外探测器上进行成像，中波段光经过中波反射镜后在中波红外探测器上进行成像；搜跟转台转动的过程中，长波反射镜和中波反射镜通过反向转动抵消搜跟转台正向转动。采用上述技术方案，实现搜跟装置的小型化和轻量化，提升成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及光探测设备技术领域，尤其涉及一种多波段共孔径红外成像搜跟装置。
背景技术
随着超低空飞行目标的增多，因此需要对超低空目标的准确探测和跟踪。而超低空应用场景十分复杂，对光电设备提出了更高的要求。单波段红外成像只能适应部分场景，因此需要多个波段远距离成像探测，提供多个波段的目标信息，在提供目标多波段信息的同时还要考虑系统的小型化以及轻量化。
现有技术中，超低空飞行目标的多波段成像搜索和跟踪设备，通常应用多孔径结构，每个孔径对应一个波段，然而应用多孔径结构的设备，由于每个孔径均需要占用较大的空间，因此难以实现设备的小型化和轻量化，同时，飞行目标的成像需要多孔径的图像融合，而每个孔径的图像之间容易存在区别和噪音，因此最终的成像效果也并不理想。
发明内容
发明目的：本发明提供一种多波段共孔径红外成像搜跟装置，旨在通过将离轴三反无焦镜组应用于飞行目标的搜跟装置，实现多波段共孔径的飞行目标成像，实现设备的小型化和轻量化，同时多波段同一光轴成像，显著提升不同波段图像融合后的成像效果。进一步的，增加聚焦镜组，应用与镜体材料的膨胀系数相近的支撑结构和镜筒，对镜筒进行热处理，提升成像质量。
技术方案：本发明提供一种多波段共孔径红外成像搜跟装置，包括：搜跟转台和成像系统，所述成像系统包括：离轴三反无焦镜组、分光镜、长波反射镜、长波红外探测器、中波反射镜和中波红外探测器，其中：所述成像系统，设置于所述搜跟转台上，随着搜跟转台的转动而转动，通过设置于搜跟转台的光学窗口接收多波段光；所述多波段光，经过离轴三反无焦镜组后，入射分光镜，分光镜对长波段光和中波段光进行分离，长波段光经过长波反射镜后在长波红外探测器上进行成像，中波段光经过中波反射镜后在中波红外探测器上进行成像；搜跟转台转动的过程中，长波反射镜和中波反射镜通过反向转动抵消搜跟转台正向转动。
具体的，所述成像系统还包括：长波红外聚焦镜组和中波红外聚焦镜组，长波红外聚焦镜组设置在长波反射镜与长波红外探测器之间的光路上，中波红外聚焦镜组设置在中波反射镜与中波红外探测器之间的光路上。
具体的，所述成像系统还包括：长波红外探测器冷光阑和中波红外探测器冷光阑，长波红外探测器冷光阑设置在长波红外聚焦镜组与长波红外探测器之间的光路上，中波红外探测器冷光阑设置在长波红外聚焦镜组与中波红外探测器之间的光路上。
具体的，所述成像系统还包括：非均匀性校正挡板和折叠镜组，非均匀性校正挡板设置在分光镜和离轴三反无焦镜组之间的光路上，折叠镜组设置在中波反射镜和中波红外聚焦镜组之间的光路上。
具体的，所述离轴三反无焦镜组采用多点柔性铰链结构进行支撑，镜组的镜筒结构和多点柔性铰链结构的材料的膨胀系数，与镜体材料的膨胀系数相比均在标准范围内。
具体的，所述离轴三反无焦镜组的镜筒结构，经过热处理，在-40至55℃的温度区间内时，径向形变在成像系统允许公差范围内。
具体的，所述分光镜与入射的多波段光的光轴之间的夹角为45°。
具体的，长波红外探测器和中波红外探测器成像过程中，所述长波反射镜和中波反射镜的旋转角速度，与搜跟转台的旋转角速度，数值相同，方向相反。
具体的，所述成像系统还包括：转动机构，分别与长波反射镜和中波反射镜连接，用于带动长波反射镜和中波反射镜转动，同时测量转动角度。
具体的，所述成像系统还包括：图像处理器，用于接收探测器输出的图像，进行目标提取、跟踪和全景图像拼接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：实现搜跟装置的小型化和轻量化，提升成像效果。
附图说明
图1为本发明提供的成像系统的结构示意图；
图2为本发明提供的搜跟装置的结构示意图；
图3为本发明提供的反射镜光轴角度和角速度的曲线示意图；
1-光学窗口；2-主镜；3-次镜；4-三镜；5-分光镜；6-长波反射镜；7-长波红外聚焦镜组；8-长波红外探测器冷光阑；9-长波红外探测器；10-中波反射镜；11-折叠镜组；12-中波红外聚焦镜组；13-中波红外探测器冷光阑；14-中波红外探测器；15-非均匀性校正挡板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1和图2，图1为本发明提供的成像系统的结构示意图，图2为本发明提供的搜跟装置的结构示意图。
本发明提供一种多波段共孔径红外成像搜跟装置，包括：搜跟转台和成像系统，所述成像系统包括：离轴三反无焦镜组、分光镜5、长波反射镜6、长波红外探测器9、中波反射镜10和中波红外探测器14，其中：所述成像系统，设置于所述搜跟转台上，随着搜跟转台的转动而转动，通过设置于搜跟转台的光学窗口1接收多波段光；所述多波段光，经过离轴三反无焦镜组后，入射分光镜5，分光镜5对长波段光和中波段光进行分离，长波段光经过长波反射镜6后在长波红外探测器9上进行成像，中波段光经过中波反射镜10后在中波红外探测器14上进行成像；搜跟转台转动的过程中，长波反射镜6和中波反射镜10通过反向转动抵消搜跟转台正向转动。
在具体实施中，光学窗口1收集不同波段光线，搜跟转台的匀速转动，主要通过使用电机来实现，具体由方位转台、电机、角速度编码器、电机驱动电路以及伺服控制系统组成。
本发明实施例中，长波红外聚焦镜组7和中波红外聚焦镜组12，长波红外聚焦镜组7设置在长波反射镜6与长波红外探测器9之间的光路上，中波红外聚焦镜组12设置在中波反射镜10与中波红外探测器14之间的光路上。
本发明实施例中，所述成像系统还包括：长波红外探测器冷光阑8和中波红外探测器冷光阑13，长波红外探测器冷光阑8设置在长波红外聚焦镜组7与长波红外探测器9之间的光路上，中波红外探测器冷光阑13设置在长波红外聚焦镜组7与中波红外探测器14之间的光路上。
本发明实施例中，所述成像系统还包括：非均匀性校正挡板15和折叠镜组11，非均匀性校正挡板15设置在分光镜5和离轴三反无焦镜组之间的光路上，折叠镜组11设置在中波反射镜10和中波红外聚焦镜组12之间的光路上。
在具体实施中，离轴三反无焦镜组包括主镜2、次镜3和三镜4，均为反射镜，用于接收多波段光入射，主镜2汇聚入射光，经过次镜3和三镜4反射后到达分光镜5，中波（3-5μm）经过反射和长波（8-12μm）经过透射后分别进入中波反射镜10和长波反射镜6，之后分别进入中波红外聚焦镜组12和长波红外聚焦镜组7，分别将红外透射到中波红外探测器冷光阑13和长波红外探测器冷光阑8，从而分别在中波红外探测器14和长波红外探测器9实现各自波段的红外成像，当成像时间较长发生漂移或噪声时，使用非均匀性校正挡板15进行非均匀性校正，为了进一步实现设备的小型化，反射的中波红外经过折叠镜组11，缩短光路长度，减小设备尺寸。
在具体实施中，长波反射镜6和中波反射镜10两个快速反射镜，可以选择铍镜，质量轻，减小设备的重量。
在具体实施中，在中波和长波进入光阑之前，先经过长波红外聚焦镜组7和中波红外聚焦镜组12，聚焦镜组可以对光进行聚焦，在共孔径的情况下，由于多波段光经过分离和多次反射，光强度会有一定的下降，并且会存在一定干扰，通过聚焦的步骤，可以提升光成像的质量。
在具体实施中，当探测器对目标成像积分期间，快速反射镜都需要摆动一定的角度使光线能在经过共用镜组后平行于入射光出射，进入聚焦光路。经过聚焦和滤光后进入探测器接收系统。
在具体实施中，通过望远镜组（离轴三反无焦镜组）对飞行目标、场景辐射和入射光线的压缩，经过运动补偿，补偿后的光线经过聚焦镜组和光阑在探测器上实现能量的汇聚。通过望远镜组的望远倍率γ，使出射平行光高度为入射平行光高度的1/γ，使扫描补偿镜口径减小为物方扫描补偿口径的1/γ，即离轴三反无焦镜组的应用可以有效的实现设备的小型化以及轻量化。
本发明实施例中，长波红外探测器9和中波红外探测器14成像过程中，所述长波反射镜6和中波反射镜10的旋转角速度，与搜跟转台的旋转角速度，数值相同，方向相反。
本发明实施例中，所述成像系统还包括：转动机构，分别与长波反射镜6和中波反射镜10连接，用于带动长波反射镜6和中波反射镜10转动，同时测量转动角度。
本发明实施例中，所述成像系统还包括：图像处理器，用于接收探测器输出的图像，进行目标提取、跟踪和全景图像拼接。
在具体实施中，长波反射镜6和中波反射镜10连接有转动机构，转动机构带动快速反射镜的镜体做偏转运动，具体的，转动机构可以包括电机，电机的输出轴连接有夹持件，夹持件与快速反射镜连接，夹持件的结构可以由快速反射镜的大小和形状决定，电机带动快速反射镜偏转，同时与旋转编码器连接，测量偏转角度。
参阅图3，快速反射镜的周期运动补偿过程主要包括正向补偿和反向回程两部分，其中正向补偿包括速度建立段和匀速补偿段，匀速补偿段完全覆盖探测器的曝光时间，抵消搜跟转台运动，确保光轴稳定度，从而实现“凝视”清晰成像。
在具体实施中，快速反射镜补偿控制过程中，以周期12.5ms为基准产生脉冲作为同步时钟，频率为80Hz，理论上80Hz为成像帧频，同步控制电路的采样周期为2ms，驱动搜跟转台按照速度180°/s运转，同步控制电路根据设定的速度180°/s，根据转台运动信息实时驱动快速反射镜进行周期性补偿运动，同步控制电路在快速反射镜稳定补偿段给中波红外探测器14和长波红外探测器9提供成像曝光信号。
在具体实施中，快速反射镜用于消除搜跟转台在转动过程中时，探测器积分成像时图像产生拖尾的问题。控制快速反射镜的旋转角速度与转台旋转角速度同步，使得红外探测器在积分时间内在搜跟装置方位搜索的方向上反旋，即积分时间内探测器所采集的空域不变，最终实现系统的扫描凝视成像。
中波红外探测器14和长波红外探测器9成像后输出Camera Link图像，通过光端机输送到图像处理器，终端显示模块根据图像中叠加的帧编号及角度信息进行图像拼接处理，最终显示连续的场景图像。
在具体实施中，中波红外成像系统和长波红外成像系统使用共孔径设计，通过设置能够转动的快速反射镜像移补偿，从而实现中波红外周扫成像和长波红外周扫成像可以在一个设备中完成，这样能够有效减少光学设备尺寸以及重量，另外中波红外和长波红外同光轴设计，具有很好的光轴一致性，显著提升图像融合后的成像质量，确保对同一目标的融合探测识别。
本发明实施例中，所述分光镜5与入射的多波段光的光轴之间的夹角为45°。
在具体实施中，通过45°角的设置，可以有效的分离中波段红外光和长波段红外光。
本发明实施例中，所述离轴三反无焦镜组采用多点柔性铰链结构进行支撑，镜组的镜筒结构和多点柔性铰链结构的材料的膨胀系数，与镜体材料的膨胀系数相比均在标准范围内。
本发明实施例中，所述离轴三反无焦镜组的镜筒结构，经过热处理，在-40至55℃的温度区间内时，径向形变在成像系统允许公差范围内。
在具体实施中，由于共孔径结构的设计，多波段的目标成像均基于同一孔径，因此对于光路的稳定性提出了更高的要求。在搜跟装置工作过程中，设备部件很容易因温度的变化而发生形变，进而导致光路发生偏移，因此，作为本发明重要的改进点之一，采用柔性结构进行支撑，不易发生偏移，同时，镜组的镜筒结构和多点柔性铰链结构的材料的膨胀系数，与镜体材料的膨胀系数相比均在标准范围内，优选的情况下，与镜体材料的膨胀系数相同。另外，镜筒结构，经过热处理，在-40至55℃的温度区间内时，径向形变在成像系统允许公差范围内，满足成像质量要求。在膨胀系数相同或相近，镜筒径向形变在允许范围内时，镜体和支撑结构、镜筒结构一起膨胀一起收缩，光路不会发生偏移。
Claims (9)
1.一种多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，包括：搜跟转台和成像系统，所述成像系统包括：离轴三反无焦镜组、分光镜、长波反射镜、长波红外探测器、中波反射镜和中波红外探测器，其中：
所述成像系统，设置于所述搜跟转台上，随着搜跟转台的转动而转动，通过设置于搜跟转台的光学窗口接收多波段光；
所述多波段光，经过离轴三反无焦镜组后，入射分光镜，分光镜对长波段光和中波段光进行分离，长波段光经过长波反射镜后在长波红外探测器上进行成像，中波段光经过中波反射镜后在中波红外探测器上进行成像；
搜跟转台转动的过程中，长波反射镜和中波反射镜通过反向转动抵消搜跟转台正向转动；
所述离轴三反无焦镜组采用多点柔性铰链结构进行支撑，离轴三反无焦镜组的镜筒结构和多点柔性铰链结构的材料的膨胀系数，与镜体材料的膨胀系数相比均在标准范围内。
2.根据权利要求1所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述成像系统还包括：长波红外聚焦镜组和中波红外聚焦镜组，长波红外聚焦镜组设置在长波反射镜与长波红外探测器之间的光路上，中波红外聚焦镜组设置在中波反射镜与中波红外探测器之间的光路上。
3.根据权利要求2所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述成像系统还包括：长波红外探测器冷光阑和中波红外探测器冷光阑，长波红外探测器冷光阑设置在长波红外聚焦镜组与长波红外探测器之间的光路上，中波红外探测器冷光阑设置在长波红外聚焦镜组与中波红外探测器之间的光路上。
4.根据权利要求3所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述成像系统还包括：非均匀性校正挡板和折叠镜组，非均匀性校正挡板设置在分光镜和离轴三反无焦镜组之间的光路上，折叠镜组设置在中波反射镜和中波红外聚焦镜组之间的光路上。
5.根据权利要求4所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述离轴三反无焦镜组的镜筒结构，经过热处理，在-40至55℃的温度区间内时，径向形变在成像系统允许公差范围内。
6.根据权利要求5所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述分光镜与入射的多波段光的光轴之间的夹角为45°。
7.根据权利要求6所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，长波红外探测器和中波红外探测器成像过程中，所述长波反射镜和中波反射镜的旋转角速度，与搜跟转台的旋转角速度，数值相同，方向相反。
8.根据权利要求7所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述成像系统还包括：转动机构，分别与长波反射镜和中波反射镜连接，用于带动长波反射镜和中波反射镜转动，同时测量转动角度。
9.根据权利要求8所述的多波段共孔径红外成像搜跟装置，其特征在于，所述成像系统还包括：图像处理器，用于接收探测器输出的图像，进行目标提取、跟踪和全景图像拼接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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