CN114966615B - 强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统 - Google Patents

强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统 Download PDF

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Abstract

强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，属于光电对抗及预警探测领域，包括成像光学镜组、屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅、光学探测器和DSP图像识别处理器；屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅、光学探测器像面均与主光轴成90度；光学探测器像面中心与主光轴重合；入射光依次经成像光学镜组、屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅和光学探测器进入DSP图像识别处理器。本发明采用双舱型设计，解决了传统光学探测系统在不低于800KV/m的强电磁脉冲使用环境下因受到毁伤或者干扰而不能成像或对弱小目标无法探测的问题，实现强电磁脉冲等复杂环境下抑制背景和检测弱小目标的目的，提升了光电探测系统的使用效能。

Description

强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统
技术领域
本发明属于光电对抗及预警探测技术领域，具体涉及一种强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统。
背景技术
光电系统想发挥其使用效能，必须要抗住微波系统的强辐射才能与其协同使用。目前现有光电探测系统抗强电磁设计存在以下问题：
一、传统设计是在光电探测系统入瞳玻璃的最前端进行镀强电磁屏蔽膜，如公开号为CN113411479A的中国专利《一种用于真空、低温、强电磁场环境的摄像装置》所公开的一种摄像装置，该装置的设计可在一定程度上衰减电磁波的部分强度（按照常规前端镀强电磁屏蔽膜衰减效果为20dB，一般阈值为2KV/m）下可以成像，但是超过屏蔽阈值，需要增加电磁屏蔽膜层网格栅的密集程度，导致光学透过率大幅下降，弱小目标无法成像。
二、在强电磁脉冲环境下，一般会考虑传输屏蔽，通常进行电光转换，转化成光信号进行光纤传输，或是通过接地处理，组合各种过频段的滤波器滤除有限的电磁噪声，但是强电磁脉冲（不低于800KV/m）会在电信号转换成光信号之前就通过辐射、有线传导、接地耦合进行传到探测器或电子学系统，进行毁伤或降低信噪比，后端的信号处理根本无法生成多帧图像序列，无法对弱小目标进行成像、探测、跟踪与识别，如公开号为CN213545019U的中国专利《一种光学结构电磁屏蔽窗口及检测控制系统》，采取将透过电磁波、反射入射光的设计思路，这种设计在理想电磁波和光波水平射入时起到一定效果，但是实际入射干扰电磁波是四面八方来向，而且对于这种镀膜工艺提出了很高的要求，因此电磁波衰减率只能达到19dB，若想要达到更好的屏蔽效能，只能通过多组透过电磁波、反射入射光的组镜进行衰减，导致光学设计体积过大，总光学透过率下降，无法对弱小目标进行探测识别。
据了解在本发明之前，国内没有相关可以在强电磁脉冲环境下（不低于800KV/m）探测弱小目标的光电探测系统的报道。
发明内容
为了提高在强电磁脉冲环境下光电跟踪系统的使用效能，实时有效的得到图像信息，并对弱小目标进行探测识别，本发明提供一种强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，包括：成像光学镜组、屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅、光学探测器和DSP图像识别处理器；所述屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅、光学探测器像面均与系统主光轴成90度设置；所述光学探测器像面中心与系统主光轴重合；入射光线依次经成像光学镜组、屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅和光学探测器后进入DSP图像识别处理器。
进一步的，还包括：遮光罩、光学舱和电子舱；所述光学舱和电子舱均设置在遮光罩内部，所述成像光学镜组设置在光学舱内部，所述屏蔽光学窗口设置在光学舱和电子舱的物理分界处，所述截止波导管、截止格栅、光学探测器和DSP图像识别处理器均设置在电子舱中。
进一步的，所述遮光罩经导电氧化处理后，用黑色丙烯酸聚氨酯无光漆进行喷漆处理；所述光学舱和电子舱均采用镀镍铝性材料制作；所述光学舱和电子舱均采用模压一体式金属导电密封圈进行填充。
进一步的，所述成像光学镜组包括沿主光轴传播方向依次设置的第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组、调焦组、第一反射镜组、第二反射镜组和后透镜组；所述第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组、调焦组均与主光轴成90度设置，所述第一反射镜组、第二反射镜组均与主光轴成45度设置；入射光线依次经第一前透镜组透过、第二前透镜组透过、变倍组折射、补偿组补偿、调焦组补偿、第一反射镜组反射、第二反射镜组反射、后透镜组二次成像、屏蔽光学窗口进入到电子舱。
进一步的，所述第一前透镜组采用一片正透镜，材料为硅；所述第二前透镜组采用一片负透镜，材料为锗；所述变倍组采用一片负透镜，采用非球面形式，通过变倍组折射光线、改变入射像高、改变系统焦距；所述补偿组采用两片正透镜组合形式，其中一片正透镜采用非球面形式，通过补偿组补偿变倍组前后移动带来的像面移动，并进行残余像差矫正；当变倍组和补偿组相互靠近时系统视场减小，焦距增大；当变倍组和补偿组相互远离时系统视场增加，焦距减小；通过调焦组补偿系统的像面移动和对焦操作。
进一步的，所述第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组、调焦组、后透镜组表面均镀有增透膜；所述第一反射镜组和第二反射镜组表面均镀有高反膜。
进一步的，所述屏蔽光学窗口是一块镀有屏蔽金属网格栅和增透膜的窗口玻璃，当屏蔽金属网格栅厚度 t 远小于线宽 2a，且线宽2a远小于线周期 g 时，则屏蔽金属网格栅的电磁屏蔽效率S为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中，λ为：入射波长，g：为线周期，
Figure 927472DEST_PATH_IMAGE002
为：半线宽。
进一步的，所述截止波导管呈现圆形，直径为24mm，长度L为18mm，截止频率为fc =17.6 ×109 / d，式中，d为截止波导管的内直径，单位cm，fc为7.33GHz，得到截止波导管的理论屏蔽为23.76dB。
进一步的，所述截止格栅采用16目的屏蔽网格。
进一步的，所述光学探测器采集光信号，将其在给定积分条件下进行电信号的转换，输出模拟视频，再经DSP图像识别处理器实现A/D转换、信号滤波降噪、电光转换，以光纤视频信号形式输出。
本发明的有益效果是：
本发明的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统主要包括遮光罩、光学舱、成像光学镜组、屏蔽光学窗口、电子舱、截止波导管、截止格栅、光学探测器和DSP图像识别处理器。通过遮光罩抑制入瞳杂散光；通过光学舱对接收光路进行整理汇聚与方向改变；成像光学镜组由透射式和双反射式镜片等组成，通过第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组等实现变倍、补偿与调焦，通过第一反射镜组和第二反射镜组进行折返成像与光方向改变；通过屏蔽光学窗口可将光学舱和电子舱进行物理隔离，同时将强电磁脉冲辐射强度进行初步衰减抑制；通过截止波导管对强电磁脉冲进行截止或衰减；通过截止格栅进一步降低、衰减强电磁脉冲辐射强度；通过光学探测器接收靶的光学图像信息；通过DSP图像识别处理器进行弱小目标的检测识别。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、光电探测系统采用双舱型设计，解决了传统光学探测系统在强电磁脉冲（不低于800KV/m）使用环境下，因受到毁伤或者干扰而不能成像或者对弱小目标无法探测的问题，实现强电磁脉冲等复杂环境下，抑制背景和检测弱小目标的目的。
2、通过合理设计屏蔽光学窗口、截止波导管及截止格栅等，使得光电探测系统光学总透过率可达0.76，对强电磁脉冲可衰减约为230dB。
3、光电探测系统不仅可对抗敌方的强电磁脉冲辐照，也可与我方微波系统在自身强辐射环境下协同使用，大幅提升光电探测系统的使用效能。
附图说明
图1为本发明的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统的结构组成示意图。
图2为成像光学镜组的光路示意图。
图中：1、遮光罩，2、光学舱，2-1、第一前透镜组，2-2、第二前透镜组，2-3、变倍组，2-4、补偿组，2-5、调焦组，2-6、第一反射镜组，2-7、第二反射镜组，2-8、后透镜组，3、屏蔽光学窗口，4、电子舱，5、截止波导管，6、截止格栅，7、光学探测器，8、DSP图像识别处理器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统主要包括：遮光罩1、光学舱2、成像光学镜组、屏蔽光学窗口3、电子舱4、截止波导管5、截止格栅6、光学探测器7和DSP图像识别处理器8。光学舱2和电子舱4均设置在遮光罩1内部，成像光学镜组设置在光学舱2内、屏蔽光学窗口3设置在光学舱2和电子舱4的物理分界处，截止波导管5、截止格栅6、光学探测器7和DSP图像识别处理器8均设置在电子舱4中。其中，屏蔽光学窗口3、截止波导管5、截止格栅6、光学探测器7的像面均与主光轴A成90度设置，光学探测器7的像面中心与主光轴A相重合。成像光学镜组、屏蔽光学窗口3、截止波导管5、截止格栅6和光学探测器7依次沿着主光轴A的传播方向设置。
遮光罩1经导电氧化（Ct.Ocd）处理后再做黑色丙烯酸聚氨酯无光漆喷漆处理，主要起到除静电磁场的干扰、屏蔽外部强磁场的作用。
光学舱2与电子舱4组成整机主体，光学舱2与电子舱4均采用镀镍的铝性材料制作，以增强整机的导磁性，光学舱2与电子舱4全部采用模压一体式金属的导电密封圈进行填充。有效入瞳光学信号伴随强电磁脉冲进入到光学舱2，遮光罩1起到抑制入瞳杂散光的作用，光学舱2起到截止或衰减强电磁波、导通光信号的作用；电子舱4起到二次隔离作用，进一步衰减强电磁波，保护易受干扰的电子学部分，起到除静电磁场的干扰、屏蔽外部强磁场的作用。
如图2所示，成像光学镜组主要由第一前透镜组2-1、第二前透镜组2-2、变倍组2-3、补偿组2-4、调焦组2-5、第一反射镜组2-6、第二反射镜组2-7、后透镜组2-8组成。沿着主光轴A的传播方向依次设置有第一前透镜组2-1、第二前透镜组2-2、变倍组2-3、补偿组2-4、调焦组2-5、第一反射镜组2-6、第二反射镜组2-7、后透镜组2-8和屏蔽光学窗口3，其中，第一前透镜组2-1、第二前透镜组2-2、变倍组2-3、补偿组2-4、调焦组2-5均与主光轴A成90度设置，第一反射镜组2-6、第二反射镜组2-7均与主光轴A成45度设置。入射光线依次经过第一前透镜组2-1、第二前透镜组2-2、变倍组2-3、补偿组2-4、调焦组2-5、第一反射镜组2-6、第二反射镜组2-7、后透镜组2-8、屏蔽光学窗口3进入到电子舱4。
本实施方式中，第一前透镜组2-1采用一片正透镜，材料为硅；第二前透镜组2-2采用一片负透镜，材料为锗。第一前透镜组2-1和第二前透镜组2-2主要用于接收成像光束。
本实施方式中，变倍组2-3采用一片负透镜，该负透镜采用非球面形式。变倍组2-3主要用于折射光线，以改变入射像高，通过前后移动变倍组2-3可实现改变镜组间间隔达到改变系统焦距的目的。
本实施方式中，补偿组2-4采用两片正透镜组合形式，其中一片正透镜采用非球面形式。补偿组2-4主要用于补偿变倍组2-3的前后移动带来的像面移动，并进行残余像差的矫正。当变倍组2-3和补偿组2-4相互靠近时系统视场减小，焦距增大；反之，当变倍组2-3和补偿组2-4相互远离时系统视场增加，焦距减小。
本实施方式中，通过前后移动调焦组2-5来补偿整个系统在不同温度下由于材料的热胀冷缩导致的像面移动和对于不同成像距离的目标的对焦操作。
本实施方式中，入射光线经过第一反射镜组2-6反射后进入到第二反射镜组2-7，被第二反射镜组2-7反射后进入到后透镜组2-8。
本实施方式中，后透镜组2-8主要用于二次成像，实现系统总长的延长以及改变成像的物象坐标关系。
本实施方式中，不同的光学镜片材质采用光学镀膜措施，即第一前透镜组2-1、第二前透镜组2-2、变倍组2-3、补偿组2-4、调焦组2-5、后透镜组2-8表面均镀有增透膜，第一反射镜组2-6和第二反射镜组2-7表面均镀有高反膜，增加透过率和反射率。
光学信号经过后透镜组2-8后进入到屏蔽光学窗口3，屏蔽光学窗口3是一块镀有屏蔽金属网格栅和增透膜的窗口玻璃，当屏蔽金属网格栅的厚度 t 远小于线宽 2a，且线宽2a又远小于线周期 g 时，则屏蔽金属网格栅的电磁屏蔽效率S为：
Figure 861930DEST_PATH_IMAGE001
式中，λ为：入射波长，g：为线周期，
Figure 58556DEST_PATH_IMAGE002
为：半线宽。
如果需防护强电磁波频率在50MHz-1GHz，则屏蔽金属网格栅的直径为24mm，厚度t为4μm，线宽2a为12μm，1GHz电磁屏蔽效率为106dB，50MHz电磁屏蔽效率为158dB。屏蔽金属网格栅起到衍射光栅的作用，产生衍射级序。由于屏蔽金属网格栅尺寸很小，因此屏蔽金属网格栅设置时不用很密集。屏蔽光学窗口3的透过率可达0.87，光电探测系统的光学总透过率可达0.76。
光线经过屏蔽光学窗口3后进入到电子舱4，光线沿水平方向与主光轴A平行，光线方向改变180度后进入到截止波导管5；截止波导管5呈现圆形，直径为24mm，长度L为18mm，截止波导管5的截止频率为fc = 17.6 ×109 / d，式中，d为截止波导管5的内直径，单位cm，fc为7.33GHz，最后得到截止波导管5的理论屏蔽为23.76dB，工程略小于理论屏蔽大约20dB的衰减。
光线经过截止波导管5后进入到截止格栅6，截止格栅6中，当N个尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距离小于L /2，L为截止波导管5长度）时，孔洞阵列的屏蔽效能会下降，下降数值为10lgN。本实施方中，截止格栅6选用16目的屏蔽网格，可衰减大约40dB。因此，系统总屏蔽衰减效能为：屏蔽光学窗口3可增加至少150dB衰减，截止波导管5可增加20dB衰减，截止格栅6可增加40dB衰减，系统自身及导电密封材料有20dB衰减，总体可衰减大约230dB。根据光电探测系统可在EMC试验中200V/m保持正常工作，因此计算出在不小于800KV/m条件下保持正常工作需要大约72dB的衰减，SE = 20lg (E1 / E2)（SE为屏蔽效能，E1为屏蔽前电磁入射强度，E2为屏蔽后电磁衰减强度），系统加固防护后理论上有230dB衰减量，可保护系统中的电子学部分不被强电磁脉冲干扰或毁伤。
光学信号伴随衰减后的微弱电磁脉冲进入到光学探测器7中，光学探测器7进行光线的采集，并将采集到的光信号（靶的光学图像信息）在给定积分条件下进行电信号的转换，输出模拟视频，经DSP图像识别处理器8实现A/D转换、信号滤波降噪、电光转换，最终以光纤视频信号形式输出。
DSP图像识别处理器8具有图像增强、检测识别等功能，可保证系统的实时性，同时可实现强电磁脉冲等复杂环境下抑制背景和检测弱小目标的目的。
本发明的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其光学主口径为φ220mm，视场从6.2度×5.0度到0.6度×0.5度，公差±5%；焦距88mm到880mm，公差±5%。从入瞳口径的φ220mm降低到转折入射的φ50mm，再进一步减小到光学输出的φ24mm进入到截止波导管5，实现强电磁脉冲的截止波导作用，并且逐级增加，通过工艺保证单面的透过率可达99﹪以上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，包括：成像光学镜组、屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅、光学探测器和DSP图像识别处理器；所述屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅、光学探测器像面均与系统主光轴成90度设置；所述光学探测器像面中心与系统主光轴重合；入射光线依次经成像光学镜组、屏蔽光学窗口、截止波导管、截止格栅和光学探测器后进入DSP图像识别处理器；
还包括：遮光罩、光学舱和电子舱；所述光学舱和电子舱均设置在遮光罩内部，所述成像光学镜组设置在光学舱内部，所述屏蔽光学窗口设置在光学舱和电子舱的物理分界处，所述截止波导管、截止格栅、光学探测器和DSP图像识别处理器均设置在电子舱中。
2.根据权利要求1所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述遮光罩经导电氧化处理后，用黑色丙烯酸聚氨酯无光漆进行喷漆处理；所述光学舱和电子舱均采用镀镍铝性材料制作；所述光学舱和电子舱均采用模压一体式金属导电密封圈进行填充。
3.根据权利要求1所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述成像光学镜组包括沿主光轴传播方向依次设置的第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组、调焦组、第一反射镜组、第二反射镜组和后透镜组；所述第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组、调焦组均与主光轴成90度设置，所述第一反射镜组、第二反射镜组均与主光轴成45度设置；入射光线依次经第一前透镜组透过、第二前透镜组透过、变倍组折射、补偿组补偿、调焦组补偿、第一反射镜组反射、第二反射镜组反射、后透镜组二次成像、屏蔽光学窗口进入到电子舱。
4.根据权利要求3所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述第一前透镜组采用一片正透镜，材料为硅；所述第二前透镜组采用一片负透镜，材料为锗；所述变倍组采用一片负透镜，采用非球面形式，通过变倍组折射光线、改变入射像高、改变系统焦距；所述补偿组采用两片正透镜组合形式，其中一片正透镜采用非球面形式，通过补偿组补偿变倍组前后移动带来的像面移动，并进行残余像差矫正；当变倍组和补偿组相互靠近时系统视场减小，焦距增大；当变倍组和补偿组相互远离时系统视场增加，焦距减小；通过调焦组补偿系统的像面移动和对焦操作。
5.根据权利要求3所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述第一前透镜组、第二前透镜组、变倍组、补偿组、调焦组、后透镜组表面均镀有增透膜；所述第一反射镜组和第二反射镜组表面均镀有高反膜。
6.根据权利要求1所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述屏蔽光学窗口是一块镀有屏蔽金属网格栅和增透膜的窗口玻璃，当屏蔽金属网格栅厚度 t 远小于线宽 2a，且线宽2a远小于线周期 g 时，则屏蔽金属网格栅的电磁屏蔽效率S为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，λ为：入射波长，g为：线周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为：半线宽。
7.根据权利要求1所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述截止波导管呈现圆形，直径为24mm，长度L为18mm，截止频率为fc = 17.6×109 / d，式中，d为截止波导管的内直径，单位cm，fc为7.33GHz，得到截止波导管的理论屏蔽为23.76dB。
8.根据权利要求1所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述截止格栅采用16目的屏蔽网格。
9.根据权利要求1所述的强电磁脉冲环境下可检测弱小目标的双舱型光电探测系统，其特征在于，所述光学探测器采集光信号，将其在给定积分条件下进行电信号的转换，输出模拟视频，再经DSP图像识别处理器实现A/D转换、信号滤波降噪、电光转换，以光纤视频信号形式输出。
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