一種用于目標探測跟蹤的紅外變焦系統設計

摘要：針對軍用裝備目標探測的應用需求，設計了一種15倍非制冷式紅外變焦系統。該變焦系統工作于8～12 μm遠紅外波段，F數為3，在20～300 mm范圍內系統能夠連續變焦且像質較好，在最大截止頻率為11 lp/mm時，各焦距位置的MTF曲線與衍射極限十分接近。在長焦距、大變倍比的前提下，結構依然緊湊，總長度有效控制在330 mm。在給定公差范圍內，像質變化滿足實際應用允許的變化范圍。最后，該系統與聯合變換相關器相結合，完成了對目標的探測實驗。實驗結果表明，該紅外變焦系統能夠很好地探測識別目標。

關鍵詞：紅外變焦系統；遠紅外；光學設計；目標探測；目標跟蹤；聯合變換相關器

中圖分類號：TJ760；TN215 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0027-05

0、引言

近年來，隨著光學相關技術的迅猛發展，越來越多的武器裝備將紅外變焦系統和聯合變換相關器結合在一起對目標進行探測與跟蹤。紅外變焦系統是武器瞄準系統的重要組成部分，能夠連續獲取特定焦距范圍內目標的紅外輻射能量，既可大視場搜索視野區域，也可小視場詳察目標。聯合變換相關器對變焦系統的成像進行圖像處理后可獲取目標位置與俯仰角等重要信息，火控跟蹤系統以此為依據完成精確制導。可以說，紅外變焦系統的成像質量決定著目標識別精度的高低，同時制約著武器裝備戰斗能力的強弱。

國外對紅外變焦系統有相當多的研究，如BarrStroud公司針對8～13 μm遠紅外波段設計了一系列應用于掃描系統的變焦鏡頭，能夠達到10倍最佳變焦比。Wescan公司針對3～5 μm中紅外波段設計了一款F數為4的20倍變焦系統，焦距在20～400 mm范圍內變化。國內對變焦系統的研究起步較晚，但發展迅速，目前已有多家單位具備紅外變焦系統設計和加工的能力。浙江大學光學工程中心設計了一種F數為2的遠紅外波段變焦系統，變倍比為3，焦距在32～96 mm間連續變化。針對折反式的變焦結構，長春光機所研發了一種遠紅外波段的大口徑變焦系統，焦距在750～3000 mm的范圍內變化。

對于紅外圖像采集的變焦系統來說，存在紅外光學材料種類較少且價錢昂貴等限制，在兼顧應用所需變焦比的同時，還要使系統具有大相對孔徑，從而獲取足夠的光通量完成遠距離目標探測。本文基于武器裝備瞄準系統的需求設計了一款變倍比為15的紅外變焦光學系統，F數為3，焦距在20～300 mm范圍內連續變化。該系統由七片透鏡組成，成像質量較好，結構緊湊。將聯合變換相關器和紅外變焦物鏡結合在一起，突出紅外變焦系統連續跟蹤目標圖像，聯合變換相關器精準識別定位目標的優勢，完成瞄準系統的設計。

1、原理

1.1 聯合變換相關器

聯合變換相關器是一種用于目標識別的光電混合系統，整個系統依照光學相關原理進行工作，利用數學方法對所接收信號的波長、相位以及強度等信息進行相關運算，最終得到相關峰輸出，從而完成復雜區域內目標的探測跟蹤。

圖1所示為聯合變換相關器工作原理圖，激光束經衰減器、準直透鏡組、偏振器等裝置進行調制得到準直相干光，經半反半透鏡分為兩條光路，作為兩次傅里葉變換的照明光源。PCI中存儲著與探測目標相同的參考圖像，由光學系統采集到待測區域的圖像信息，經電腦制作與參考圖像合為一張聯合圖像后一起寫入電尋址液晶EAL-CD1，聯合圖像經一次傅里葉變換得到聯合變換功率譜，由探測器CCD2接收并存儲到PC2中，再將聯合變換功率譜寫入電尋址液晶EALCD2，經傅里葉逆變換，得到相關輸出，被探測器CCD3獲取傳輸到PC3中。當聯合圖像經過衍射現象和傅里葉透鏡共同作用之后會得到二者的相關峰輸出，通過觀察相關峰的強度，確定參考圖像與被測目標之間的一致性。若待測區域內不存在被測目標，則沒有相關輸出。相關輸出的兩個亮斑越明顯，則探測到目標的可能性就越大，反之，則探測范圍內存在目標的可能性較小。

1.2 變焦距光學系統

變焦距光學系統的焦距在限定范圍內可進行改變，對于不同焦距位置，系統視場角不同，所觀測到的景物大小也不同。為了保證變焦過程中像面位置穩定不變，需要某些組元作相對運動來補償變焦過程產生的像面移動。采用機械補償方法的變焦系統中，各運動組元按照復雜規律運動實現系統變焦以及像移補償，在一定焦距范圍內能夠連續變焦，相對孔徑基本不變，像面位置不發生變化。這種光學系統每個組元的光焦度均為定值，通過使運動組元作相對運動而改變各組元空氣間隔，從而有效改變系統焦距。

以典型的四組元系統為例對變焦方程進行分析，只討論產生像面位移的運動組元，變焦方程見式（1）。假設變倍組移動曲的距離，引起整個變焦部分的像面位移量為m²₃（1-m²₃）dq，補償組的非線性移動距離由d△表示，它所引起的像移量為（1-m²₃）d△。保證系統像面位置穩定不變，兩個運動組元產生的像移量之和必須為零。

其中：m₂——變倍組的垂軸倍率：

m²₃——補償組的垂軸倍率。

對變焦方程求解，得通解：

假設變倍組和補償組的變焦起始位置位于系統長焦，此時，m₂=m_2l，m₃=m_3l，可得

將式（2）和式（3）進行減法運算，得變焦方程特解：

以補償組的倍率為自變量建立方程：

對式（5）求解，得到互為倒數的兩個根，該結果與物像交換原則相一致。

2、紅外變焦光學系統設計

2.1 設計參數

本文研究的裝備瞄準系統，針對目標的長波紅外輻射進行探測識別，既可大視場搜索視野區域，也可小視場詳察目標。變焦光學系統接收目標的紅外福射能量后，由聯合變換相關器對接收信號進行光學相關處理，得到目標與參考圖像的一對相關輸出，以此為依據完成制導對象的識別和位置判斷。

通常來說，紅外光學系統盡量采用大相對孔徑設計，確保盡量多的光通量進入系統，以此彌補熱輻射能量微弱的特點。本文根據瞄準系統的總體指標制定光學參數，該系統以8～12 μm長波紅外作為工作波段，主要承擔實時獲取目標紅外輻射的作用。為擴大該瞄準系統的探測范圍，提升其遠距探測能力，本文設計的光學系統在20～300mm焦距范圍內進行15倍連續變焦，采用機械補償方式補償變焦過程中產生的像面漂移，相對孔徑為3。選用320×240元的非制冷式紅外探測器成像，像元尺寸為45 μm×45 μm，參照空間頻率計算公式求得，該探測器具有11 lp/mm的極限分辨能力。系統具體參數見表1。

2.2 設計過程

通過查找專利庫選取初始結構，該初始結構由九片透鏡組成，材料均為鍺紅外材料。初始系統結構和成像質量如圖2所示，MTF曲線比較低，且出現相位反轉的偽分辨現象，像質不符合要求。應用Zemax軟件作為優化工具，通過人工調校與自動優化相結合的方法修改初始結構，參照軟件自帶像質評價功能對成像質量進行評估。

紅外光學材料價錢昂貴，且光線在經過多片透鏡后會有部分能量損耗，從降耗、減重、降本等多方面考慮，將初始結構的九片透鏡結構優化為七片式結構，系統總長約束為330 mm，系統緊湊，可在有限空間內進行應用。前固定組選用一片聚焦透鏡，有效降低第二個組元（變倍組）上光線的入射高度，增加整個系統的視場角。變倍組在移動過程中承擔光線偏角的變化量較大，所以依然保持兩片透鏡組合形式，正彎月透鏡與負彎月透鏡相互抵消自身產生的球差，同時也抵消了部分來自于前固定組的負球差。補償組含一片負彎月透鏡，兩運動組元相對位置變化，從而完成系統變焦。后固定組總光焦度為正，應用三片透鏡較好地校正自身像差和補償其他透鏡組剩余的正球差和軸外像差，同時有效縮短系統總長，并保證足夠長的后截距。

色差是影響成像質量的重要因素之一，通常在光學系統中采用兩種或兩種以上光學材料能夠有效校正色差。硫化鋅是長波紅外比較常見的光學材料，通常會將其作為負透鏡材料。系統的初始結構中透鏡材料較單一，均為鍺材料，無法校正色差，在后固定組中選取一片負透鏡替換為硫化鋅材料，經優化設計校正系統色差，成像質量得以改善。光學系統鏡片個數減少，使得個別透鏡曲率增大，各個面承擔的光線偏折角也有所增加，由此容易導致過大的高級像差。對系統中較敏感的面引入偶次非球面，以球面作為基底，二次項設置為變量進行優化，校正高級像差。該系統變焦范圍較大，在焦距值每隔20 mm的位置便設置多重結構，確保仿真結果不失真，便于擬合平滑的凸輪曲線。經反復優化設計，最終得到符合技術指標、像質較好的光學系統，變焦系統最終設計結果的結構示意圖見圖3，多重結構參數如表2所示。

2.3 像質分析

通過多種性能指標考量成像系統的像質，兼顧每種類別的像差，將它們優化到一定范圍內，則認為符合成像要求。本文通過三種綜合評價函數來分析該系統的像質是否理想。

（1）MTF曲線

調制傳遞函數是能夠對像質進行綜合評估的性能判別依據，MTF曲線體現了不同空間頻率下光學系統具有怎樣的對比度傳遞能力。圖4為系統調制傳遞函數曲線，在11 lp/mm截止頻率處觀察系統短、中、長焦三個位置，零視場、0.707視場和全視場的MTF曲線均高于0.5，其中中焦位置MTF曲線幾乎與衍射極限重合，表明系統的設計結果比較理想。

（2）點列圖

實際光學系統沒有辦法完全消除像差，物點經過光學鏡頭后在像面呈現許多離散的彌散斑圖樣，通過觀察彌散斑的離散程度可以判別系統像質的高低。圖5為不同焦距時變焦系統的點列圖，對于短、中、長焦處彌散斑最大均方根半徑分別為11.982 μm，11.002 μm和20.225 μm，多數能量聚集在艾里斑之內，且能夠落在一個像敏單元內，據此成像質量達到系統要求。

（3）波像差

根據瑞利判據得知，如果波像差的最大值小于四分之一波長，則認為波面偏離程度在允許范圍內。圖6為設計結果的波像差示意圖，短、中、長焦的最大波像差分別為0.0514λ，0.0326λ和0.1587λ，均小于0.25λ。但是由于瑞利判據僅關注波像差的極大值，而忽略了波面上的局部缺陷對整體造成的影響，在某些時候可能會過大估計系統的像差值。所以在對像質評估過程中，往往要綜合多種評價函數一起對像質進行正確判斷。

2.4 凸輪曲線

凸輪機構帶動變倍組和補償組一起作特定規律的相對運動，實現光學系統連續變焦。在變焦范圍內，本文應用插值法對系統構建多個焦距位置，應用Matlab軟件繪制擬合曲線，以此作為凸輪加工依據，凸輪曲線如圖7所示。此時以20 mm短焦位置作為初始點，縱坐標為變倍組的線性移動距離，橫坐標為兩運動組元相對于初始點的位置。當系統由20 mm短焦向300 mm長焦位置變化的過程中，位于兩端的運動組元逐漸靠近，然后一起向右側移動，在靠近長焦位置處兩組元具有最小空氣間隔。

3、實驗結果

將紅外變焦物鏡與聯合變換相關器相結合構建實驗臺，在野外進行紅外目標探測性能試驗。將紅外變焦物鏡采集到的實際圖像與參考圖像經電腦合成為一張聯合圖像（如圖8所示），將其輸入聯合變換相關器，經一次傅里葉變換得到如圖9所示的聯合變換功率譜，聯合變換功率譜經過傅里葉逆變換，得到圖10中二、四象限的一對相關峰輸出，表明已探測到目標。根據相關峰相對于坐標的位置，計算目標位置、方位角及俯仰角等重要信息，火控跟蹤系統根據實時采集和計算的參數對目標進行精準打擊。

4、結論

非制冷式紅外變焦系統與聯合變換相關器相結合作為某武器裝備的瞄準系統應用，對8～12Ixm波段的目標紅外輻射進行采集與處理，得到目標位置及俯仰角等重要信息。該系統能夠在20～300 mm的大焦距范圍內實現連續變焦，F數為3。系統成像質量較好，且結構緊湊，在15倍大變焦比的技術要求下，總長僅為330 mm，有效節約了武器裝備內部可利用空間。通過對系統進行長焦距和大變倍比的設計來擴大瞄準系統的探測區域，通過焦距實時變化而減少探測盲點，最終達到靈活偵察目標的目的。