基于紅外連續(xù)變焦的坦克裝甲車夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜 平，趙翠玲，韓 晶，呂鵬飛

(1．海軍駐保定地區(qū)航空軍事代表室，河北 邯鄲 056028；2．河北省機(jī)器視覺與圖像理解工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056028；3．河北漢光重工有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056028)

基于紅外連續(xù)變焦的坦克裝甲車夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜 平1，趙翠玲2，3，韓 晶2，3，呂鵬飛2，3

(1．海軍駐保定地區(qū)航空軍事代表室，河北 邯鄲 056028；2．河北省機(jī)器視覺與圖像理解工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056028；3．河北漢光重工有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056028)

為了提高坦克裝甲車的夜間作戰(zhàn)能力，針對坦克裝甲車輛作戰(zhàn)范圍，設(shè)計(jì)了一種紅外連續(xù)變焦夜視系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進(jìn)行晝夜連續(xù)完全被動的監(jiān)控，能夠在全黑夜晚和惡劣天氣條件下使用，使車長在夜晚同樣可以完成觀察戰(zhàn)場、搜索目標(biāo)、指示目標(biāo)和實(shí)施超越射擊的任務(wù)。此紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)焦距在50～200 mm范圍內(nèi)的變化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)4倍光學(xué)連續(xù)變焦，且具有成像質(zhì)量高、體積小等特點(diǎn)，不僅能夠?qū)μ囟ǖ木拔镞M(jìn)行光學(xué)的放大縮小，并且在切換的過程中不會造成目標(biāo)的丟失。

光學(xué)設(shè)計(jì)；裝甲車輛；連續(xù)變焦；夜視系統(tǒng)

3．HebeiHang-guangIndustryCo.，Ltd.，HebeiHandan056028，China)

坦克裝甲車輛夜視系統(tǒng)經(jīng)歷了三代[1]。第一代為主動紅外裝置，缺點(diǎn)是隱蔽性不好，容易被敵方發(fā)現(xiàn)，成為攻擊的目標(biāo)。第二代為微光夜視儀(包括一代和二代像增強(qiáng)器)和微光電視，其缺點(diǎn)是微光夜視儀在無月光、星光夜晚的作用距離受到限制，并受煙霧影響，還不能發(fā)現(xiàn)偽裝目標(biāo)。第三代為紅外夜視系統(tǒng)[2]，它不僅能夠克服以上缺點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)“全被動、全天候”觀察，還具有識別偽裝，獲得關(guān)于目標(biāo)狀態(tài)信息以及根據(jù)目標(biāo)的熱特征而實(shí)現(xiàn)自動跟蹤目標(biāo)的能力，這對提高坦克裝甲車的作戰(zhàn)與生存能力具有特殊重要的意義。

本文結(jié)合坦克裝甲車輛的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一焦距為50～200 mm的長波連續(xù)紅外變焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小、成像質(zhì)量高等特點(diǎn)，在使用中既能為車長在搜索時提供最好的態(tài)勢了解，又能在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，調(diào)到小視場瞄準(zhǔn)跟蹤。在視場轉(zhuǎn)換過程中能夠保持圖像的連續(xù)性，對搜索和跟蹤高速運(yùn)動目標(biāo)是非常有利的。

1 紅外連續(xù)變焦夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2 變焦距系統(tǒng)原理

變焦系統(tǒng)的各組元一經(jīng)設(shè)計(jì)與加工之后，就是固定不變的，要實(shí)現(xiàn)變焦功能，只能改變各組元之間的空氣間隔。當(dāng)改變組元之間的間隔時，光學(xué)系統(tǒng)像面位置伴隨相應(yīng)移動。為了使像面位置不改變，需要有的組元作補(bǔ)償像面的移動。根據(jù)補(bǔ)償方式不同，變焦光學(xué)系統(tǒng)可分為光學(xué)補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償兩種。光學(xué)補(bǔ)償法的變焦系統(tǒng)是指通過一組或兩組透鏡的線性移動達(dá)到變倍的目的，當(dāng)像面位移量在系統(tǒng)焦深范圍內(nèi)時才能得到像面變動不大的系統(tǒng)，因此在實(shí)際使用中受到了很多限制。機(jī)械補(bǔ)償式變焦距系統(tǒng)則通過補(bǔ)償組作相對較小的非線性運(yùn)動來彌補(bǔ)光學(xué)系統(tǒng)變倍過程中的像面移動，因此像面相對穩(wěn)定。

機(jī)械補(bǔ)償法通常有正組補(bǔ)償和負(fù)組補(bǔ)償兩種補(bǔ)償形式(二組元移動情況下)。考慮到連續(xù)變焦系統(tǒng)變倍比不大，這里選擇機(jī)械補(bǔ)償法、負(fù)組補(bǔ)償?shù)淖兘菇Y(jié)構(gòu)。其原理圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)原理圖

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)要求工作波段為8～14 μm，選取常用紅外材料Ge、ZnSe作為光學(xué)系統(tǒng)的材料，鏡筒材料用鋁。通過3種光學(xué)材料和鏡筒材料的匹配以及非球面的合理使用，在沒有采用衍射等特殊光學(xué)元件的前提下，實(shí)現(xiàn)了紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]，圖2為紅外連續(xù)變焦鏡頭分別處于短焦?fàn)顟B(tài)、中焦?fàn)顟B(tài)及長焦?fàn)顟B(tài)時光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 連續(xù)變焦系統(tǒng)圖

整個紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)采用6個鏡片，其中第1面，第6面為非球面。光學(xué)系統(tǒng)無漸暈。

1.4 像質(zhì)評價(jià)

光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在短焦?fàn)顟B(tài)、中焦?fàn)顟B(tài)和長焦?fàn)顟B(tài)的MTF如圖3～圖5所示，截止頻率為20 lp/mm。從圖中可以看出，在變焦過程中，系統(tǒng)的MTF曲線均大于0.5并接近衍射極限，滿足使用要求。

圖3 短焦MTF

圖4 中焦MTF

圖5 長焦MTF

光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖見圖6，具體數(shù)值見表2。由此可見，在所有焦距位置全視場范圍內(nèi)彌散斑的均方根值(RMS) 都小于20 μm，能夠滿足高精度成像系統(tǒng)使用要求[4]。

圖6 點(diǎn)列圖

表2 彌散班直徑的均方根值

1.5 凸輪曲線

在變焦過程中凸輪曲線如圖7所示，橫坐標(biāo)表示凸輪橫向增量x，縱坐標(biāo)表示焦距變化。曲線1為系統(tǒng)的焦距變化，曲線2為變倍組的移動量，曲線3為補(bǔ)償組的移動量。從圖中可以看出，變倍組的曲線為直線，補(bǔ)償組的走向比較光滑，壓力角小于45°，能夠滿足機(jī)械傳動力學(xué)的要求，有易于光學(xué)系統(tǒng)成像精度的提高[5]。

圖7 凸輪曲線

2 總結(jié)

本文根據(jù)坦克裝甲車輛夜視系統(tǒng)的發(fā)展方向，提出了一種四倍紅外連續(xù)變焦夜視系統(tǒng)。該夜視系統(tǒng)在各個變焦位置具有較高的成像質(zhì)量，并且簡單的凸輪曲線設(shè)計(jì)可降低光學(xué)系統(tǒng)的加工和裝配難度，有利于提高光學(xué)系統(tǒng)的成像精度[6]。連續(xù)變焦夜視系統(tǒng)的使用，便于對同一物體進(jìn)行光學(xué)的放大和縮小，使同一個鏡頭既能大范圍的搜索，又能進(jìn)行目標(biāo)放大識別，且在視場切換的過程中不會造成目標(biāo)的丟失，有利于車長在夜晚或惡劣條件下完成觀察戰(zhàn)場、搜索目標(biāo)、指示目標(biāo)和實(shí)施超越射擊的任務(wù)。同時非制冷成像組件的使用，減少了夜視系統(tǒng)的成本、重量、體積大小，降低了其復(fù)雜性、耗電量，對坦克裝甲車輛夜視系統(tǒng)的升級具有重要意義。

[1] 蘭長羽，孫旭.坦克與戰(zhàn)爭[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[2] 陳堅(jiān). 坦克TOP-10經(jīng)典武器[M].北京：解放軍出版社，2004.

[3] 吳曉靖，孫赤全.紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)與外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程， 2002， 31(3)： 249-252.

[4] 譚樹人，張茂軍.高分辨力全向視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)， 2008， 32(10)： 88-90.

[5] 孫樂民，薛永林.超高清數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電視技術(shù)， 2008， 36(6)： 17-20.

[6] 李超.超高清晰度電視與三維電視進(jìn)展[J].電視技術(shù)，2011，35(22)： 19-24.

杜 平(1974— )，工程師，主研火控系統(tǒng)及光電系統(tǒng)；

趙翠玲(1985— )，女，高級工程師，主研電視成像系統(tǒng)及紅外探測成像系統(tǒng)；

韓 晶(1981— )，工程師，主研機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

呂鵬飛(1985— )，工程師，主研控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Night View System Design of Armored Vehicle Based on Infrared Zoom

DU Ping1， ZHAO Cuiling2，3， HAN Jing2，3， Lü Pengfei2，3

(1．NavyAeronauticsMilitaryRepresentativeOfficeinBaoding，HebeiHandan056028，China；2．HebeiEngineeringTechnicalResearchCentreforMachineVisionandImageUnderstanding，HebeiHandan056028，China；

An infrared zoom system has been designed that aimed at the tactical range of armoured vehicles to improve the operational capability of armoured vehicles in the nighttime， the system can be completely passive and continuous monitoring day and night， and also to be used at night and the conditions of bad weather， the conductor can accomplish the task of observing battleground，searching for target pointing out target and implementing overhead fire. This infrared zoom system can realize the focus at 50～200 mm， 4 times optical continuous zoom， and has the characteristic of high image quality and small volume， not only realize optical magnification and dwindle aimed at special scenery， but also the target can′t lose when switching.

optical design； armored vehicle； zoom； night view system

【本文獻(xiàn)信息】杜平，趙翠玲，韓晶，等.基于紅外連續(xù)變焦的坦克裝甲車夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(11).

TN911;TH74；O435.2

A

10.16280/j.videoe.2015.11.017

2014-10-08