溫度變化對(duì)紅外成像的影響分析

陳銀君

(海軍駐南昌地區(qū)航空軍事代表室　南昌　330024)

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溫度變化對(duì)紅外成像的影響分析

陳銀君

(海軍駐南昌地區(qū)航空軍事代表室南昌330024)

摘要闡述了紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的功用和成像特點(diǎn),分析了紅外光學(xué)元件的熱效應(yīng),論證了溫度變化對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量和系統(tǒng)性能造成的影響,推導(dǎo)出了工程應(yīng)用計(jì)算公式,以便對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)估,進(jìn)而采取合理的補(bǔ)償方案。

關(guān)鍵詞紅外成像; 熱效應(yīng)分析; 溫度變化; 光學(xué)系統(tǒng)

Analysis of Influence of Temperature Change on the Infrared Imaging

CHEN Yinjun

(Naval Aviation Military Representative Office in Nanchang, Nanchang330024)

AbstractThe functions and characteristics of infrared imaging optical system are described. The thermal effect of infrared optical element is analyzed. The effect of temperature caused by the change of performance of optical imaging quality and system are demonstrated. A formula is derived to calculate the engineering application, in order to estimate system performance, and take reasonable compensation scheme.

Key Wordsinfrared imaging, thermal analysis, temperature change, optical system

Class NumberTN213

1引言

紅外成像系統(tǒng)的作戰(zhàn)使命任務(wù)隨著戰(zhàn)爭形態(tài)變化而發(fā)生變化,在目標(biāo)監(jiān)視、防天防空、目標(biāo)識(shí)別、打擊評(píng)估和預(yù)警探測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,總體趨勢(shì)是多向分化和范圍擴(kuò)展[1]。完整的紅外熱成像系統(tǒng)由紅外焦平面探測(cè)器和紅外成像電子學(xué)組件組成,紅外成像電子學(xué)組件極易受內(nèi)部環(huán)境溫度影響,成像元件本身帶有制冷設(shè)備,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的溫升,外成像系統(tǒng)中紅外成像電子組件極易受內(nèi)部環(huán)境溫度影響。此外,外部環(huán)境溫度的變化也會(huì)對(duì)成像系統(tǒng)產(chǎn)生影響,其主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是環(huán)境溫度的變化使紅外系統(tǒng)的殼體產(chǎn)生變形;二是熱量經(jīng)過殼體傳遞到系統(tǒng)內(nèi)部,影響成像質(zhì)量[2~5]。溫度變化對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的破壞直接降低了紅外成像系統(tǒng)的探測(cè)和識(shí)別性能。溫度已經(jīng)成為影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[6]。對(duì)于紅外成像系統(tǒng)像質(zhì)要求高的應(yīng)用領(lǐng)域,需要采用一定的技術(shù)措施把由于溫度變化引起的紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量變壞的程度修正到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

要解決這個(gè)技術(shù)難題,須先弄清如下幾個(gè)問題:

· 紅外光學(xué)系統(tǒng)的功用和成像特點(diǎn)與常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)有何異同;

· 紅外光學(xué)系統(tǒng)的熱效應(yīng)如何;

· 溫度變化對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量會(huì)造成什么影響;

· 溫度變化對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)造成什么影響。

2紅外光學(xué)系統(tǒng)的功用和特點(diǎn)

2.1功用

紅外光學(xué)系統(tǒng)在熱像儀中的功用主要有如下幾點(diǎn): 1) 收集來自目標(biāo)和背景的輻射能量傳遞到紅外探測(cè)器上; 2) 以預(yù)定的比例確定目標(biāo)的相對(duì)空間位置; 3) 以給定的質(zhì)量在探測(cè)器焦平面上形成景物的熱圖像; 4) 對(duì)目標(biāo)信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間濾波和光譜濾波,提高信噪比; 5) 會(huì)聚景物的輻射能量以增強(qiáng)入射到探測(cè)器上的輻射通量密度; 6) 根據(jù)熱成像系統(tǒng)要完成的任務(wù)而設(shè)置不同的功能元件。

紅外光學(xué)系統(tǒng)在熱成像系統(tǒng)中的功能如圖1所示。

圖1光學(xué)系統(tǒng)功能圖

2.2成像特點(diǎn)比較

由2.1節(jié)分析可知,紅外光學(xué)系統(tǒng)的功用相當(dāng)于一個(gè)攝像鏡頭,與可見光電視鏡頭相似。但紅外成像與可見光成像特點(diǎn)相較又有一定區(qū)別。其成像特點(diǎn)可以在表1中看出主要區(qū)別。

表1　紅外與可見光成像特點(diǎn)比較

3光學(xué)元件熱效應(yīng)分析

從可見光和紅外線的成像特點(diǎn)比較可知:紅外光學(xué)系統(tǒng)以溫差大小為其成像機(jī)理,光學(xué)系統(tǒng)的性能由不同的光學(xué)元件特性來描述。而光學(xué)元件受溫度的影響使其結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化,最終破壞系統(tǒng)成像質(zhì)量。不同光學(xué)元件的熱效應(yīng)分析如表2所示。

表2　紅外光學(xué)元件熱效應(yīng)分析表

4溫度變化對(duì)光學(xué)像質(zhì)的影響

4.1溫度變化引起光學(xué)系統(tǒng)離焦

光學(xué)系統(tǒng)的焦距是一個(gè)非常重要的性能參數(shù),它由確定的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)(半徑、厚度、折射率)來描述。單個(gè)光學(xué)透鏡的光焦度公式:

(1)

實(shí)際系統(tǒng)中,透鏡的厚度d往往比半徑的乘積小得多。為便于分析,方程右邊第二項(xiàng)對(duì)光焦度的影響可暫不考慮。按照薄透鏡光焦度,可簡化為下式:

(2)

當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(n、r)改變時(shí),光焦度也隨之變化。對(duì)式(2)求微分,可得光焦度的變化量Δφ的表達(dá)式:

(3)

當(dāng)溫度變化ΔT時(shí),透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化為

(4)

帶入式(2),經(jīng)合并整理得光焦度變化量表達(dá)式:

(5)

由于

(6)

代入式(3)解得離焦量表達(dá)式:

(7)

對(duì)于由多個(gè)透鏡組合的光學(xué)系統(tǒng),溫度變化引起的系統(tǒng)焦距變化公式為

(8)

式中:h1為光線在透鏡1的入射高度;hk為光線在透鏡k上的入射高度。

利用式(8)可以估算薄透鏡系統(tǒng)的焦距受溫度變化產(chǎn)生的離焦量。

4.2溫度變化引起光學(xué)像點(diǎn)模糊

任何光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量可取決于光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化組合。對(duì)于設(shè)計(jì)質(zhì)量優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng),當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí),像質(zhì)將變壞[7]。溫度變化影響到半徑和折射率,對(duì)紅外系統(tǒng)來說,主要是軸向像差的改變,也就是軸向球差和色差[8]。分析如下:

1) 色差變化關(guān)系式

紅外光學(xué)系統(tǒng)工作波段寬,溫度變化對(duì)不同波

長的折射率影響不同會(huì)引起位置色差,不同波長的折射率因溫度改變產(chǎn)生的位置色差表達(dá)式為

Δ色=fΔT(vλ1-vλ2)

(9)

2) 球差變化關(guān)系式

(10)

式中:dAk為透鏡系數(shù)變化量;dρk為透鏡曲率變化量;dn為材料折射率變化量;m為透鏡數(shù)目。

5溫度變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響

5.1空間分辨率

溫度變化時(shí)光學(xué)系統(tǒng)焦距和像斑發(fā)生變化,這就改變了系統(tǒng)的空間分辨率。

(11)

式中:?為空間分辨率;Ad為光斑尺寸。

對(duì)式(11)微分求溫度變化對(duì)空間分辨率的影響:

(12)

這造成系統(tǒng)識(shí)別性能下降。

5.2系統(tǒng)熱靈敏度

溫度改變使長焦系統(tǒng)變化很大,會(huì)改變光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù),溫度升高會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的透過率,這都造成系統(tǒng)熱分辨率下降。熱敏度的變化:

(13)

最終影響探測(cè)距離。

6結(jié)語

通過上述對(duì)紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的功用和成像特點(diǎn)以及紅外光學(xué)元件的熱效應(yīng)分析,論證了溫度變化對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量和系統(tǒng)性能造成的影響,推導(dǎo)出了工程應(yīng)用計(jì)算公式,以便對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)估,進(jìn)而在紅外成像光學(xué)系統(tǒng)中采取合理的補(bǔ)償方案。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN213

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.009

作者簡介:陳銀君,男,研究方向:教練機(jī)及空面導(dǎo)彈的研制生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督。

收稿日期:2015年7月8日,修回日期:2015年8月25日