雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)與分析

李笑天

摘 要：目前我國(guó)可見(jiàn)光共口徑系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)逐漸成為成像系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)中的重要構(gòu)成要素。立足于技術(shù)研究現(xiàn)狀，首先分析了雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)的基本定義與特征，其次對(duì)雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了介紹，并在最后對(duì)于雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)與分析的策略進(jìn)行了補(bǔ)充，希望能夠有效提升技術(shù)應(yīng)用水平，確保雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

關(guān)鍵詞：雙波段成像系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；分析

引言

可見(jiàn)光與紅外相結(jié)合是目前光機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)收集地理信息的效率、準(zhǔn)確性。借助于先進(jìn)的傳感器配合圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、高精度定位的基本要求，同樣也是促進(jìn)圖像融合拼接穩(wěn)定性的重要途徑。立足于現(xiàn)狀，為了更好的分析雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)的設(shè)計(jì)策略，現(xiàn)就其基本特征介紹如下。

一、雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)概述

我國(guó)在雙波段共口徑成像系統(tǒng)的研究方面存在起步晚、技術(shù)不成熟等問(wèn)題。從客觀(guān)上來(lái)看，該技術(shù)主要針對(duì)紅外成像共口徑的輕量化、清晰化等方面進(jìn)行了研究，大多缺乏關(guān)鍵技術(shù)的分析以及系統(tǒng)化模擬。在一些個(gè)別領(lǐng)域當(dāng)中，單元技術(shù)的研究也存在片面性，這對(duì)于我國(guó)雙波段共口徑成像系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)與光機(jī)優(yōu)化都產(chǎn)生了一定的阻礙。相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)光機(jī)，雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)具有靈巧性強(qiáng)、支持效率高以及穩(wěn)定性良好的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)與成像實(shí)驗(yàn)的分析可以有效完成光機(jī)設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)成本不高，適應(yīng)性良好。

二、雙波段共口徑成像系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的主要流程

雙波段共口徑成像系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)首先需要考慮到透射式結(jié)構(gòu)的可行性，通過(guò)反射式結(jié)構(gòu)的特征分析實(shí)現(xiàn)對(duì)透射式結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論評(píng)估或者模擬，這樣才能夠最大限度的降低系統(tǒng)的體積與重量，滿(mǎn)足其在不同條件下的適應(yīng)性需求。除此之外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果采用折返式的結(jié)構(gòu)，那么在內(nèi)部需要通過(guò)一定的棱鏡分光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)透射式子系統(tǒng)的構(gòu)建，更好的接近衍射極限，實(shí)現(xiàn)紅外雙波段、輕量化的模型，更適應(yīng)同軸成像的技術(shù)要求，滿(mǎn)足一體化的設(shè)計(jì)建議。在完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)后，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，筆者提供的技術(shù)參數(shù)為可視光電視焦距1500mm，選擇對(duì)角線(xiàn)視場(chǎng)為0.82°。在通光口徑的選擇方面盡可能保持一致性，可以選擇φ250mm的參數(shù)，具體的空間布局可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以方便后期進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)時(shí)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化與改造，還需要留下一定的可拓展的空間。結(jié)合成像點(diǎn)的幾何形狀與特征來(lái)看，對(duì)稱(chēng)性良好是確保光學(xué)設(shè)計(jì)的基本要素，而根據(jù)能量集中曲線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以有效提升成像的幾何形狀對(duì)稱(chēng)性，這也是在設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)之一。最后，對(duì)于主反射鏡的結(jié)構(gòu)需要結(jié)合整體成像質(zhì)量的需要來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是由于該部分對(duì)于最終的成像效果的影響最大，需要做好系統(tǒng)布局，提升載荷空間的緊湊性。

三、雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)與分析

光學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括外形設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。其中，機(jī)構(gòu)上包括有可見(jiàn)紅外固定組、紅外調(diào)校組件以及控制電路等等，同時(shí)也包括實(shí)時(shí)輸出的功能類(lèi)型。在可見(jiàn)光紅外透鏡組當(dāng)中，移動(dòng)滑槽、固定組、傾角關(guān)系都是必須要提前設(shè)計(jì)好的部分，以此來(lái)確保系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步分析雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，分別從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

1.選擇材料

根據(jù)不同的構(gòu)件的功能需要與作用類(lèi)型，現(xiàn)階段的光機(jī)設(shè)計(jì)中，反射鏡都需要選擇剛度大、性能穩(wěn)定以及良好熱導(dǎo)率的材料，這部分材料需要兼顧自身穩(wěn)定性以及支撐結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)線(xiàn)性化，這樣才能夠確保與各種其他類(lèi)型的材料相適應(yīng)。綜合考慮到光學(xué)器件的應(yīng)用規(guī)格，選擇光學(xué)元器件時(shí)要參考到經(jīng)濟(jì)因素、線(xiàn)膨脹系數(shù)等主要因素，比如說(shuō)背板材料可以選擇鑄造鈦合金，而柔性支撐則主要選擇鐵鎳合金，反射鏡采用碳化硅即可。這樣一來(lái)，整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的材料強(qiáng)度、匹配程度都可以達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，更好的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

2.選擇支撐方式

支撐方式的選擇對(duì)于光機(jī)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，本次研究選取周邊、中心以及背部等三種主要支撐方式。其中中心支撐采用了借助于中心環(huán)定位的方式，其特征是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、口徑較小且適應(yīng)性強(qiáng)，背部支撐的核心在于可以降低重力對(duì)于面形精度的影響，這樣就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)形成有效的支撐，對(duì)于縮減成本并提升材料的整體使用效率具有良好的促進(jìn)作用。

3.動(dòng)力學(xué)分析

由于該光機(jī)的使用工況條件十分惡劣，使用時(shí)會(huì)受到各種振動(dòng)環(huán)境的影響，所以在進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化升級(jí)時(shí)，需要考慮到動(dòng)力載荷的問(wèn)題，通過(guò)降低振動(dòng)帶來(lái)的影響可以顯著提升成像質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，一階固有頻率調(diào)整到200Hz以上能夠有效提升內(nèi)框架的連接效率，通過(guò)固定約束的方式可以實(shí)現(xiàn)主鏡組件的動(dòng)態(tài)模擬，這也是實(shí)現(xiàn)組件固有頻率控制，提升動(dòng)力學(xué)適應(yīng)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.系統(tǒng)傳函分析

借助于有限元軟件可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行力熱耦合分析，其主要分析的內(nèi)容是指在一定的工況條件下利用軟件進(jìn)行處理后擬合出的結(jié)果。將擬合數(shù)據(jù)、熱力學(xué)影響標(biāo)準(zhǔn)輸入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，以此來(lái)獲得傳遞函數(shù)曲線(xiàn)，對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)察、分析，就可以得到該系統(tǒng)的力熱作用條件下的柔性支撐情況，更好的分析系統(tǒng)的設(shè)備適應(yīng)性與穩(wěn)定性。

總結(jié)

綜上所述，根據(jù)國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)能力并結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行雙波段共口徑成像系統(tǒng)與光機(jī)的設(shè)計(jì)，能夠有效擴(kuò)大光學(xué)口徑，降低加工成本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的有效提升，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)識(shí)別距離的要求，更好的滿(mǎn)足軍事領(lǐng)域的應(yīng)用以及民用的技術(shù)推廣。為了分析雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)的基本策略，本文也重點(diǎn)從材料選擇、支撐方式以及動(dòng)力學(xué)分析等角度進(jìn)行了闡述，希望可以為技術(shù)應(yīng)用與推廣貢獻(xiàn)一份力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]李西杰. 雙波段共口徑連續(xù)共變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安工業(yè)大學(xué)，2018.

[2]許黃蓉. 雙波段自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]李小虎. 基于視場(chǎng)一致性的多波段共口徑成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2016.

[4]程志峰，劉福賀，荀顯超.雙波段共口徑成像系統(tǒng)光機(jī)設(shè)計(jì)與分析[J].紅外與激光工程，2015，44（11）：3366-3372.

[5]李巖. 靈巧型共口徑雙波段光學(xué)系統(tǒng)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2013.