基于光學矩陣的紅外導引系統調焦研究

摘" 要：紅外導引光學系統的像面離焦程度對識別、跟蹤目標至關重要，直接影響制導武器對目標打擊的精確度。因此，裝備維護保養過程中對光學系統進行焦距微調是十分必要的。該文基于成像條件下光學傳輸矩陣理論，構建光學系統物像位置關系模型和焦面微調量的計算方法。根據模擬仿真，縮短平行光管焦距3倍，通過遮光光闌降低能量約1.4倍，實現平行光管光路二次設計與能量匹配改進，驗證黑體與探測器平移比例的合理性，很好地解決由于探測器安裝誤差引起的紅外系統離焦問題。

關鍵詞：光學傳輸矩陣；物像關系；紅外系統；探測器安裝；離焦問題

中圖分類號：TN216 " " 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2023）15-0033-06

Abstract： The defocus degree of the image plane of the infrared guidance optical system is very important for identifying and tracking the target， which directly affects the accuracy of the guided weapon attacking the target. Therefore， it is very necessary to fine-tune the focal length of the optical system in the process of equipment maintenance. In this paper， based on the theory of optical transmission matrix under imaging conditions， the object-image position relation model of optical system and the calculation method of focal plane fine-tuning are constructed. According to the simulation， the focal length of the collimator is shortened by 3 times， and the energy is reduced by about 1.4 times through the diaphragm， the secondary design of the collimator and the improvement of energy matching are realized， and the rationality of the translation ratio of the blackbody to the detector is verified. The defocus problem of infrared system caused by detector installation error is well solved.

Keywords： optical transfer matrix; object-image relationship; infrared system; detector installation; defocus problem

紅外導引光學系統是一種精密的光機系統，承擔著探測目標、跟蹤目標的作用，而探測器光敏面與理想焦面的重合度，是保證對目標精確制導的關鍵。隨著裝備服役時間延長、保養與維修頻次的增加，系統內部逐漸出現裝配誤差過大、顯著離焦的問題，直接影響后級電路對紅外信號的處理，引發系統誤判，必須進行調焦操作。同類裝備的焦距微調方式主要有2種[1-2]：一是微調光學系統某個（組）鏡片距離；二是微調探測器位置。如果微調時可監測紅外信號，則容易把握調整準確度；對無法監測紅外信號的情形，則需要先確定調整量，之后驗證是否調整到位。某型紅外系統屬于后一種情形[3-5]，鏡片組固定，只能調整裝配復雜的探測器完成焦距微調工作。

本文基于成像條件下的光學矩陣理論[6-7]，研究了物像位置關系模型，實現了對特定光學系統調焦量的計算與仿真，并完成了測試系統改造與驗證，為同類型系統調焦計算提供了一種方法。

1" 物像光學矩陣模型的建立與分析

幾何光學中，子午面內的光線傳播可以通過參考面中的高度坐標h和與傳播方向的夾角θ。如圖1所示，光線在折射率為n的介質空間從A點傳播到B點，軸向傳播距離為L，傳播角度為θ，若A點用（h1，θ1）表示，B點用（h2，θ2）表示，在未經過任何轉折界面時，具有以下關系

3" 試驗驗證

通過理論分析，需要對黑體和平行光管進行改造。黑體增加平移功能，并確定移動刻度及標準零位，探測器位置調整可通過增加或減少內部的墊片（每片厚度約100 μm ±10 μm）來實現，平行光管光路改變后如圖7所示。

黑體輻射通過不同直徑圓形光闌孔控制輸出能量變化見表1，對比改造前后探測器2個通道的電壓輸出值，說明焦距改變后增加遮光光闌與原光路的能量是等效的。

進一步對平行光管光路調整后的物像關系進行試驗驗證：3個離焦量不同的探測器安裝于紅外系統內，通過調整黑體位置尋找最佳焦面（同時關注波形尖銳程度與電壓），確定調整數值，試驗結果見表2。

試驗結果表明，通過計算得到的黑體與探測器平移比例是正確的，利用光學矩陣對一般光學系統進行焦距微調整的方法可行。

4" 結論

利用光學矩陣的運算方法，對光線在空間傳輸情況進行分析，形成物像傳遞矩陣，進而討論了成像條件下的矩陣參數，建立物像關系模型。在模型理論下，對某型紅外系統及其測試用平行光管進行研究，完成對平行光管光路的二次設計與改進，確定并完善黑體與焦平面的相互調整關系，有效提高了紅外系統測試效率與維修能力，為同類裝備調焦提供了新方法，也驗證了光學矩陣理論在光學系統焦距微調中的實用性。

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