[發明專利]紅外寬波段目標仿真光學系統

有效

• 申請號: 201310519728.0
• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN103529550A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 張樹青;王敬洋;王治樂;譚雙龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G01J5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于紅外技術領域和仿真技術領域，涉及一種紅外寬波段目標仿真光學系統，尤其涉及一種適用于測試紅外短波和中波成像系統的動態目標識別與跟蹤能力的紅外目標仿真光學系統。

背景技術

隨著紅外成像技術的發展，紅外成像系統已廣泛應用于光學遙感、夜間導航、目標探測以及火控、制導等民用和軍事領域。現代紅外成像系統的重要特點是越來越復雜、精密，成本也越來越高，這使得對其進行的戰場方案驗證和飛行試驗不但成本越來越昂貴，而且在最佳條件下每次試驗獲取的有用信息也非常有限。

紅外半實物仿真技術能有效用于紅外成像系統的性能評價，此外它還能大量減少外場飛行試驗，節省經費開支和縮短武器研制周期。因此，半實物仿真技術在紅外成像系統的研制過程中具有重要意義。作為紅外半實物仿真技術的核心，利用紅外目標仿真光學系統對目標場景進行模擬來測試紅外成像系統，是世界各相關機構的重點研究內容之一。

目前，由于各種紅外隱身、干擾技術的出現，紅外成像系統正逐漸從單一波段向雙波段、寬波段探測快速發展。世界各國已研制出多種雙色紅外成像系統。與此同時，針對紅外多色成像系統性能測試的多色目標仿真光學系統也成為世界各仿真中心的重點研究項目。

對于寬波段目標仿真光學系統，影響其成像質量的首要挑戰在于將不同波段的光譜信息成像于同一焦平面上，而由于色差的原因這點很難做到，另外一個重要挑戰在于能傳輸寬波段信息的紅外材料非常有限，而且某些材料價格極其昂貴。這些都制約著紅外寬波段目標仿真光學系統的發展。目前設計此類光學系統的通用方法是選用至少三種不同的紅外材料相配合，同時在某些透鏡表面上使用非球面來保證成像質量。綜合考慮材料的昂貴性以及非球面加工的難度，這使得研制成本大大增加。因此目前迫切需要一種在保證成像質量的基礎上，滿足價格低廉、易于加工裝調要求的紅外寬波段目標仿真光學系統。

發明內容

為了解決目前紅外寬波段目標仿真光學系統價格昂貴，難于加工裝調的缺點，本發明提出一種成像波段為2.2~4.8μm、視場為±4°及出瞳距為200mm的紅外仿真光學系統，用于測試紅外成像系統的動態目標識別與跟蹤能力，該系統的顯著優點在于：性價比很高，且易于加工裝調。

本發明的紅外寬波段目標仿真光學系統包括紅外景象生成器、目標光學系統、耦合鏡以及主投影光學系統四部分。規定沿光路方向從左至右為正方向。紅外景象生成器發出的紅外輻射經目標光學系統準直后進入耦合鏡，再經主投影光學系統擴束后成像到無限遠，與被測光學系統進行匹配，所述目標光學系統沿光路方向依次由平行平板、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡組成，主投影光學系統沿光路方向依次由第一物鏡、第二物鏡、場鏡、第一目鏡和第二目鏡組成。系統在主投影光學系統中引入的場鏡，一方面起到了銜接前后光瞳的作用，另一方面也減小了后方鏡組的橫向尺寸，使系統變得緊湊。同時系統在平行光路中利用45°放置的平面耦合鏡的方法，方便后續工作中引入干擾系統。

本發明的紅外寬波段目標仿真光學系統的設計，首先根據系統參數選取已有相似專利，之后根據系統波長、視場、焦距等參數要求，依據像差理論，通過添去透鏡，改變透鏡位置等對其進行優化，最后得到本發明的紅外寬波段目標仿真光學系統的光學結構。設計過程中，該系統采用逆向光路追跡，以實現主投影光學系統出瞳與被檢測系統入瞳的匹配。

紅外寬波段目標仿真光學系統為透射式無焦系統，系統放大倍率為2，這使得耦合鏡所在光路光束尺寸減小一半，從而大大減小了耦合鏡的尺寸，并且不產生非對稱性像差，便于像差校正。目標光學系統和主投影光學系統分別設計并優化，最后再對整個目標仿真光學系統進行優化。

系統出瞳位于系統的主投影光學系統后200mm處，能夠與被檢測紅外成像光系統的入瞳完全匹配，可以實現不受系統外雜散光的干擾，紅外景象生成器發出的紅外輻射經目標光學系統準直后經過主投影光學系統投射到無限遠，最終為中、短波紅外成像系統所探測，以實現對此類系統目標識別與跟蹤功能的檢驗。

本發明在僅用兩種紅外材料且透鏡表面全為標準球面的限制條件下，在考慮能量透過率、加工裝調可行的基礎上，完成了一種工作波段為2.2~4.8μm，視場為±4°及出瞳距為200mm的紅外仿真光學系統設計，調制傳遞函數在20lp/mm時大于0.6，接近衍射極限。系統可作為測試紅外光學系統的目標模擬器而廣泛應用，優點在于價格低廉、工程可實現性很強。本發明具有以下優點：

1、該系統的出瞳在整個系統外200mm外，可以滿足系統的出瞳和被測紅外成像系統的光學入瞳相匹配，檢測過程不受外雜散光的干擾。