海面監(jiān)視紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)*

錢(qián)坤，劉家國(guó)，李軍偉

(1.光學(xué)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854；2.北京環(huán)境特性研究所，北京 100854)

0 引言

我國(guó)擁有1.8萬(wàn)km多的漫長(zhǎng)大陸海岸線(xiàn)，領(lǐng)海范圍為領(lǐng)?；€(xiàn)往外12 n mile(1 n mile=1 852 m)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)領(lǐng)海的有效監(jiān)控，當(dāng)前我國(guó)已沿海岸線(xiàn)建立了岸基的海岸視頻監(jiān)控體系，出于對(duì)岸基視頻監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充，針對(duì)浮空系留艇上搭載光學(xué)、雷達(dá)等載荷的空基廣域監(jiān)視方案，開(kāi)展光電探測(cè)設(shè)計(jì)和探測(cè)性能分析研究，以實(shí)現(xiàn)更大的監(jiān)視預(yù)警范圍。

紅外成像系統(tǒng)的變焦系統(tǒng)主要分為連續(xù)變焦和定檔變焦2種。連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變,從而實(shí)現(xiàn)像面景物的大小連續(xù)可變, 但是,此類(lèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工和裝調(diào)難度大[1]。與連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)相比,定檔變焦系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,大、小視場(chǎng)間的切換時(shí)間短,透過(guò)率高,成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。在兩檔變焦和三檔變焦中,紅外兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)是最常用的,因此本文從探測(cè)距離指標(biāo)為依據(jù)，論證設(shè)計(jì)一種兩檔變焦的紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)500 t以上海面艦船探測(cè)距離達(dá)23 km以上，像質(zhì)好，像差小。

1 光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)分析

1.1 紅外探測(cè)器選型

紅外探測(cè)器按照制冷與否分為制冷型和非制冷型2種，按照波段又可分為短波、中波和長(zhǎng)波。非制冷型紅外探測(cè)器價(jià)格便宜，但靈敏度有限，本系統(tǒng)中要求對(duì)目標(biāo)探測(cè)距離較遠(yuǎn)，因此選用高靈敏度的制冷型探測(cè)器。在目前的制造成本、工藝水平下，凝視型長(zhǎng)波探測(cè)器的成本比中波探測(cè)器要高不少，出于成本考慮，本系統(tǒng)選擇凝視型中波探測(cè)器。對(duì)市場(chǎng)上中波制冷探測(cè)器進(jìn)行廣泛調(diào)研后，最后選取某型碲鎘汞(mercury cadmium telluride,MCT)中波探測(cè)器，主要技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 紅外探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)

1.2 光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)分析計(jì)算

光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)包括通光口徑、焦距、F數(shù)等，本系統(tǒng)中所選探測(cè)器F數(shù)為2，根據(jù)制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)中冷光闌匹配的原則，因此光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)確定為2。由于F數(shù)和通光口徑有以下關(guān)系：

(1)

確定鏡頭焦距后就可確定通光口徑，下面根據(jù)總體探測(cè)距離要求來(lái)確定紅外鏡頭焦距指標(biāo)。

系統(tǒng)探測(cè)距離要求是對(duì)500 t以上的海面艦船(大于10 m×10 m)探測(cè)距離不小于23 km，影響紅外系統(tǒng)作用距離的主要因素有大氣的傳輸特性、探測(cè)器的靈敏度和目標(biāo)的紅外輻射特性等[2]。對(duì)于點(diǎn)源目標(biāo)可由式(2)計(jì)算紅外熱像儀的探測(cè)距離[3]：

(2)

式中：J為目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度，W/sr ；τa為大氣透過(guò)率；NEI為紅外熱像儀靈敏度，W·cm-2；SNR為信噪比，對(duì)于可探測(cè)，取6。

大氣透過(guò)率τa受大氣環(huán)境和傳輸距離的影響很大[4-5]，因此大氣透過(guò)率的計(jì)算成為紅外系統(tǒng)作用距離計(jì)算的重要部分。一般來(lái)說(shuō)，大氣透過(guò)率的計(jì)算途經(jīng)有2種：一是利用經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算；二是利用專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件精確計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算難于描述復(fù)雜的大氣狀況，而專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算精度高[6-8]。本文采用Modtran軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，用戶(hù)輸入?yún)?shù)后軟件就可自動(dòng)求解、給出大氣透過(guò)率數(shù)值，非常方便[9-11]。當(dāng)?shù)氐湫偷臍庀蟓h(huán)境為溫度20 ℃，濕度80%，能見(jiàn)度大于23 km ，系留艇升空高度600 m，按照上述條件計(jì)算出大氣透過(guò)率τa=0.05。

目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度取決于目標(biāo)的溫度、其表面的發(fā)射率、有效輻射面積，出于簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，可將目標(biāo)作灰體處理，則可通過(guò)式(3)求計(jì)算[12]：

(3)

式中:ε為目標(biāo)的發(fā)射率，對(duì)于海面艦船，一般取0.9；At為目標(biāo)有效輻射面積，為了得到極限探測(cè)距離，對(duì)于500 t艦船按照最小輻射面積即迎頭探測(cè)計(jì)算，為30 m2;T為目標(biāo)的溫度，假設(shè)海面空氣溫度20℃，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，500 t艦船表面溫度與海面空氣溫差大約5 K左右，即為298 K;c1為第一輻射常數(shù)，c1=3.741 5×104W·cm-2·μm4；c2為第二輻射常數(shù)，c2=1.438 8×104μm·K；λ1,λ2為起止波段，λ1=3.7 μm，λ2=4.8 μm。

紅外探測(cè)系統(tǒng)靈敏度NEI由空間靈敏度NEIs和時(shí)間靈敏度NEIt2部分決定，由式(4)～(6)給出[13]：

(4)

(5)

(6)

式中：Ad為探測(cè)器像元面積，按15 μm×15 μm計(jì)算，取2.25×10-6cm2；Δf為探測(cè)器等效噪聲帶寬，對(duì)于焦平面探測(cè)器按式(7)計(jì)算[14]：

(7)

(8)

式中:σe為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-12W·cm-2·K-4；T為環(huán)境溫度，取300 K，代入式(8)計(jì)算得到D*=1.57×1010cm·Hz1/2·W-1。

Eb為背景輻射通量密度，按黑體輻射公式計(jì)算：

(9)

按環(huán)境溫度300 K，代入式(9)計(jì)算得Eb=3.95×10-4W·cm-2。

聯(lián)立式(2),(4),(5),(6)可計(jì)算出焦距f的值，最后求得f=299.5 mm，取整為焦距f=300 mm。根據(jù)式(1)得到通光口徑D=150 mm。鏡頭設(shè)計(jì)為兩檔變焦，根據(jù)實(shí)際監(jiān)視要求，變倍比設(shè)置為3，即短焦為100 mm，最后確定鏡頭的主要參數(shù)為：

短焦f1=100 mm，長(zhǎng)焦f2=300 mm，最大通光口徑D=150 mm，F(xiàn)數(shù)為2，兩檔變焦。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照上文中分析確認(rèn)的光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)運(yùn)用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)。

為滿(mǎn)足紅外熱像儀體積小、質(zhì)量輕的要求，雙視場(chǎng)光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)采取光學(xué)補(bǔ)償法，使用沿軸平行移動(dòng)變倍組來(lái)進(jìn)行視場(chǎng)的切換[16]，變焦部分共有3組透鏡，分為前固定組、變倍組和后固定組組成，其中前固定組為正透鏡，變倍組為負(fù)透鏡，后固定組為正透鏡，并盡量減少移動(dòng)透鏡的數(shù)量。通過(guò)優(yōu)化，在改變視場(chǎng)過(guò)程中，移動(dòng)透鏡的數(shù)量?jī)H為一片，通過(guò)沿軸向前后移動(dòng)這片透鏡軸來(lái)改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距和實(shí)現(xiàn)聚焦功能。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由9片透鏡組成，材料為硅、鍺、硫化鋅和氟化鎂4種常用紅外光學(xué)材料，系統(tǒng)光路如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)光路圖Fig.1 Configurations of the zoom optical system

短焦端，在系統(tǒng)特征頻率33 mm/lp處，各視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.38，如圖2所示。

短焦端成像最大畸變?yōu)?.5%，如圖3所示。

長(zhǎng)焦端，在系統(tǒng)特征頻率33 mm/lp處，各視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)也均接近衍射極限，如圖4所示。

長(zhǎng)焦端成像最大畸變?yōu)?%，如圖5所示。

為消除和減小溫度效應(yīng)引起光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量變差，系統(tǒng)采取主動(dòng)無(wú)熱化補(bǔ)償措施，具體措施是在鏡頭內(nèi)安裝溫度傳感器，根據(jù)環(huán)境溫度移動(dòng)調(diào)焦鏡片，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦量的補(bǔ)償，確保圖像在不同溫度條件下始終清晰。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)短焦端MTF曲線(xiàn)圖Fig.2 MTF curves on short-focus of the optical system

圖3 光學(xué)系統(tǒng)短焦端場(chǎng)曲和畸變曲線(xiàn)圖Fig.3 Field curvature & distortion curve on short-focus of the optical system

圖4 光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)焦端MTF曲線(xiàn)圖Fig.4 MTF curves on long-focus of the optical system

圖5 光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)焦端場(chǎng)曲和畸變曲線(xiàn)圖Fig.5 Field curvature & distortion curve on long-focus of the optical system

3 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

光學(xué)系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后到生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行加工調(diào)試，然后和探測(cè)器進(jìn)行整機(jī)裝配、調(diào)試，完成了紅外熱像儀整機(jī)裝配、檢驗(yàn)合格后搭載系留艇到外場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)艇上搭載的對(duì)海監(jiān)視雷達(dá)進(jìn)行引導(dǎo)及測(cè)距，雷達(dá)將目標(biāo)引導(dǎo)進(jìn)紅外小視場(chǎng)后，紅外進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，對(duì)海面距監(jiān)控點(diǎn)23 km處500 t級(jí)海面艦船的探測(cè)效果如圖6所示。

圖6 紅外對(duì)距離23 km處500 t級(jí)海面艦船探測(cè)效果圖Fig.6 Infrared thermal imager detection effect to 500 t level sea surface ship at 23 km distance

如圖6所示，海面艦船在紅外熱像儀上成像像素不小于8×8，輪廓清晰可辨。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了通過(guò)探測(cè)距離指標(biāo)的分析計(jì)算確定其紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦距、通光口徑等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)了一種兩檔變焦制冷中波光學(xué)系統(tǒng)，并進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明其探測(cè)能力符合其設(shè)計(jì)要求。這種方法可作為紅外探測(cè)、監(jiān)視系統(tǒng)論證過(guò)程光學(xué)系統(tǒng)焦距等主要指標(biāo)的論證計(jì)算方法。

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