机载复杂红外光学系统无热化补偿方法研究

刘 欣， 刘春华， 潘枝峰， 罗京平

(中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471009)

0 引言

机载光学仪器随飞机的飞行高度不同环境温度不断变化，引起光学材料的折射率、镜片半径、镜片厚度、镜片间距和空气折射率等产生变化［1］，导致热移焦，严重影响光学系统的像质。

由于红外光学材料折射率受温度影响很大［2］，温度变化对红外光学系统产生严重影响。因此应采用无热化技术，使红外系统在较大的温度范围内保持良好的成像质量［3］。

目前的无热化技术主要有机械被动式、电子主动式、光学被动式和折衍混合式等几种［4］。由于这些方法在设计中都以光学系统温度均匀为前提［5］，对于工作在温度均匀环境中的红外系统，这些方法都能达到较好的效果［6］。但是当机载红外系统比较复杂时，红外系统工作在不均匀温度场中，各镜片有温度差异，这些方法无法达到很好的效果［7］。

本文提出了一种光学加权补偿方法，实现在温度变化环境中红外光学系统的无热化被动补偿。

1 光学加权无热化补偿方法

光学系统中每个光学元件和间隔对焦距的贡献不同，所以温度变化对成像质量的影响也不相同［8］，光学加权无热化补偿方法根据每个光学元件和间隔温度变化对系统成像影响程度的不同赋予不同的权重，建立温度补偿模型。通过实时测试光学系统的各区域温度，将每个光学元件和间隔附近温度值输入模型，利用机械式调焦机构进行被动实时调焦，使光学系统在环境温度不断变化时保持图像清晰。

薄透镜公式为［9］

温度变化引起焦距变化率为

式中:f为薄透镜焦距;n为材料折射率;r1、r2为薄透镜两个面半径;dn/dt为材料折射率温度变化率;dl/dt为材料线膨胀系数。在一定的温度范围内，dn/dt和dl/dt是常数，因此薄透镜df/dt为常数，薄透镜焦距随温度变化曲线为一次线性关系。

两个薄透镜组合的焦距f0为

式中:d为两个薄透镜的空气间隔;f1、f2为两个薄透镜焦距。

两个薄透镜组合焦距的df0/dt与单个透镜df/dt、间隔材料dl/dt等相关，因此，两个薄透镜组合焦距随温度变化曲线也为一次线性关系。

当光学系统环境温度变化不均匀时，各透镜温度变化ΔT不相同，系统焦距变化量为

化简上式

式中:K1、K2、P1为透镜1、2和间隔对总焦距影响的加权因子;ΔT1、ΔT2、ΔT3为透镜1、2 和间隔温度变化值。

对一个复杂光学系统，假设有m个透镜，n个间隔，为了简化模型，提高模型的实用性，将实际焦距随温度变化函数中的高次函数去掉，建立系统焦距随温度变化的函数关系即温度补偿模型为

式中:Ki、Pi为透镜和间隔对总焦距影响的加权因子;ΔTi为透镜和间隔温度变化值;A为高次修正因子;ΔT0为系统平均温度。

将光学系统温度范围的某温度点作为调焦函数的基准温度，ΔTi是采集温度与基准温度的差值，高次修正因子用于当系统工作温度远偏离基准温度时进行误差修正。

2 仿真分析

为了验证光学加权无热化补偿方法的实用性，针对研制的一套复杂红外成像系统，利用光学设计软件仿真分析，建立加权温度补偿模型。红外成像系统的光学系统示意图如图 1 所示，系统由透镜 1、2、3、4、5、6和4个反射镜组成，透镜5和6组成调焦镜组。光学系统性能参数如下:工作波段为7.7 ～9.5 μm;F数为 3.0;焦距为 480 mm;视场为 1.83°×1.38°。

图1 光学系统示意图Fig.1 Illustration of the optic system

用CODE V光学设计软件计算每个镜片和间隔温度单独变化1℃时引起的焦面变化量，该参数反映了各部件的温度敏感度，也代表加权因子。红外成像光学系统各透镜和间隔温度敏感度分析如表1所示。

表1 光学系统温度敏感度分析Table 1 Temperature sensitivity analysis of optic system单位:μm/℃

表1所示是光学系统温度环境为0℃、各透镜和间隔温度单独变化1℃时引起的焦面变化。全系统优化表示红外系统全系统温度均匀变化1℃引起的焦面移动量(单位是μm/℃)。

从表1中可以看出，单独分析光学系统的各部件单独变化1℃时引起的调焦量的总和与全系统温度均匀变化1℃引起的调焦量之间的差别较小，因此，单个镜片和间隔温度变化对系统的影响可以看成一次线性变化，各部分对系统的影响可以线性叠加，高次影响＜1%。加权温度补偿模型为

当全系统温度均匀变化时即系统各部件温度变化相同，加权温度补偿模型简化为

机载光学系统工作温度一般在-50～+60℃，通过仿真计算，系统环境温度改变±20℃内，表中的各系数变化＜0.5%，环境平均温度偏离基准温度大于20℃时，高次修正因子A=0.12。

因此从仿真计算中可以验证光学加权无热化补偿方法的简单实用。

3 实验测试

为了测试加权温度补偿模型精度，搭建一套实验测试环境，对以上红外成像系统进行高低温实验，测试和验证上述温度补偿模型实用性和仿真分析精度。

实验测试设备布局图如图2所示。被测红外成像系统放在高低温箱中，高低温箱窗口外放置红外平行光管，平行光管口径对准被测红外成像系统的光学口径。

图2 测试设备布局图Fig.2 Layout of testing equipment

实验1 光学加权无热化补偿方法的实用性测试。

实验步骤 高低温箱温度在+60～-50℃范围内变化，变化过程中观察监视器上红外成像系统的图像。由于箱内温度变化造成红外成像光学系统中温度不均匀，温度传感器实时测量镜片附近温度，根据采样温度不同按照以上调焦控制模型进行调焦补偿，重复测试5次。

实验结果 红外成像系统图像始终保持清晰成像。

实验2 温度补偿模型仿真计算精度测试。

实验步骤 高低温箱温度在+60℃稳定后测试调焦位置，高低温箱温度从+60℃变化到-50℃ ，每10℃为一个采样点。高低温箱温度达到采样点温度后稳定0.5 h，待被测红外成像系统温度均匀稳定，通过调焦使图像清晰，测量对应点调焦位置的读数，重复测试5次。

实验结果 将每一个温度采样点的温度数据和对应的调焦位置读数进行线性曲线拟合，得出调焦位移与温度变化拟合曲线关系为Δf0=36.85ΔTi(μm)。以上调焦位移与温度变化拟合关系与式(7)温度补偿模型非常吻合。

实验测试结果分析如下。

实验1的结果验证了工作在温度变化不均匀环境中的红外系统，光学加权无热化补偿方法简单实用，能够保持图像始终清晰，满足红外成像系统的被动无热化功能和性能要求。

实验2中，实际温度补偿模型与CODE V光学仿真计算模型相比，经过数据分析［10］，误差 ＜1.5%，主要误差有两方面:1)材料折射率温度变化率dn/dt和材料线膨胀系数dl/dt仿真时选用CODE V软件中的参数，实际系统中材料为国产材料，材料参数可能略有差别;2)简化了高次分量。

以上实验结果表明光学加权无热化补偿方法仿真精度高，与仿真结果完全相符。

4 总结

机载军用光学仪器的环境温度不断变化，对于复杂红外光学系统工作在不均匀温度场中，各镜片有温度差异，常规的无热化技术无法满足成像要求。根据每个光学元件和间隔温度变化对系统成像影响程度的不同赋予不同的权重，利用光学设计软件仿真分析，建立加权温度补偿模型。通过实时测试光学系统的各区域温度变化，使用机械式调焦机构进行被动实时调焦，使光学系统在环境温度不断变化时保持图像清晰。通过仿真分析和实验测试验证，加权温度补偿模型实用性强、精度高。在机载环境温度范围内，各项误差能够控制在1.5%，满足机载环境复杂红外光学系统的被动无热化的要求。有效解决了机载环境光学仪器被动无热化的关键技术，已在多个型号中应用。

［1］孟庆超，潘国庆，张运强，等.红外光学系统的无热化设计［J］.红外与激光工程，2008，37(6):723-727.

［2］余怀之.红外光学材料［M］.北京:国防工业出版社，2007:46-154.

［3］劳爱德J M.热成像系统［M］.北京:国防工业出版社，1981:157-174.

［4］沈宏海，王国华，丁金伟，等.主动补偿无热化技术在机载红外光学系统中的应用［J］.光学精密工程，2010，18(3):593-595.

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［7］JAMIESON T H.Thermal effects in optical systems［J］.SPIE,1981:156.

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［9］郁道银，谈恒英.工程光学［M］.北京:机械工业出版社，2002:5-30.

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