海面监视红外热像仪光学系统分析设计*

钱坤，刘家国，李军伟

(1.光学辐射重点实验室，北京 100854；2.北京环境特性研究所，北京 100854)

0 引言

我国拥有1.8万km多的漫长大陆海岸线，领海范围为领海基线往外12 n mile(1 n mile=1 852 m)。为实现对我国领海的有效监控，当前我国已沿海岸线建立了岸基的海岸视频监控体系，出于对岸基视频监控系统的补充，针对浮空系留艇上搭载光学、雷达等载荷的空基广域监视方案，开展光电探测设计和探测性能分析研究，以实现更大的监视预警范围。

红外成像系统的变焦系统主要分为连续变焦和定档变焦2种。连续变焦光学系统虽然能实现焦距在一定范围内连续改变,从而实现像面景物的大小连续可变, 但是,此类系统结构复杂,加工和装调难度大[1]。与连续变焦光学系统相比,定档变焦系统具有结构简单,大、小视场间的切换时间短,透过率高,成像质量好等优点。在两档变焦和三档变焦中,红外两档变焦光学系统是最常用的,因此本文从探测距离指标为依据，论证设计一种两档变焦的红外热像仪光学系统，能够实现对500 t以上海面舰船探测距离达23 km以上，像质好，像差小。

1 光学系统主要参数分析

1.1 红外探测器选型

红外探测器按照制冷与否分为制冷型和非制冷型2种，按照波段又可分为短波、中波和长波。非制冷型红外探测器价格便宜，但灵敏度有限，本系统中要求对目标探测距离较远，因此选用高灵敏度的制冷型探测器。在目前的制造成本、工艺水平下，凝视型长波探测器的成本比中波探测器要高不少，出于成本考虑，本系统选择凝视型中波探测器。对市场上中波制冷探测器进行广泛调研后，最后选取某型碲镉汞(mercury cadmium telluride,MCT)中波探测器，主要技术参数如下表1所示。

表1 红外探测器主要技术参数

1.2 光学系统主要参数分析计算

光学系统的主要参数包括通光口径、焦距、F数等，本系统中所选探测器F数为2，根据制冷红外光学系统中冷光阑匹配的原则，因此光学系统的F数确定为2。由于F数和通光口径有以下关系：

(1)

确定镜头焦距后就可确定通光口径，下面根据总体探测距离要求来确定红外镜头焦距指标。

系统探测距离要求是对500 t以上的海面舰船(大于10 m×10 m)探测距离不小于23 km，影响红外系统作用距离的主要因素有大气的传输特性、探测器的灵敏度和目标的红外辐射特性等[2]。对于点源目标可由式(2)计算红外热像仪的探测距离[3]：

(2)

式中：J为目标红外辐射强度，W/sr ；τa为大气透过率；NEI为红外热像仪灵敏度，W·cm-2；SNR为信噪比，对于可探测，取6。

大气透过率τa受大气环境和传输距离的影响很大[4-5]，因此大气透过率的计算成为红外系统作用距离计算的重要部分。一般来说，大气透过率的计算途经有2种：一是利用经验公式粗略计算；二是利用专业计算软件精确计算。经验公式计算难于描述复杂的大气状况，而专业计算软件计算精度高[6-8]。本文采用Modtran软件来进行计算，用户输入参数后软件就可自动求解、给出大气透过率数值，非常方便[9-11]。当地典型的气象环境为温度20 ℃，湿度80%，能见度大于23 km ，系留艇升空高度600 m，按照上述条件计算出大气透过率τa=0.05。

目标的红外辐射强度取决于目标的温度、其表面的发射率、有效辐射面积，出于简化计算的目的，可将目标作灰体处理，则可通过式(3)求计算[12]：

(3)

式中:ε为目标的发射率，对于海面舰船，一般取0.9；At为目标有效辐射面积，为了得到极限探测距离，对于500 t舰船按照最小辐射面积即迎头探测计算，为30 m2;T为目标的温度，假设海面空气温度20℃，根据实际测试，500 t舰船表面温度与海面空气温差大约5 K左右，即为298 K;c1为第一辐射常数，c1=3.741 5×104W·cm-2·μm4；c2为第二辐射常数，c2=1.438 8×104μm·K；λ1,λ2为起止波段，λ1=3.7 μm，λ2=4.8 μm。

红外探测系统灵敏度NEI由空间灵敏度NEIs和时间灵敏度NEIt2部分决定，由式(4)～(6)给出[13]：

(4)

(5)

(6)

式中：Ad为探测器像元面积，按15 μm×15 μm计算，取2.25×10-6cm2；Δf为探测器等效噪声带宽，对于焦平面探测器按式(7)计算[14]：

(7)

(8)

式中:σe为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，取5.67×10-12W·cm-2·K-4；T为环境温度，取300 K，代入式(8)计算得到D*=1.57×1010cm·Hz1/2·W-1。

Eb为背景辐射通量密度，按黑体辐射公式计算：

(9)

按环境温度300 K，代入式(9)计算得Eb=3.95×10-4W·cm-2。

联立式(2),(4),(5),(6)可计算出焦距f的值，最后求得f=299.5 mm，取整为焦距f=300 mm。根据式(1)得到通光口径D=150 mm。镜头设计为两档变焦，根据实际监视要求，变倍比设置为3，即短焦为100 mm，最后确定镜头的主要参数为：

短焦f1=100 mm，长焦f2=300 mm，最大通光口径D=150 mm，F数为2，两档变焦。

2 光学系统设计

按照上文中分析确认的光学系统主要参数指标运用Zemax光学设计软件开展详细设计。

为满足红外热像仪体积小、质量轻的要求，双视场光学镜头设计采取光学补偿法，使用沿轴平行移动变倍组来进行视场的切换[16]，变焦部分共有3组透镜，分为前固定组、变倍组和后固定组组成，其中前固定组为正透镜，变倍组为负透镜，后固定组为正透镜，并尽量减少移动透镜的数量。通过优化，在改变视场过程中，移动透镜的数量仅为一片，通过沿轴向前后移动这片透镜轴来改变光学系统的焦距和实现聚焦功能。整个光学系统由9片透镜组成，材料为硅、锗、硫化锌和氟化镁4种常用红外光学材料，系统光路如图1所示。

图1 光学系统光路图Fig.1 Configurations of the zoom optical system

短焦端，在系统特征频率33 mm/lp处，各视场调制传递函数均大于0.38，如图2所示。

短焦端成像最大畸变为2.5%，如图3所示。

长焦端，在系统特征频率33 mm/lp处，各视场调制传递函数也均接近衍射极限，如图4所示。

长焦端成像最大畸变为2%，如图5所示。

为消除和减小温度效应引起光学系统成像质量变差，系统采取主动无热化补偿措施，具体措施是在镜头内安装温度传感器，根据环境温度移动调焦镜片，实现调焦量的补偿，确保图像在不同温度条件下始终清晰。

图2 光学系统短焦端MTF曲线图Fig.2 MTF curves on short-focus of the optical system

图3 光学系统短焦端场曲和畸变曲线图Fig.3 Field curvature & distortion curve on short-focus of the optical system

图4 光学系统长焦端MTF曲线图Fig.4 MTF curves on long-focus of the optical system

图5 光学系统长焦端场曲和畸变曲线图Fig.5 Field curvature & distortion curve on long-focus of the optical system

3 外场实验验证

光学系统完成设计后到生产厂家进行加工调试，然后和探测器进行整机装配、调试，完成了红外热像仪整机装配、检验合格后搭载系留艇到外场进行了实际验证。实验中通过艇上搭载的对海监视雷达进行引导及测距，雷达将目标引导进红外小视场后，红外进行跟踪监视，对海面距监控点23 km处500 t级海面舰船的探测效果如图6所示。

图6 红外对距离23 km处500 t级海面舰船探测效果图Fig.6 Infrared thermal imager detection effect to 500 t level sea surface ship at 23 km distance

如图6所示，海面舰船在红外热像仪上成像像素不小于8×8，轮廓清晰可辨。

4 结束语

本文介绍了通过探测距离指标的分析计算确定其红外光学系统的焦距、通光口径等参数，根据这些参数设计了一种两档变焦制冷中波光学系统，并进行了外场实验验证，证明其探测能力符合其设计要求。这种方法可作为红外探测、监视系统论证过程光学系统焦距等主要指标的论证计算方法。

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