一种宽幅超分辨率红外成像系统的制作方法

1.本发明属于航天光学红外遥感技术领域，尤其涉及一种宽幅超分辨率红外成像系统。


背景技术：

2.红外成像系统是一种重要的成像手段，其工作不受光照约束，能全天时获取信息。它不仅能够获取目标的几何特性信息，还能够获取目标的温度特征信息，在国土资源调查、环境保护、火灾监测、伪装目标探测等领域具有广泛的应用前景。近年来，国土资源勘查、环境保护等应用领域对高分辨率图像的需求不断增加。
3.目前，获取高分辨率图像的常规途径主要有增大成像系统光学焦距和减小探测器像元尺寸。然而，增大光学焦距，势必会增大成像系统体积，同时也加大了光学零件加工和装调的难度；另外受探测器工艺水平限制，探测器像元尺寸不能无限减小；此外，增大成像系统光学焦距和减小探测器像元尺寸都必然使成像系统幅宽变小。可见，如何获取宽幅高分辨率图像是航天遥感领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种宽幅超分辨率红外成像系统，具有大幅宽、高灵敏度、高空间分辨率的特点，在不改变光学系统口径条件下，可有效提升相机空间分辨率。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，包括：遮光罩、光学成像系统和视频处理器；
6.遮光罩设置在光学成像系统前方，来自地物目标的辐射信息经遮光罩后进入光学成像系统；光学成像系统将辐射信息转换为电信号后送至视频处理器；视频处理器对电信号进行阻抗变换、模数转换和编码处理后，送至外部的卫星数传分系统。
7.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，光学成像系统，包括：主光学装置、折转镜、中继光学装置和探测器-制冷机组件；探测器-制冷机组件，包括：双线列tdi红外探测器和制冷机；
8.制冷机，用于对双线列tdi红外探测器进行制冷；
9.来自地物目标的辐射信息经遮光罩后进入主光学装置，经主光学装置反射后进入折转镜，折转镜反射的光束经过中继光学装置后成像在双线列tdi红外探测器上并转换为电信号后输出。
10.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，主光学装置为三反离轴系统，包括：主反射镜、次反射镜和三反射镜；其中，来自地物目标的辐射信息依次经主反射镜、次反射镜和三反射镜反射后进入折转镜。
11.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，主反射镜、次反射镜和三反射镜面形均为非球面，采用sic基底材料，表面镀增反膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的反射率大于
0.98。
12.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，中继光学装置为透射式系统，包括：前透镜组、窗口和后透镜组；其中，前透镜组和后透镜组分别设置在窗口的前后两侧，来自地物目标的辐射信息依次经主光学装置和折转镜反射后进入中继光学装置，并经前透镜组、窗口和后透镜组折射后汇聚到双线列tdi红外探测器上。
13.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，
14.前透镜组，包括：第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜按顺序依次设置在窗口前方；
15.后透镜组，包括：第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，第四透镜、第五透镜和第六透镜按顺序依次设置在窗口后方。
16.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，
17.第一透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜面形均为非球面；
18.第二透镜的前表面为球面，后表面为自由曲面；
19.窗口为平面镜。
20.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，
21.第一透镜、第二透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的材料均为锗，前表面和后表面均镀增透膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.98；
22.第三透镜的材料均为硒化锌，前表面和后表面均镀增透膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.98；
23.窗口的材料为锗，前表面和后表面均镀带通膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.92，在其他谱段的透过率小于0.5％。
24.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，
25.主反射镜、次反射镜、三反射镜和前透镜组的工作温度为18℃；
26.窗口的工作温度为10℃；
27.后透镜组的工作温度为-73℃；
28.探测器-制冷机组件的窗口玻璃温度为-38℃。
29.在上述宽幅超分辨率红外成像系统中，
30.双线列tdi红外探测器为8024元双线列6级tdi红外探测器，包括8个1024元双线列红外探测器模块，1024元双线列红外探测器模块内2个双线列红外探测器的线列方向错位排布0.5个像元，模块间拼接重叠像元数为24元；
31.制冷机为脉冲管制冷机。
32.本发明具有以下优点：
33.(1)本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，采用大视场超低畸变长波红外光学系统和双线列tdi红外探测器，通过卫星飞行推扫来获取超分辨率图像，既能实现大视场观测幅宽和高温度分辨率，又能提升系统空间分辨率，在不增加光学系统焦距的条件下，实现了空间分辨率的提升，从而降低了成像系统的重量和体积。
34.(2)本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，结合双线列tdi红外探测器采样特点，实现了卫星飞行和探测器线列方向的双向过采样超分成像，能获取更多的图像高频信息。
35.(3)本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，双线列tdi红外探测器有2种工作模式，超分成像工作模式和非超分成像工作模式；在非超分成像工作模式下，两个线列的红外探测器互为备份，提高了系统可靠性。
36.(4)本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，光学成像系统采用分工作温度区域设计，主光学装置工作在常温状态，中继光学装置的后透镜组工作在低温状态，极大降低成像系统背景辐射，提升了系统的灵敏度和动态范围。
37.(5)本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，第二透镜后表面采用自有曲面，将焦面双线列tdi红外探测器第
①
排器件和第
②
排器件同序号像元以及每排器件相邻序号像元的畸变相对值减小到优于
±
1μm，保证了超分辨率图像效果。
附图说明
38.图1是本发明实施例中一种宽幅超分辨率红外成像系统的组成示意图；
39.图2是本发明实施例中一种主光学装置的组成示意图；
40.图3是本发明实施例中一种中继光学装置的组成示意图；
41.图4是本发明实施例中一种双线列tdi红外探测器的组成示意图；
42.图5是本发明实施例中一种相邻像元畸变示意图；
43.图6是本发明实施例中一种同像元畸变示意图。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
45.如图1，在本实施例中，该宽幅超分辨率红外成像系统，包括：遮光罩、光学成像系统和视频处理器。其中，遮光罩设置在光学成像系统前方，来自地物目标的辐射信息经遮光罩后进入光学成像系统；光学成像系统将辐射信息转换为电信号后送至视频处理器；视频处理器对电信号进行阻抗变换、模数转换和编码处理后，送至外部的卫星数传分系统。需要说明的是，来自地物目标的辐射信息具体可以是指：目标辐射的长波红外光。
46.在本实施例中，如图1，光学成像系统具体可以包括：主光学装置1、折转镜2、中继光学装置3和探测器-制冷机组件4；探测器-制冷机组件4进一步可以包括：双线列tdi红外探测器和制冷机。其中，制冷机为脉冲管制冷机，用于对双线列tdi红外探测器进行制冷；来自地物目标的辐射信息经遮光罩后进入主光学装置1，经主光学装置1反射后进入折转镜2，折转镜2反射的光束经过中继光学装置3后成像在双线列tdi红外探测器上并转换为电信号后输出。
47.在本实施例中，如图2，主光学装置1为三反离轴系统，具体可以包括：主反射镜5、次反射镜6和三反射镜7。其中，来自地物目标的辐射信息依次经主反射镜5、次反射镜6和三反射镜7反射后进入折转镜2。
48.优选的，主反射镜5、次反射镜6和三反射镜7面形均为非球面，采用sic基底材料，表面镀增反膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的反射率大于0.98。
49.在本实施例中，如图3，中继光学装置3为透射式系统，具体可以包括：前透镜组8、窗口9和后透镜组10。其中，前透镜组8和后透镜组10分别设置在窗口9的前后两侧，来自地
物目标的辐射信息依次经主光学装置1和折转镜2反射后进入中继光学装置3，并经前透镜组8、窗口9和后透镜组10折射后汇聚到双线列tdi红外探测器上。
50.优选的，前透镜组8具体可以包括：第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13；其中，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13按顺序依次设置在窗口9前方。后透镜组10具体可以包括：第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16；其中，第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16按顺序依次设置在窗口9后方。
51.优选的，第一透镜11、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16面形均为非球面；第二透镜12的前表面为球面，后表面为自由曲面；窗口9为平面镜。
52.优选的，第一透镜11、第二透镜12、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16的材料均为锗，前表面和后表面均镀增透膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.98。第三透镜13的材料均为硒化锌，前表面和后表面均镀增透膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.98。窗口9的材料为锗，前表面和后表面均镀带通膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.92，在其他谱段的透过率小于0.5％。
53.优选的，主反射镜5、次反射镜6、三反射镜7和前透镜组8的工作温度为18℃；窗口9的工作温度为10℃；后透镜组10的工作温度为-73℃；探测器-制冷机组件4的窗口玻璃温度为-38℃。
54.在本实施例中，如图4，双线列tdi红外探测器为8024元双线列6级tdi红外探测器，包括8个1024元双线列红外探测器模块，1024元双线列红外探测器模块内2个双线列红外探测器的线列方向错位排布0.5个像元，模块间拼接重叠像元数为24元。
55.综上所述，本发明公开了一种宽幅超分辨率红外成像系统，基于双线列tdi红外探测器进行双向过采样超分辨率成像，具有大幅宽、高灵敏度、高空间分辨率的特点，在不改变光学系统口径条件下，可有效提升相机空间分辨率。
56.在上述实施例的基础上，下面结合一个具体应用进行说明。
57.该宽幅超分辨率红外成像系统通过卫星飞行推扫的方式获取图像，光学成像系统工作谱段为7.7μm～10.5μm，视场角为8.6
°×
1.1
°
，焦距为1038mm，空间分辨率超分前15m，超分后10m，温度分辨率为50mk，幅宽为117km。该宽幅超分辨率红外成像系统，包括：
58.遮光罩
59.遮光罩完全暴露在外空间，外表面包覆多层隔热组件，结构选用环氧树脂基碳纤维复合材料。
60.星上定标装置
61.星上定标装置用黑体对光学成像系统和视频处理器进行定标。定标时，星上定标装置将黑体切入光路进行定标。
62.光学成像系统
63.光学成像系统包括：主光学装置1、折转镜2、中继光学装置3和探测器-制冷机组件4。其中，辐射信息经主光学装置1反射后进入折转镜2，折转镜2反射的光束经过中继光学装置3后成像在探测器-制冷机组件4的双线列tdi红外探测器上并转换为电信号后输出。
64.主光学装置1包括：主反射镜5、次反射镜6和三反射镜7；主反射镜5、次反射镜6和三反射镜7均为非球面，采用sic基底材料，表面镀增反膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的反射率大于0.98；主反射镜5通光口径为642mm
×
481mm，次反射镜6通光口径为222mm，三反
射镜7通光口径为557.4mm
×
383.2mm。折转镜2为矩形平面镜，表面镀有增反膜，通光口径为357.4mm
×
135.4mm，与光轴夹角为45
°
。
65.中继光学装置3包括：前透镜组8、窗口9和后透镜组10；前透镜组8包括：第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13，后透镜组10包括：第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16。其中，第一透镜11、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16面形均为非球面；第二透镜12的前表面为球面，后表面为自由曲面，进一步校正光学系统的畸变；窗口9为平面镜。第一透镜11、第二透镜12、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16的材料均为锗，前表面和后表面均镀增透膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.98；第三透镜13的材料均为硒化锌，前表面和后表面均镀增透膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.98；窗口9的材料为锗，前表面和后表面均镀带通膜，在7.7μm～10.5μm谱段范围内的透过率大于0.92，在其他谱段的透过率小于0.5％。
66.光学成像系统具有多个工作温度区域，前透镜组8的工作温度为18℃，窗口9的工作温度为10℃，后透镜组10的工作温度为-73℃，加隔热用的窗口9实现常温透镜和低温透镜温度分区。其中，后透镜组工作在低温状态，将内部杂散辐射减小2个数量级，有利于提升系统的温度灵敏度和动态范围。
67.如图4所示，双线列tdi红外探测器为8024元双线列6级tdi红外探测器，包括8个1024元双线列红外探测器模块，1024元双线列红外探测器模块内2个双线列红外探测器的线列方向错位排布0.5个像元，间距为10um，模块间拼接重叠像元数为24元。单线列红外探测器奇、偶像元品字形排布，像元尺寸大小为20um
×
20um，像元中心距为40um。红外探测器tdi方向4级过采样，采样间距为10um。其中，双线列tdi红外探测器有2种工作模式，超分成像工作模式和非超分成像工作模式，在非超分成像工作模式下，两个线列的红外探测器互为备份，提高了系统可靠性。
68.如图5和图6所示，光学成像系统相邻像元相对畸变为0.8um，光学系统第
①
排器件和第
②
排器件同序号像元相对畸变
±
0.9μm，畸变相对值优于
±
1μm。
69.视频处理器
70.视频处理器由焦面电路和信号处理盒组成。焦面电路通过运放完成电信号的阻抗变换，信号处理盒通过ad完成电信号的模数变换。
71.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
72.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。