谐振透镜补偿式面阵ccd步进凝视型光学系统的制作方法
【专利摘要】谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，用于红外光电探测与跟踪领域，为解决现有面阵红外CCD光电装置在告警探测工作过程中出现图像拖尾现象，该系统从左至右同轴放置前镜头组件、谐振透镜组件和红外面阵CCD组件；其中谐振透镜组件包括测角元件、谐振音圈电机和谐振透镜，测角元件、谐振音圈电机和谐振透镜采用直线安装的方式进行一体化装配，测角元件能够高精度地输出谐振透镜的偏摆角度；前镜头组件由多片镜片组成，且多个镜片同轴放置；该前镜头组件具有光路压缩和准直的功能，能够将视场内的景物压缩至CCD靶面能够接收的范围；谐振透镜组件设置在前镜头组件和红外面阵CCD组件中间位置处，且位于光学系统中光束最窄的位置。
【专利说明】谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，采用谐振透镜解决面 阵红外CCD扫描成像过程中造成的图像拖尾问题的光学系统，应用于红外光电探测与跟踪 领域。
【背景技术】
[0002] 红外光电探测与跟踪装备的主要性能指标要求包括探测距离、有效空域告警扫描 时间周期、目标跟踪判断灵敏度等。光电对抗装备的一般特征是首先利用红外波段探测器 或可见光波段电视对目标实现发现、识别与跟踪，然后启动干扰或毁伤类激光器对目标进 行特定波段的干扰或毁伤性破坏。在这个过程中跟瞄装置一般采用隐身被动式接收，对抗 装置一般采用主动式激光发射。跟瞄装置需要始终快速精确跟踪干扰目标，激光发射装置 需要根据跟瞄装置的高精度跟瞄完成对目标的干扰或破坏。基于这个原理，光电对抗领域 中所涉及到的红外光电探测与跟踪装置需要具备对目标快速探测告警和高精度跟踪定位 的能力。当前的红外告警与跟踪探测器件包括线阵C⑶和面阵(XD。红外线阵(XD的成像 特点是通过扫描的方式对视场内的景物进行成像，这种器件的优点是成像清晰无拖尾，缺 点则是扫描周期长、无法在满足扫描周期时间要求的情况下对某一空域连续扫描成像，这 就造成其探测距离近且无法兼顾对目标的跟踪需求。而面阵CCD从原理本质上看是由多条 线阵CCD拼接而成的，其成像过程中不需要像线阵CCD那样通过扫描实现，因此可以在较 短的时间对视场内的景物多次成像或增加成像积分时间，这就可以将更远距离的目标探测 至IJ。因此红外面阵CCD可以实现光电对抗所要求的对目标高精度跟踪功能。由于面阵红外 CCD成像时不需要有机械扫描过程，因此系统能够实现短周期告警扫描。从原理上看红外面 阵CCD无论是在告警扫描阶段还是在目标跟踪阶段均比线阵CCD表现优异。但在目前的光 电告警探测领域实际应用中红外线阵CCD仍为主流，红外面阵CCD主要用于对目标的跟踪 或某特定空域的连续探测成像。究其原因红外面阵CCD在快速扫描过程中会有景物拖尾现 象，当红外面阵(XD在周向运动过程中无法对目标成清晰的像。这种红外面阵(XD在告警 探测领域应用中的技术瓶颈极大地限制了其优点释放。进而造成了在光电对抗领域中需要 红外告警探测和连续跟踪两套系统，而无法将这两项功能用一套红外面阵CCD成像系统步 进凝视的工作方式进行整合。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有面阵红外C⑶光电装置在告警探测工作过程中会出现图像拖尾现 象，进而导致红外面阵CCD无法直接用于红外告警作业的问题，本发明提供了一种适用于 红外告警探测与跟踪装置的谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统。
[0004] 谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，该光学系统从左至右同轴放置前 镜头组件、谐振透镜组件和红外面阵CCD组件；其中谐振透镜组件包括测角元件、谐振音圈 电机和谐振透镜，所述的测角元件、谐振音圈电机和谐振透镜采用直线安装的方式进行一 体化装配，测角元件能够高精度地输出谐振透镜的偏摆角度；
[0005] 所述的前镜头组件由多片镜片组成，且多个镜片同轴放置；该前镜头组件具有光 路压缩和准直的功能，能够将视场内的景物压缩至CCD靶面能够接收的范围；
[0006] 所述的谐振透镜组件设置在前镜头组件和红外面阵C⑶组件中间位置处，且位于 光学系统中光束最窄的位置。
[0007] 本发明的有益效果是：本发明将可实现高频偏摆的谐振透镜引入传统红外告警光 路中，用于补偿红外光学系统运动所造成的红外面阵CCD上所成目标图像的拖尾，最终实 现基于红外面阵CCD的步进凝视型光电告警探测与跟踪。实现将红外面阵CCD用于光电对 抗领域中的快速红外告警与探测，从而发挥其相比于红外线阵CCD而言探测距离更远、告 警速度更快的优点。
[0008] 在传统的红外告警探测装置的基础上进行改进：1、将高频偏摆透射式振镜置于面 阵红外CCD光电告警探测系统光路中，用于补偿整个系统告警时快速方位旋转所造成的图 像拖尾问题。振镜的运动方向与速度需与整个光电告警探测系统的运动方向和速度匹配， 由于振镜的补偿运动实现目标光线的折射，即在面阵红外CCD对视场内的目标进行成像的 几毫秒时间内保证视场目标光相对于CCD靶面保持静止。由于光电告警探测系统需始终保 持按一定的速度进行周向运动，而凝视型面阵红外CCD系统的成像需保持积分时间内的光 路光线稳定，这就要求系统成像过程中振镜的偏摆方向与系统整体的运动方向相反。相对 于线阵红外CCD面阵系统工作过程中省略了扫描运动过程，进而节省了时间，这样便能够 实现将面阵红外CCD用于红外告警探测装置中且成清晰的目标图像，从而充分发挥面阵红 外CCD对目标的远距离成像和快速成像。这对于光电对抗领域所追求的对敌方目标探测 距离远、探测周期块的要求而言是非常有用的。2、在光电对抗领域中采用面阵红外CCD实 现红外告警探测功能，可将当前告警与跟踪功能独立的两套系统整合到一套系统上，同时 实现对目标的告警探测与跟踪功能。线阵红外CCD对目标成像必须有机械运动参与，当前 的线阵红外告警系统的CCD像元排列方向多与整体系统的运动方向垂直，因此线阵红外告 警系统工作过程中必须始终处于周向运动中，无法实现对某一区域目标的连续跟踪，只能 系统旋转一圈进行一次目标探测与识别，这对于光电对抗领域中的快速运动导弹或战机的 告警跟踪而言是非常不利的，因此当前的红外告警探测系统仅仅能够提供对目标的告警信 息，而告警完成后对目标的精密跟踪则往往要依靠其他光电设备实现，这无论是在成本上 还是在时间上都是非常不利的。而面阵红外C⑶则可以实现对目标的持续跟踪，因此通过 引入快速振镜解决系统运动时CCD成像的拖尾问题，则可以由同一套设备实现红外告警探 测与跟踪功能。面阵红外CCD用于告警探测过程时可通过步进凝视的方式进行，整个光学 系统的运动过程与当前的线阵红外CCD告警系统一样连续旋转，步进体现在面阵红外CCD 积分过程中，当系统完成对某一视场的成像后CCD停止对目标进行成像，振镜快速偏摆至 设定位置，当系统运动至下一视场区域后CCD开始对该区域目标进行成像，在这个过程中 振镜与系统协调运动，使CCD成像开始时的景物图像始终相对于靶面不产生位移，这样便 能够消除由于系统始终运动造成的图像拖尾问题。当CCD完成对该区域目标的成像后振镜 也同步停止，然后进入下一区域的告警成像。由此可实现面阵红外CCD在告警探测过程中 的步进凝视。由于面阵红外CCD成像时的积分时间非常短，因此对某一区域成像时可通过 加长积分时间方式提高对目标的探测能力，这样系统的探测距离将比现有的线阵红外CCD 探测系统远得多。由于面阵红外CCD探测过程中系统不需要进行扫描运动，因此当系统完 成告警探测，给出威胁较高的目标方位角度信息后该系统可停止周向运动，视场始终覆盖 目标，此时系统便由告警探测模式转入跟踪模式，持续输出目标的高精度位置信息给光电 对抗系统。这样一套面阵式光电系统便可完成当前主流应用中告警探测和跟踪功能分别由 不同设备接力完成的功能，极大地简化光电对抗装备的系统组成，并提高对目标的告警探 测能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统的结构示意图。
[0010] 图2为本发明所述的谐振透镜组件结构示意图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0012] 如图1、2所示，谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，该光学系统从左至 右同轴放置前镜头组件1、谐振透镜组件2和红外面阵CCD组件3 ;其中谐振透镜组件2包 括测角元件4、谐振音圈电机5和谐振透镜6,测角元件4、谐振音圈电机5和谐振透镜6采 用直线安装的方式进行一体化装配，测角元件4能够高精度地输出谐振透镜6的偏摆角度。
[0013] 前镜头组件1在该系统中所提供的作用与传统的光学系统所提供的光路压缩、准 直功能是一致的，能够将视场内的景物压缩至CCD靶面能够接收的范围。该前镜头组件1 由多片镜片组成，为保证各镜片光轴的高度一致性，装配过程中采用定心车的方式进行。
[0014] 谐振透镜组件2位于前镜头组件1和红外面阵C⑶组件中间位置处，将其置于光 学系统中光束最窄的位置处，以便于缩小谐振透镜组件2的体积。
[0015] 谐振透镜6采用能够透过红外特定波段的ZnSe材料，该材料的增透膜波长与红外 面阵C⑶组件3的波长完全一致。
[0016] 谐振透镜6采用折射的方式，对光学系统运动过程中出现目标景物拖尾进行补 偿。
[0017] 测角元件4需采用绝对式光栅或电容元件，若采用相对式测角系统，则需要具备 零点补偿功能。
[0018] 测角元件4与谐振音圈电机5在系统工作期间的温度变化范围内保持正常工作， 且无温度漂移，必要时可通过增加温控系统实现此功能。
[0019] 当红外探测系统的口径和焦距较小时，前镜头组件1可采用这种直接的光学系统 形式。当光学系统为大口径系统或长焦距系统时，前镜头组件1也可以采用谐振透镜组件 2的结构进行图像拖尾补偿。由于振镜的运动为往返不等速摆动，因此其加速度非常大，要 求谐振透镜6的转动惯量尽可能地小，因此在光学系统设计过程中需充分考虑在光路的某 一位置压缩光束的直径，从而降低谐振透镜6的直径，进而降低对谐振音圈电机5的力矩要 求。
[0020] 谐振透镜组件2在面阵红外CCD光学系统做匀速方位告警探测时进行周期性的间 歇摆动。当整个光学系统进行光学跟踪时谐振透镜组件的运动方式则需根据光路偏转的速 度和方向进行相应的匹配运动。若跟踪目标为迎头导弹或飞机时，由于整个面阵红外CCD 光学系统并无偏转移动，因此谐振透镜组件2也不需要进行偏转补偿，此状态下只需满足 系统的等光程条件即可。
[0021] 红外面阵C⑶组件3为面阵探测器件，其本身具备凝视功能，其与包括谐振透镜组 件2在内的光学系统配合工作时可实现系统的步进凝视功能。
[0022] 如图1所示，当系统处于对目标的告警探测过程时，整体做匀速圆周运动从而实 现对空域的360°全方位扫描。系统根据视场角、焦距、面阵红外(XD靶面像元尺寸及数目 等参数确定CCD积分速度、积分时间、系统运动速率等参数，最终确定系统在一个扫描周期 内CCD的积分成像次数。根据这些参数设定谐振透镜的运动周期、速度曲线等参数。根据 不同需求可设置不同的系统及振镜运动参数，但必须保证两者运动参数的协调匹配。当CCD 对某一视场区域开始成像时，振镜按匹配的运动曲线由初始零点开始匀速运动，通过对光 线的折射补偿由于系统始终运动造成的该初始视场景物在CCD上的偏移。当CCD完成对该 初始视场区域的成像积分时振镜同步停止向转台的反方向摆动。由于系统始终处于匀速圆 周运动过程中，此时系统光路中心已经偏离(XD开始成像时的方向，但尚未到达下一成像 视场区域。在系统运动至下一成像区域的时间过程中振镜通过快速回摆向初始零点方向运 动。当系统到达下一成像区域时摆镜恰好位于初始零点位置处，速度恰好处于补偿运动时 的匀速设定值。此时便完成一个小周期的告警探测。系统视场的方位角度与小周期的个数 的乘积为360°。通过不断的重复这种小周期过程可实现面阵红外CCD系统对全空域的告 警探测。当系统处于对目标的跟踪过程时，整体不做匀速圆周运动，而是根据目标的位置做 随动运动。如图1所示，这种安装方式的振镜仅能补偿方位单一方向的目标图像拖尾，若要 完成对图像的俯仰拖尾则需要再横置一振镜，同时对两个方向的目标图像拖尾进行补偿。 在这个精密跟踪过程中系统需根据锁定目标的运动进行随动，而振镜则需根据系统的运动 轨迹进行相应的匹配运动。
【权利要求】
1. 谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，其特征是：该光学系统从左至右同 轴放置前镜头组件（1)、谐振透镜组件（2)和红外面阵CCD组件（3);其中谐振透镜组件（2) 包括测角元件（4)、谐振音圈电机（5)和谐振透镜￠)，所述的测角元件（4)、谐振音圈电机 (5)和谐振透镜（6)采用直线安装的方式进行一体化装配，测角元件（4)能够高精度地输出 谐振透镜￠)的偏摆角度； 所述的前镜头组件（1)由多片镜片组成，且多个镜片同轴放置；该前镜头组件（1)具有 光路压缩和准直的功能，能够将视场内的景物压缩至CCD靶面能够接收的范围； 所述的谐振透镜组件（2)设置在前镜头组件（1)和红外面阵CCD组件（3)中间位置处， 且位于光学系统中光束最窄的位置。
2. 根据权利要求1所述的谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，其特征是： 所述的红外面阵C⑶组件（3)为面阵探测器件，其本身具备凝视功能，其与包括谐振透镜组 件（2)在内的光学系统配合工作时可实现系统的步进凝视功能。
3. 根据权利要求1所述的谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，其特征是： 所述的谐振透镜（6)采用能够透过红外波段的ZnSe材料，该材料的增透膜波长与红外面阵 C⑶组件（3)的波长完全一致； 所述的谐振透镜（6)采用折射的方式对光学系统运动过程中出现目标景物拖尾进行 补偿。
4. 根据权利要求1所述的谐振透镜补偿式面阵CCD步进凝视型光学系统，其特征是： 所述的测角元件（4)需采用绝对式光栅或电容元件。
【文档编号】G01S17/06GK104216090SQ201410440449
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】陈兆兵, 陈宁, 庄昕宇, 时魁, 王兵, 曹立华 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所