64光学设计

1多孔径搜索系统阵列设计1.1多孔径合成视场阵列结构设计由于目前通过单一的红外成像系统难以完成大视场搜索、远距离探测任务，因此，为了同时兼顾大视场搜索、远距离探测，本文提出了多孔径合成视场的方法，以保证一旦目标出现在合成搜索视场内就要能够发现目标，并能够给出其较为准确的方位。多路热像仪的排列方式应当保证在整个探测距离范围内，各个热像仪目标搜索范围之间有足够的重叠区域，以保障不发生目标视场的遗漏。1.1.12×2方式合成搜索视场阵列设计图5-12×2方式合成搜索视场阵列设计示意图如图5-1所示，四个热像仪的光轴呈发散状排列，采用球面作为四个热像仪的安装基板，安装保证四个热像仪的光轴与该处球面法线重合，达到扩大视场的目的。整个系统绕通过球心的竖直轴水平转动，环视搜索目标。搜索视场水平方向的截面图如错误!未找到引用源。所示，F，B点为两个热像仪，CB，CF为其光轴，轴线相交于C点，定义为基圆圆心，CB，CF长度定义为基圆半径，设其值为R，CB，CF夹角为。热像仪视场角为。合成视场角为W，轴线为DC，探测距离为L。图5-2两个热像仪合成视场的示意图将圆心标为C，则在三角形ABC中，可见，2，依正弦定理：sinsin2RRL＝，可以得到：sinsin2RRL（5-1）从错误!未找到引用源。可见，合成视场为：W（5-2）故2W－，也即：2W－（5-3）将错误!未找到引用源。式带入错误!未找到引用源。式，得合成视场为：2arcsin(sin)2RWRL（5-4）显然，只要按照式错误!未找到引用源。的计算结果选择合适的热像仪和进行合理安装，便可达到扩大合成视场的目的。在三角形DBC中，可见：222，即：，，要保证有合成视场必须0，这是设计时必须注意的。热像仪间距FB为：180FBR（5-5）其中β以度为单位。又从错误!未找到引用源。中可看出DBF部分是合成视场所看不到的，定义为近距离盲区。DE的长度定义为近距离盲区距离，在三角DCF中，依正弦定理：sinsin()222RDER化简，得：sin2sin()22DERR（5-6）从错误!未找到引用源。中可见，在探测距离大于近距离盲区距离的视场中，有足够的重叠区域，不会发生目标视场的遗漏，定义为系统正常工作区域。因对称性，其垂直方向截面图也如错误!未找到引用源。所示，各种关系与水平方向的关系类似，即式错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。也适用于垂直方向。搜索系统工作时，整个系统绕通过C点的竖直轴水平转动，环视搜索目标。1.1.23×3方式合成搜索视场阵列设计图5-33×3方式合成搜索视场阵列设计示意图如图5-3所示，9个热像仪的光轴呈发散状排列。经过与5.1.1节相同的推导过程，得合成视场：2arcsin(sin)2RWRL2（5-7）热像仪间距FB为：180FBR同错误!未找到引用源。近距离盲区距离为：sin2sin()22DERR同错误!未找到引用源。1.1.34×4方式合成搜索视场阵列设计图5-44×4方式合成搜索视场阵列设计示意图如图5-4所示，16个热像仪的光轴呈发散状排列。经过与5.1.1节相同的推导过程，得合成视场：2arcsin(sin)2RWRL3（5-8）热像仪间距FB为：180FBR同错误!未找到引用源。近距离盲区距离为：sin2sin()22DERR同错误!未找到引用源。推广至n个热像仪，则合成视场为：2arcsin(sin)2RWRL（n-1）（5-9）1.2系统结构参数计算由于系统的要求指标较少，满足要求的方案不只一个，因此在选择参数的时候要考虑到安装和加工方便等因素，选取最佳方案。设镜头焦距f，子系统的像元数为m×n来计算，单路成像系统视场为x×y。为保证组合阵列合成的搜索视场，各探测器光轴均为球面径向，取Y方向光轴夹角为y，X方向光轴夹角为x。系统透镜口径D，dx为X方向安装基线距离，dy为Y方向的装基线距离。于是可以求出球面安装基板的球面半径R：180xdxR（5-10）此时可得Y方向安装基线距离为：180ydyR（5-11）若已知在重叠距离处阵列合成视场角为Wx×Wy，由几何关系计算可知，各视场重叠区域的距离为：sin23sin22sin23sin22xxxxxyyyyyLRRWLRRW（5-12）按照90mm焦距镜头，单路成像系统视场为6.11°×4.89°。为保证组合阵列合成的24°×16°搜索视场，各探测器光轴均为球面径向，取Y方向光轴夹角均为4°，X方向光轴夹角均为6°。探测器的安装基线距离主要由探测系统外型尺寸来限制，探测系统的最大外形尺寸是由透镜的口径决定的。本系统透镜口径为65mm，由此可知，两个相邻探测器光学系统安装中心位置不得小于65mm。为了安装方便，取X方向安装基线距离250mm，于是可以求出球面安装基板的球面半径R：33.23871806250Rmm此时可得Y方向安装基线距离为：mmR1671804。若已知阵列合成视场角为16°，由几何关系计算可知，各视场重叠区域的距离为：mLY13.1323416289.4sin289.4sin39.2＝－－当视场重叠距离分别为30km和10km时，阵列合成视场均为16.89°。同理，在X方向，当组合阵列合成视场角为24°时，视场重叠距离161.08XLm。当视场重叠距离分别为30km和10km时，阵列合成视场均为24.11°。上述组合阵列的合成视场和视场重叠距离均符合本任务技战术要求。1.3结构参数对合成视场的影响影响合成视场的因素又很多，例如：单个镜头视场角，轴线夹角，基圆半径等等。下面根据式(5-10)逐一的分析其对合成视场的影响：2sinarcsin23LRRW1、单个镜头视场角α由式(5-10)可知，单个视场角增大，合成视场角随之扩大。与此同时，视场重叠的角度相对于单个子系统视场角的比例也在不断增大。2、轴线夹角β同理，轴线夹角的变化也会影响到合成视场角的变化，轴线夹角越大，子系统之间重叠的程度越小，合成视场角越大，同时由于单个子系统的视场角不会很大，因此轴线夹角在达到技术指标的前提下不宜过大，避免因此带来的重叠距离的增大（亦即盲区的扩大）。3、基圆半径R基圆半径是影响系统性能指标的又一重要因素。由于加工工艺和安装等人为因素使得安装半径的选取有一定的局限。半径越大，重叠距离（即视场盲区）相应增大。1.4合成视场坐标转换1.4.12×2方式合成搜索视场的角度坐标变换公式图5-5角度坐标变换公式的示意图搜索视场水平方向的截面图如图5-5所示。我们规定合成视场轴线DC为角度坐标零点，顺时针方向转动为正方向，逆时针方向转动为负方向。则，F点在主坐标系中，关联坐标为2b，B点在主坐标系中，关联坐标为2b。类似的，F视场中，规定视场轴线FC为角度坐标零点，顺时针方向转动为正方向，逆时针方向转动为负方向。B视场中，规定视场轴线BC为角度坐标零点，顺时针方向转动为正方向，逆时针方向转动为负方向。如图5-5所示，F视场中一点S，在F视场中从坐标为，在主坐标系中的相对坐标为，则S在主坐标系中的绝对坐标应为：2ab下面讨论的计算式。在三角形SFC中，依余弦定理：2222cos()SCSFFCSFFC即2222cosSCSFFCSFFC，因为FC=R，所以即是：222cosSCSFRSFR（5-13）又依正弦定理，sinsinSFSC，sinsinSFSC，sinarcsin()SFSC（5-14）将（5-8）代入，得：22sinarcsin()2cosSFSFRSFR（5-15）即，(,)SF，是，SF的函数。因对称性，垂直方向与水平方向关系相同。于是，视场中某一点S在主坐标系中的绝对坐标为：xxxyyyabab（5-16）式中：,xybb为任意一个热像仪在主坐标系中的关联坐标。取值如下：图5-62×2方式各个热像仪在主坐标系中的关联坐标热像仪1的关联坐标为：（2xb，2yb）热像仪2的关联坐标为：（2xb，2yb）热像仪3的关联坐标为：（2xb，2yb）热像仪4的关联坐标为：（2xb，2yb）1.4.23×3方式合成搜索视场的角度坐标变换公式经过与2.2.1节相同的推导过程，得视场中某一点S在主坐标系中的绝对坐标为：xxxyyyabab同（5-16）式中：,xybb为任意一个热像仪在主坐标系中的关联坐标。取值如下：图5-73×3方式各个热像仪在主坐标系中的关联坐标热像仪1的关联坐标为：（xb，yb）热像仪2的关联坐标为：（xb0，yb）热像仪3的关联坐标为：（xb，yb）热像仪4的关联坐标为：（xb，yb0）热像仪5的关联坐标为：（xb0，yb0）热像仪6的关联坐标为：（xb，yb0）热像仪7的关联坐标为：（xb，yb）热像仪8的关联坐标为：（xb0，yb）热像仪9的关联坐标为：（xb，yb）1.4.34×4方式合成搜索视场的角度坐标变换公式经过与2.2.1节相同的推导过程，得视场中某一点S在主坐标系中的绝对坐标为：xxxyyyabab同（5-16）式中：,xybb为任意一个热像仪在主坐标系中的关联坐标。取值如下：图5-84×4方式各个热像仪在主坐标系中的关联坐标热像仪1的关联坐标为：（xb32，yb32）热像仪2的关联坐标为：（xb12，yb32）热像仪3的关联坐标为：（xb12，yb32）热像仪4的关联坐标为：（xb32，yb32）热像仪5的关联坐标为：（xb32，yb12）热像仪6的关联坐标为：（xb12，yb12）热像仪7的关联坐标为：（xb12，yb12）热像仪8的关联坐标为：（xb32，yb12）热像仪9的关联坐标为：（xb32，yb12）热像仪10的关联坐标为：（xb12，yb12）热像仪11的关联坐标为：（xb12，yb12）热像仪12的关联坐标为：（xb32，yb12）热像仪13的关联坐标为：（xb32，yb32）热像仪14的关联坐标为：（xb12，yb32）热像仪15的关联坐标为：（xb12，yb32）热像仪16的关联坐标为：（xb32，yb32）1.5合成视场误差分析现以一个子阵列的情况来说明坐标变换所存在的误差。如图5-9所示：目标B、C对于单个子系统A的方位角同为θ，但对于系统的坐标中心OR，目标B、C的角度坐标存在σ的偏差。也就是说，单个像素框内的一个点变换到合成像素框内时有两个点和它对应。由余弦定理可知：22222222cos1802cos180cos2OCOAACOAACOBOAABOAABOBOCBCOBOC（5-17）由上式可得B、C两点到O点的角度偏移量：222arccos2OBOCBCOCOB（5-18）CBRσβ/2β/2OAθ图5-9误差分析示意图同时，探测器的角分辨率δ＝探测器单个像素尺寸h/探测器镜头焦距f，即单个像素所能分辩的角度。则B、C两点到O点的角度偏移转变为像素偏移量m。现取值如下：OA=R=2m；θ＝3.9°；像素尺寸h＝30μm；镜头焦距f＝40mm。图5