[发明专利]红外宽波段目标仿真光学系统

说明书

技术领域

本发明属于红外技术领域和仿真技术领域，涉及一种红外宽波段目标仿真光学系统，尤其涉及一种适用于测试红外短波和中波成像系统的动态目标识别与跟踪能力的红外目标仿真光学系统。

背景技术

随着红外成像技术的发展，红外成像系统已广泛应用于光学遥感、夜间导航、目标探测以及火控、制导等民用和军事领域。现代红外成像系统的重要特点是越来越复杂、精密，成本也越来越高，这使得对其进行的战场方案验证和飞行试验不但成本越来越昂贵，而且在最佳条件下每次试验获取的有用信息也非常有限。

红外半实物仿真技术能有效用于红外成像系统的性能评价，此外它还能大量减少外场飞行试验，节省经费开支和缩短武器研制周期。因此，半实物仿真技术在红外成像系统的研制过程中具有重要意义。作为红外半实物仿真技术的核心，利用红外目标仿真光学系统对目标场景进行模拟来测试红外成像系统，是世界各相关机构的重点研究内容之一。

目前，由于各种红外隐身、干扰技术的出现，红外成像系统正逐渐从单一波段向双波段、宽波段探测快速发展。世界各国已研制出多种双色红外成像系统。与此同时，针对红外多色成像系统性能测试的多色目标仿真光学系统也成为世界各仿真中心的重点研究项目。

对于宽波段目标仿真光学系统，影响其成像质量的首要挑战在于将不同波段的光谱信息成像于同一焦平面上，而由于色差的原因这点很难做到，另外一个重要挑战在于能传输宽波段信息的红外材料非常有限，而且某些材料价格极其昂贵。这些都制约着红外宽波段目标仿真光学系统的发展。目前设计此类光学系统的通用方法是选用至少三种不同的红外材料相配合，同时在某些透镜表面上使用非球面来保证成像质量。综合考虑材料的昂贵性以及非球面加工的难度，这使得研制成本大大增加。因此目前迫切需要一种在保证成像质量的基础上，满足价格低廉、易于加工装调要求的红外宽波段目标仿真光学系统。

发明内容

为了解决目前红外宽波段目标仿真光学系统价格昂贵，难于加工装调的缺点，本发明提出一种成像波段为2.2~4.8μm、视场为±4°及出瞳距为200mm的红外仿真光学系统，用于测试红外成像系统的动态目标识别与跟踪能力，该系统的显著优点在于：性价比很高，且易于加工装调。

本发明的红外宽波段目标仿真光学系统包括红外景象生成器、目标光学系统、耦合镜以及主投影光学系统四部分。规定沿光路方向从左至右为正方向。红外景象生成器发出的红外辐射经目标光学系统准直后进入耦合镜，再经主投影光学系统扩束后成像到无限远，与被测光学系统进行匹配，所述目标光学系统沿光路方向依次由平行平板、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，主投影光学系统沿光路方向依次由第一物镜、第二物镜、场镜、第一目镜和第二目镜组成。系统在主投影光学系统中引入的场镜，一方面起到了衔接前后光瞳的作用，另一方面也减小了后方镜组的横向尺寸，使系统变得紧凑。同时系统在平行光路中利用45°放置的平面耦合镜的方法，方便后续工作中引入干扰系统。

本发明的红外宽波段目标仿真光学系统的设计，首先根据系统参数选取已有相似专利，之后根据系统波长、视场、焦距等参数要求，依据像差理论，通过添去透镜，改变透镜位置等对其进行优化，最后得到本发明的红外宽波段目标仿真光学系统的光学结构。设计过程中，该系统采用逆向光路追迹，以实现主投影光学系统出瞳与被检测系统入瞳的匹配。

红外宽波段目标仿真光学系统为透射式无焦系统，系统放大倍率为2，这使得耦合镜所在光路光束尺寸减小一半，从而大大减小了耦合镜的尺寸，并且不产生非对称性像差，便于像差校正。目标光学系统和主投影光学系统分别设计并优化，最后再对整个目标仿真光学系统进行优化。

系统出瞳位于系统的主投影光学系统后200mm处，能够与被检测红外成像光系统的入瞳完全匹配，可以实现不受系统外杂散光的干扰，红外景象生成器发出的红外辐射经目标光学系统准直后经过主投影光学系统投射到无限远，最终为中、短波红外成像系统所探测，以实现对此类系统目标识别与跟踪功能的检验。

本发明在仅用两种红外材料且透镜表面全为标准球面的限制条件下，在考虑能量透过率、加工装调可行的基础上，完成了一种工作波段为2.2~4.8μm，视场为±4°及出瞳距为200mm的红外仿真光学系统设计，调制传递函数在20lp/mm时大于0.6，接近衍射极限。系统可作为测试红外光学系统的目标模拟器而广泛应用，优点在于价格低廉、工程可实现性很强。本发明具有以下优点：

1、该系统的出瞳在整个系统外200mm外，可以满足系统的出瞳和被测红外成像系统的光学入瞳相匹配，检测过程不受外杂散光的干扰。