[发明专利]大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统及像移补偿方法

说明书

本发明公开了一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统及像移补偿方法，从物面到像面依次包括：前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、扫描振镜、二次会聚组、转折反射镜、三次成像组、光学窗口、孔径光阑。最大变焦倍率可达20倍，各档焦距下畸变小于1％；扫描振镜处于锁紧状态时，光学系统可工作于凝视跟踪模式；扫描振镜处于往返回扫模式时，光学系统处于周扫搜索模式，通过扫描振镜的回扫可补偿由扫描平台转动带来的曝光时间内的物面移动，保持旋转扫描时成像清晰与稳定。系统采用正组补偿机械变焦以及中间平行光路扫描的形式，实现多档面阵扫描、大倍率连续变焦凝视跟踪。可实用于基于面阵探测器的搜索与跟踪一体的红外系统中。

技术领域

本发明涉及红外探测光学系统，特别的，是涉及到一种大倍率连续变焦面阵扫描的红外光学系统。

背景技术

红外搜索跟踪系统具备目标搜索与目标跟踪两种功能，具有隐蔽性好、探测范围广、定位精度高、识别伪装能力强以及抗电磁干扰等多种优点，已得到了广泛关注和应用。

红外搜索跟踪系统的工作模式为：首先红外系统平台以一定的转速，进行方位360°或者重点区域角度范围内进行扫描成像。在发现目标后，系统切换至跟踪模式。这就要求红外搜索跟踪系统具备连续扫描成像、以及凝视成像的功能。随着搜索与跟踪一体化的应用需求，发展了连续扫描型面阵探测器成像系统。连续扫描型面阵成像系统在积分时间内的扫描，会导致焦平面和景物之间产生相对运动，造成拖尾，使图像变得模糊。通过回摆补偿技术，可实现同时具备红外周扫搜索以及凝视跟踪功能的面阵扫描红外系统。

国内外均开展了基于面阵探测器的扫描型红外搜索跟踪系统的相关应用研究。法国HGH红外系统公司研制了高分率广域监视系统。该系统采用反扫补偿型像移补偿方案，采用制冷型中波红外面阵探测器，可以2秒/圈的搜索速率完成方位360°扫描，俯仰视场5°。

2012年西安工业大学针对光电预警探测系统展开研究，采用中波3.7-4.8um的面阵探测器，分辨率320×256。输出图像帧频50HZ，系统焦距90mm，光学系统F数为2。反扫补偿的方式，利用一块有限转角直流力矩电机带动反射镜实现系统对焦平面热像仪凝视补偿功能，消除面阵列器件在周视搜索过程中图像拖尾的现象。(白波.采用焦平面探测器的红外搜索跟踪系统关键技术研究，采用焦平面探测器的红外搜索跟踪系统关键技术研究[D].西安工业大学)

2014年，CN 104539829 A发明中，公开了一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构，该结构实现了单个红外面阵探测器在360度全方位扫描成像，保证红外图像获取时不因为平台旋转而产生模糊效应，可以充分发挥面阵红外焦平面探测器积分时间长、灵敏度高的特点。

2016年，中国科学院上海技术物理研究所设计了面阵探测器连续扫描成像光学系统，系统焦距73mm，F/2，搭配320×256的探测器。(于洋，王世勇等.面阵探测器连续扫描成像光学系统，红外与激光工程，2016，45(1):0118002-1～0118002-5)

2019年，在发明CN110119022A中，公开了一种两档变焦面阵扫描光学系统，系统可进行大小视场的切换，并在两种状态下进行面阵回摆成像。

由此可见，目前报道的红外面阵扫描光学系统均为定焦距或者两档变焦设计，尚不具备大倍率多档面阵扫描，凝视跟踪连续变焦功能。其360°周扫搜索，以及凝视跟踪时，对目标的分辨率不能连续变化，无法兼顾大视场搜索以及小视场连续跟踪的功能。

发明内容

基于上述问题的存在，本发明提出了大倍率红外连续变焦面阵扫描光学系统。本发明的目的是：提供一种大倍率红外连续变焦面阵扫描光学系统，通过变倍组与补偿组的移动，可实现多档变焦面阵扫描、连续变焦凝视跟踪、-30℃～+60℃工作温度补偿、不同距离成像的调焦。