[发明专利]一种红外连续变焦面阵扫描光学系统及像移补偿方法

说明书

本发明公开了一种红外连续变焦面阵扫描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、补偿组、变倍组、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。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，变焦倍率可达6倍，各焦距畸变小于0.5％。扫描振镜在一定角度范围内往返扫描时，光学系统可工作于面阵周扫搜索模式，系统可在多档焦距之间变焦，扫描过程不产生离焦，成像清晰。系统变焦及扫描形式简洁、通过两组光学元件的移动以及中间平行光路引入扫描镜、使系统具有扫描镜尺寸小、扫描过程无离焦、多档面阵周扫、超低光学畸变、凝视连续变焦的特点，可实用于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，是涉及到一种连续变焦面阵扫描的红外光学系统及像移补偿方法。

背景技术

红外搜索与跟踪利用目标的红外特性探测跟踪目标，能提供全景监视能力，能在夜间或能见度较差的情况下搜索目标，提高系统对空中、地面及海面威胁目标的感知能力，已成为现代重要武器装备之一。红外搜索跟踪系统具备目标搜索与目标跟踪两种功能。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。红外搜索跟踪系统具有隐蔽性好、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。

采用红外线列探测器的红外告警系统，可通过平台扫描，进行方位360°范围的成像。在发现目标后，无法对目标进行跟踪。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。

国外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红外系统公司于2014年研制了高分率广域监视系统Spynel-X8000，系统可以用2秒/圈的搜索速率完成方位360°扫描，俯仰视场5°。系统采用反扫补偿型像移补偿方案，采用了制冷型中波红外面阵探测器。

西安工业大学2012年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