折反式坦克目标跟踪识别红外光学系统设计

　　1　引　　言

　　随着科学技术的飞速发展,应用光电混合联合变换相关器进行光学相关目标探测与识别是现代光学测试领域的前沿技术,并在军事上具有很高的探测、识别和跟踪的意义。坦克是地面作战的主要突击兵器和装甲兵的基本装备,坦克上的观测跟踪光学系统可与联合变换相关器结合,光学系统将扫描的目标图像输入给光电混合联合变换相关器,实现目标自动探测和识别,再把相关点的方位输入给火控系统,实现火炮自动跟踪和射击。红外波段可适宜夜战,为探测远距离的目标,系统应具有大口径,长焦距,高分辨率的特点,故宜采用折反式光学结构。因此,设计一个高性能的坦克观测跟踪红外光学系统是目标探测和识别的关键技术之一。

　　2　联合变换相关器

　　联合变换相关器探测的基本原理[1]是应用衍射原理和光学透镜的傅里叶变换功能实现输入图像的联合傅里叶变换。首先将参考图像与目标图像同时输入电寻址液晶,在第一个傅里叶变换平面上,用CCD记录联合变换功率谱。联合变换功率谱再经第二次傅里叶变换后,获得一对相关输出,从而得到实际探测物体的位置。设准直的相干单位振幅光入射到物体o(x,y)上,物体和参考图像被读入第一块电寻址液晶EALCD1。如果忽略噪声,光学傅里叶变换系统的输入函数可以写作[2]

　　输入函数在傅里叶透镜的后焦平面上的联合傅里叶变换:

　　联合变换功率谱由平方律探测器CCD接收,并输入到计算机,再反馈到第二块电寻址液晶EALCD2,在经过第二次傅里叶变换后,获得一对相关输出,实现相关探测[3]。该方法不仅识别速度快,而且具有较高的探测精度。光电混合实时联合变换相关器的结构如图1所示

　　3　卡塞格林系统

　　光学系统技术指标是:工作波段为8~12μm,口径为240mm,焦距为270mm,视场为2ω= 4°。由于该系统的探测器为TR-240红外CCD,像元素为320×240,像元尺寸为45μm×45μm,由此确定该系统的截止频率为11线对/mm。

　　根据上述的技术指标,该光学系统是大口径,长焦距的系统,首选反射式结构,如图2所示,这样不但可以缩短系统长度,减轻系统的重量,并且反射镜的材料比透射的材料容易制造。

　　反射系统中最典型、实用的是卡塞格林光学系统[4-5],由于其具有无色差、工作波段范围大、易于工程化等优点而被广泛地应用于空间光通信系统、大型天文望远系统、紫外和红外光学仪器、聚光照明等领域。典型的卡塞格林系统主镜为抛物面,次镜为双曲面,这只能校正轴上点球差。其缺点之一是没有满足正弦条件,像质优良的视场太小,一般不超过2′[6]。如果将主镜也改为双曲面,则可校正两种像差,即球差和彗差,视场便可增大。但为了满足设计要求,进一步增大视场,则还需校正场曲、像散和畸变。为此,Ritchey和Cretien提出的R—C系统对卡塞格林系统的视场进行了改良,该系统的主次镜形状很接近旋转双曲面。由于消除了彗差,可用视场比其它形式的卡塞格林系统更大一些,并且点列图成对称的椭圆形。为保证成像质量,R—C系统所能获得的最大视场一般为20′左右。为了进一步增大卡塞格林系统的视场,就要引入辅助的光学元件以校正像差。潘君骅院士[7]提出了一种“泛卡塞格林望远系统”并给出了四个设计结果,把视场提高到了1°( 2ω=1°),但该系统需要一个大口径的4次非球面补偿镜,因而结构庞大、加工成本高。史光辉[8]把卡塞格林系统的视场提高到3.2°,但该系统的主次镜的面形都是6次非球面,制作成本也很高。以上的卡塞格林系统的主次镜都是非球面,从而还存在高次的问题。