中波红外全景成像仪线扩散函数的模拟分析与验证

　　0 引 言

　　随着军事科学技术的发展，应用于军事国防的海上潜望镜所探测的目标隐蔽性越来越好。这使得研制开发获取超大视场，并能从大视场中提取目标位置和有用信息有着非常重要的意义。现有的观瞄系统搜索、跟踪、瞄准目标是通过控制平台的转动来获取360°的信息，不受其他干扰情况系转动扫描一周，需要10 s，在此扫描时间内，只能跟踪低速目标，而高速目标入侵存在未被发现的可能，进而可能遗失信息[1]。为了进一步提高搜索和跟踪目标的能力，无运动部件下实现全景凝视——不用转动光学系统(或扫描部件)就可在360°内一次凝视成像，实现实时全景成像具有重要研究意义[2]。全景成像系统是一种超半球成像系统，在经济、科技、军事、商业等各领域都具有广泛的应用，这种系统成像信息量大，特别适合用于各类监视器[3]。在特殊的军事监控领域，需要能够在红外波段工作，且满足360°实时成像的红外全景镜头。线扩散函数是评价成像系统的成像质量的一个重要参数，线扩散函数的模拟分析与验证对成像仪的研制至关重要。

　　本文设计了一种工作在中波红外波段(3~5 μm)的全景成像仪镜头，并开发出一种能够成功预测系统线扩散函数的模拟方法。

　　1 光学系统介绍

　　图1 为中波红外全景成像仪的光学系统光路图。抛物面反射镜接收到光线后，光线沿光轴平行方向反射到安置于其上方的副反射镜上，由远心成像系统接收。然后通过 F 数为2.5 的中继透镜装置并最终成像在焦平面阵列(FPA)。选择像元数为2048 pixels×2048 pixels，像元尺寸为15 μm 的锑化铟FPA。由此可以获取水平方向360°和垂直方向-10°~+30°的全景成像系统。系统各项主要特性参数如表1 所示。图2 为系统的MTF 曲线，在频率30 lp/mm 时，各视场的MTF 值都大于0.5。

　　2 系统模拟分析

　　这一部分我们提出了一种针对FPA 上所观察到信号的黑体辐亮度随波长和温度变化的函数关系。当波长为λ，温度为T 时，黑体源总的光谱辐亮度可以表示为

    (1)

　　式中：

　　假设滤光片对于入射辐亮度线性，式(1)可以通过对滤光片透过率曲线简单的叠加，然后对整个波段积分得到所接收到的全部信号[4]。

　　滤光片的透过率曲线呈矩形规律分布，如图3 显示，得：

　　式中：Θ(x)是海维赛德单位阶跃函数。根据实验测得的滤光片透过率测量结果，对各常数分别赋值：A=0.85，L ₁=3.35 μm，L₂ =4.15 μm，L₃ =4.55 μm，L₄ =5.1 μm。通过叠加积分即可得到探测器所观测的整个波段的总的黑体源辐亮度的表达式：