全局优化高比变焦系统研究

　　1　前　言

　　纵观变焦传感器系统研发的历史,可以发现:总体性能的提升很大程度上取决于核心光学系统的先进性,而系统采用的光学设计严重受制于优化技术的发展。早期的变焦传感器系统由于受到传统开发理念和设计方法的限制,则焦距变化范围只能选择离散或低比形式,而且往往还要求采用复杂的光机扫描方式和折反射式光学系统,从而造成能量的严重损失,难于保证探测范围和成像精度,同时存在加工和造价方面的劣势。而有所进步的第二代变焦传感器系统,虽然在构型和设计方法方面逐步改进,但其光学设计仍然局限于采用光机扫描型式,变焦系统的潜能仍然不能得到充分发挥,进而造成焦距变换不能连续,在探测目标辐射的过程中不能确保定时定域成像,同时受到更多干扰的影响。只有随着先进的凝视型面阵焦平面阵列(FPA)探测器的问世,特别是大幅式FPA探测器的迅速进步,则全新的设计理念得以发展,使得光学系统的潜能得到充分发挥,这时的变焦系统可以设计成为纯透射式的结构型式,各项指标也得以显著提高,从而获得真正意义上的集成变焦传感器系统。与此同时,由于人们对于产品的构型、体积和品质方面的需求牵引,则灵巧型产品研发的理念体现着更为深远的优势。基于这样一个背景,我们在集成变焦传感器系统的研发过程中,将灵巧型和高比设计的统一作为此类系统构型和优化的新理念。

　　2　集成高比变焦系统顶层思想设计方法

　　2. 1　集成高比变焦系统设计的顶层思想

　　集成高比变焦系统的设计目标首先是满足整机系统的技术要求,即:

　　1)在小信号探测条件下确保足够的探测距离,同时确保高的信噪比;

　　2)实现纯透射式核心光学系统的设计,确保优良的信息处理功能;

　　3)实现多传感器光电系统的集成,具有优良的搜索、跟踪和自适应瞄准等功能。

　　针对上述设计目标,则集成高比变焦系统的顶层思想和主要策略可以概述为:

　　第一,详细论证总体技术指标,使优良的性能、低的造价、小的质量和灵巧的构型等方面的要求达到平衡;第二,选择某型凝视型面阵焦平面阵列探测器,并且细化系统设计的目标值;第三,采用一种多视场和高变焦比的连续变焦系统的构型;第四,建立相应的全局优化模型,以获得满足应用要求的优化系统方案。

　　2. 2　集成高比变焦系统的设计方法和优化模型

　　基于论文的顶层思想和主要策略,研究工作的创新体现于建立合理的优化模型,突破设计中的关键技术问题。依据于高斯光学理论的变焦系统的设计方法———全局优化,分为两个大的步骤进行。它的第一步骤是确定精益的构型;第二步骤是深入优化。