热像仪的光轴热稳定性仿真及拓扑优化研究

热成像仪由于工作环境较为恶劣,且自身发热量较大,容易导致热像仪光轴发生热偏移,严重影响其瞄准性能。为了提高红外热像仪的光轴热稳定性,以某型热像仪光轴敏感部件——折转镜为主要研究对象,研究其在不同环境温度条件下的光轴变化情况,并通过构建折转镜的有限元仿真模型以及试验测试系统,获得与试验数据一致性较好的有限元模型;以此为基础,采用基于变密度法的拓扑优化仿真技术,以刚度最大化为设计目标,以体积分数为约束,对折转镜座进行了拓扑优化设计。通过试验测试得出,优化设计的折转镜座的光轴高温偏移量由46.1″减小到25.5″,减小了44.7%,折转镜座的光轴低温偏移量由92.9″减小到51.0″,减小了45.1%,极大地提高了折转镜的光轴热稳定性。最后,将优化后的折转镜安装到某型热像仪中进行整机试验测试,热像仪整机的高温光轴偏移量由0.461 mrad减小到0.340 mrad,下降了26.2%,低温光轴偏移量由0.485 mrad减小到0.296 mrad,下降了39.0%,证明了仿真与拓扑优化模型的可行性与有效性,为后续红外热像仪整机的轻量化设计与性能提升奠定了基础。

用于大相对孔径红外镜头的衍射光学元件

将衍射光学元件应用于非制冷热像仪的大相对孔径红外镜头与传统设计相比 ,衍射光学元件的引入 ,增强了此类镜头的色差校正能力 ,提高了镜头的成像质量 ,提高了镜头的透过率 ,减少了光学零件的数量 ,减轻了系统重量 ,为提高非制冷热像仪的性能奠定了坚实基础。本文在色差、成像质量。

空间光谱成像仪热设计及其分析与验证

为确保空间光谱成像仪的温度水平和温度梯度满足指标要求,分析讨论了空间光谱成像仪整机热设计的特点,根据其结构特点和导热路径,给出了整机热设计方案。采用有限元数值分析方法,建立了整机热平衡方程和热分析计算模型,应用有限元热分析软件IDEAS-TMG在给定温度边界条件下进行稳态仿真分析,给出了整机热响应性能以及关键部件稳态温度分布云图。热分析结果表明,整机平均温度水平为17.3～23.7℃,温度梯度最大值为1.3℃,获得的分析结果能够满足热控指标要求,为提高整机的可靠性和热设计优化提供了理论依据。最后,通过试验对热设计方案进行了验证,验证结果与数值分析结果吻合较好,其最大偏差均不超过8%,验证了数值分析的正确性和温度预示的有效性。试验过程中整机平均温度水平为17.2～22.5℃,温度梯度最大值为1.4℃。

非制冷焦平面红外热像仪光机热分析

非制冷红外热像仪在军事和民用领域具有广阔的应用前景。在空间或军事应用中,环境温度变化对系统成像质量影响很大。红外光学系统对温度变化非常敏感,温度的变化引起镜片间距的改变等,使系统产生离焦等热像差,从而使系统成像质量下降。利用光学设计软件Zemax的多重结构功能分析了红外光学系统在-20-60℃温度范围内的光学传递函数变化情况,结果表明系统的传递函数下降很小,满足设计指标的要求。

新型硫系玻璃在低成本热成像系统设计中的应用

随着非制冷红外探测器价格的不断下降,昂贵的红外光学元件成为限制非制冷红外成像系统成本的重要因素。新型硫系玻璃在3~5μm和8~14μm的大气窗口有着良好的透射性,同时具有价格低、可模压成型、折射率温度系数小等特点,较为适合非制冷红外成像系统。对常用红外材料和新型硫系玻璃的各方面特性进行比较,总结了新型硫系玻璃的优点,并使用新型硫系玻璃分别对两种温度范围的光学系统进行了设计,详细阐述了该材料在低成本热成像系统设计中的使用方法。结果表明：新型硫系玻璃既能满足光学性能,又在一定程度上解决了高成本的问题,可应用于批量生产的红外光学系统之中。

机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算。设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。

非制冷热瞄具图像实时开窗增强方法研究

针对红外观瞄系统图像增强技术的实时性问题,根据人们的视觉特性,提出非制冷热瞄具图像实时开窗增强方法。该方法首先在红外图像中取出适当大小的子图像,再用合适的增强算法来处理子图像,而子图像以外的区域不作任何处理。文中给出了硬件实现流程。最后证明开窗增强的方法减少了背景像素的处理时间,提高了图像处理的实时性,并且开窗增强不会对增强效果有不良影响,对小目标图像增强有不可替代的作用。

一种透射式低温光学系统的光机结构热设计

针对脉冲管制冷机做冷源的低温光学系统的热控指标,从传热学的角度出发,设计了一种具有对称传热路径的光机结构。搭建了试验装置对光机结构的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3个小时,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好的保护了透镜没有使之损坏并且降温过程中透镜内部的温差小于1 K。光机结构在热学性能上满足了透射式低温光学系统的需要。

基于作用距离的红外成像系统光学参数确定

作用距离是决定红外成像系统性能的重要指标,可直接影响红外成像光学系统的参数确定。基于作用距离的参数确定方法建立了探测器与作用距离、空间分辨率之间的关系,对光学系统的参数确定和性能评价具有重要作用。结合实例确定了红外成像系统光学的主要参数,采用非制冷凝视型长波红外探测器(工作波段为8μm～12μm),在特定的作用距离下,利用该方法确定的红外光学系统通光口径为90mm,F数值为1。

采用640×512元探测器的机载红外系统设计

连续变焦红外探测系统具有在变焦过程中不会丢失跟踪目标的优点。针对中波640×512元红外焦平面凝视探测器设计了一套1∶20小型高分辨率连续变焦红外系统,对红外系统的设计、非均匀校正方法进行了深入研究,对系统的灵敏度(NETD和MRTD)进行了分析计算和测试。试验结果表明,使用640×512元探测器的连续变焦红外系统具有分辨率高、灵敏度高、体积小和像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。

一种长焦大变倍连续变焦光机组件结构设计及装调

介绍了一种基于长焦大变倍比连续变焦红外热像仪的结构设计及装调方法。可用于各类红外热像仪的变焦结构设计中,在保证图像清晰的前提下,能够明显改善连续变焦过程中的光轴晃动,提高红外热像仪的光轴一致性和光轴稳定性,控制焦距精度,降低红外热像仪装调难度。该结构采用双导轨配合步进电机组件化设计,相对于其他变焦结构的设计,该结构变焦过程中光轴一致性好,光轴晃动量小,通用性强。

灵敏度可调的光学读出非制冷热像元设计

设计了一种可见光反射型光学读出非制冷热像元结构。理论分析表明热像元的热-机械灵敏度达到0.043deg·K-1,在热像元面积比已有报道减小75%的情况下,热-机械灵敏度反而提高至少79%。通过改变弯折梁底层金膜的面积来调节热像元的灵敏度,使其可在2.36×10-6rad·m2·W-1和9.21×10-6rad·m2·W-1之间变化。ANSYS仿真结果和理论结果吻合较好,验证了设计的正确性。

消旋检测装置的红外光学系统分析与设计

设计了一种用于检测机载制冷型CCD消旋机构的长波红外光学系统。采用二次成像的方法保证冷光阑效率，应用光学被动消热差原理实现宽温度范围内热差补偿；系统引入以非球面为基底的衍射元件校正像差，探讨了衍射元件面形误差对系统光学性能的影响。设计结果表明，系统结构紧凑，重量轻，在-40～60℃的宽温度范围内实现了光学被动消热差的目的，达到100％的冷光阑效率及抑制冷反射的效果。

中短距离宽视场对接成像敏感器光学系统

为了满足空间交汇对接飞行器姿态精确测量的要求,设计了一种中短距离使用的宽视场远心对接成像敏感器光学系统。该对接成像敏感器光学系统焦距f=10mm,成像范围为1.5~30m,视场角为54°,光谱范围为430~680nm,工作温度范围为-40^+40℃。为满足系统成像范围的要求,利用景深公式计算了不同入瞳直径和对准距离时的成像范围,给出了易于设计、检测和保证入瞳最大化的参数设计方案,并进行了光学系统设计和消热差设计。像质分析结果表明,设计结果在使用温度范围内均能满足像质要求,结构简单,易于加工装配。

折反式远红外光学系统设计

针对红外搜索与跟踪系统在现代战争中体现出的优势和重要性,提出了一种折反式红外光学系统设计方法。在折反系统中,用同一种红外材料实现了像差特别是二级光谱的校正。该设计结果满足设定要求,可用于机载红外搜索与跟踪系统,并适用于像元尺寸为25μm的非致冷焦平面阵列探测器。

车载潜望式热像仪光学系统的头部设计

本文探讨潜望式车载热像仪的潜望镜头部设计思想、方法， 并给出一设计实例。

多光谱制冷型红外系统杂散辐射抑制技术研究

对采用制冷型中波红外探测器的光学系统,设计了一个多光谱中波红外汇聚系统,针对分色滤光片引入外界杂散辐射的问题,设计了一个热辐射抑制光阑,对其形状及位置不断地迭代优化,达到抑制系统外界杂散辐射的目的。经TracePro仿真验证表明,运用此热辐射抑制光阑后,总的杂散辐射降为之前总杂散辐射的8.8%,对改善成像质量有明显的效果。

长波制冷型热像仪光学系统设计

根据制冷型热像仪的技术要求,从机电补偿式消热差出发,设计了一套三片式、结构紧凑、质量较轻的制冷红外热像仪光学系统。热像仪工作波段为8μm～12μm,光学系统焦距50mm,F数为1.7,视场11.2°×8.2°。光学系统的成像质量接近衍射极限,在探测器的Nyquist频率处各视场的MTF值均大于0.5,各视场的弥散斑直径小于0.05mm,满足热像仪的成像要求。

一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统

本文设计了一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统,给出了一个设计实例,系统工作波段为8~12μm,中心波长为10μm,长焦距为150 μm,短焦距为50 μm,F数为1.1,可匹配像元数为384×288、像元大小为17μm×17μm的非制冷红外焦平面探测器。系统通过变倍组的轴向移动实现变焦,通过引入二元光学面和非球面减小成像系统体积,减轻重量,提高成像质量,设计结果表明,该热成像系统取得了良好的成像,可用于火灾消防救援、森林防火、夜间侦查、边防监控等工作。

多波段热成像阿基米德螺旋线推扫滤光盘工程设计

将阿基米德螺旋线近似逐行推扫的滤光方式与非制冷焦平面探测器(FPA)逐行积分读出进行同步,滤光当前行的同时读出上一行的数据,可改善分时滤光多波段热成像系统的FPA使用效率,从而提高系统帧率。本文从工程应用的角度出发,对阿基米德螺旋线滤光盘(阿盘)的多波段滤光、推扫滤光与FPA逐行读出的时间同步、多波段序列图像的帧识别、阿盘的整机集成等问题进行探讨,为新型多波段热成像系统的设计提供工程经验。