基于复调制ZOOM-FFT算法下阻尼比识别的研究

利用半功率带宽法识别系统的阻尼比是一种简单、常用的方法,但精度受到作图准确性及人员判读的经验所制约,严重时甚至不能准确拾取出半功率点。该文提出识别阻尼比的一种方法:细化-半功率带宽法,采用FFT变换对全谱进行识别,确定谱峰,利用复调制ZOOM-FFT算法对感兴趣谱峰处进行局部细化,最后结合半功率带宽法可有效提高阻尼比的识别精度。

“ZOOMBDFT”法高精度求系统阻尼比的探讨

提出了用“ＺＯＯＭＢＤＦＴ”（聚焦细化大容量数据谱分析）法高精度求系统阻尼比的途径和计算实例，文内指出了国内外常规１Ｋ字节ＦＦＴ计算系统阻尼比的不合理性，指出了采样时间长度Ｔ是影响频域用半功率带宽法求阻尼比精度的关键因子。

基于直线运动机构的大变倍比红外变焦成像系统

针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求,研制了一种大变倍比红外变焦成像系统,设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜,通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点,采用直线运动机构实现镜片变焦运动,使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析,所设计镜片最大位移为3.04×10^(-3)mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器,变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明,系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好,验证了系统的连续变焦成像性能,该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。

15 mm~300 mm宽光谱变焦光学系统设计

变焦光学系统不仅适用于照相、监控以及显微等日常生活中,还被广泛应用于航空航天及国防建设等领域。随着应用范围的扩大,对其性能指标的要求也越来越多,该文设计了一款15 mm~300 mm的宽光谱四组元连续变焦光学系统。该系统采用正组补偿结构实现了20×的光学变焦,工作在450 nm~900 nm光谱范围,工作温度范围为-40℃~60℃;采用了18片球面玻璃镜片,总长160 mm,最大口径66 mm,长焦F数优于5,系统结构紧凑,满足小型化要求。系统在可见光波段,中心视场的调制传递函数(modulation transfer function, MTF)>0.4@145 lp/mm,全视场MTF>0.2@145 lp/mm;在近红外波段,中心视场MTF>0.45@60 lp/mm,全视场MTF>0.2@60 lp/mm。从设计结果可以看出,该设计满足高性能指标要求,对于宽光谱、大变倍比、小型化的变焦光学系统设计具有一定的参考意义。

40^(×)大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^(×)的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。

轻型折衍混合中波红外变焦光学系统设计

针对640×512元制冷型中波红外焦平面探测器,采用二次成像的光学结构以及机械正组补偿变焦方式,在设计中引入了硅基衍射光学元件,从而构成折衍混合变焦光学系统。设计结果表明,光学系统使用了7片镜片,在3.7~4.8μm波段实现了15~300 mm连续变焦,在空间频率33 lp/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)接近衍射极限。光学镜片的总重量仅有86 g,光学系统的总长度为139 mm。该系统具有变倍比大、分辨率高、重量轻、体积小等特点。

30×中波红外连续变焦光学系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了30×中波红外大倍率连续变焦光学系统。详细介绍了连续变焦光学系统的选型及其初始结构的计算方法。系统采用硅和锗两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,实现了30～900mm的连续变焦,F数为4,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率为16 lp/mm处,系统MTF值大于0.5。系统具有变倍比大,结构紧凑,光学总长短和全焦距范围内像质好,分辨率高等优点,满足设计要求。

大变倍比近红外无焦激光扩束系统

为研究闪电特性,设计了用于闪电实验室场景模拟的大变倍比近红外无焦激光扩束光学系统,用于模拟不同光斑尺寸的闪电单元。根据高斯光学几何法计算系统外形尺寸,合理确定了各组份的口径及光焦度;由ZEMAX软件包优化设计得到系统的光学结构参数,并对系统整体性能进行了分析评价。该系统变倍比为13,出射光束光斑均匀、无衍射环,满足研究闪电信号特性的需求。激光扩束系统的中心工作波长为777.4nm,入射光束直径为1.0mm,入射激光光束在步进电机驱动下连续可调,使得出射光束可从φ0.8mm变化到φ10.6mm。系统具有镜片少,结构简单,变焦轨迹平滑无卡滞等优点,可用于模拟不同尺寸的闪电单元。

80倍中波红外连续变焦光学系统设计

基于复合式变焦系统结构,提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下,针对中波制冷型15μm、640×512的凝视型焦平面探测器,设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8μm,F数为4,利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740mm,变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料,共八片透镜,利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠,在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析,从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明,该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.

长波双视场扫描型红外光学系统设计

与中波红外成像系统相比,长波红外成像系统在地面目标探测上具有天然的优势。利用光学变焦原理,建立扫描型双视场光学系统的设计模型。基于制冷型288×4元焦平面HgCdTe探测器,设计了一套结构紧凑、变倍比为6倍的双视场机载前视红外光学系统,其工作波段为7.7～10.3μm,F数为1.67,长焦为154mm,短焦为25.45mm,扫描反射镜扫描角度为±9.22°。光学系统采用非球面技术,球差、像散、畸变等像差得到了很好的校正,成像质量接近衍射极限,全视场传递函数在特征频率20lp/mm处高于0.45。设计结果表明:该模型合理可行,可以为其他4N系列探测器类似扫描成像系统设计提供参考。

紧凑型大变倍比红外光学系统设计

针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题,从变焦系统设计的基本理论出发,提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型,给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成,通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍;通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组,对前组焦距进行二级放大,扩大整个成像系统的变倍能力,同时,二次成像组还压缩了物镜口径,保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计,该系统工作波段为3.7~4.8μm,采用640×480制冷型面阵探测器,像元大小15μm,F数恒定为4,可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92°~58.2°、达70倍的连续变焦功能,仅采用了两种材料,十片透镜,总长300 mm,具有优良的成像质量和公差特性。

水下大视场连续变焦光学系统设计

针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64μm,采用3 840×2 160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。

双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力,解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光(0.38~0.76μm)、中红外(3~5μm)共口径连续共变焦光学系统,系统工作焦距为7.52~98.35mm,变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律,推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配,使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同,提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求,采用光学被动式完成双波段光学系统在-40^+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明,系统结构紧凑,反应速度快,整体成像质量良好,可实现昼夜全天候工作.

高分辨率长波红外连续变焦光学系统设计

针对高分辨率640＆#215;512元非制冷探测器，设计了一款6＆#215;长波红外连续变焦光学系统。该系统由6片透镜构成，工作波长为8~12μm，F数为1~1.1。根据变焦光学系统设计理论，确定了系统的机械补偿式变焦结构并构建了初始结构；对该系统的光学结构参数及凸轮变焦曲线进行了设计和优化。像质评价结果表明该系统在20~120 mm焦距范围上实现了连续平滑变焦；在30 lp/mm空间频率处，全焦距范围调制传递函数值大于0.45，接近衍射极限；全焦距范围各视场弥散斑均方根半径小于6.3μm，远小于像元尺寸17μm。实验证明该系统具有高分辨率、高变倍比、大光圈、大视场范围的特点，且像面稳定，变焦平滑，结构紧凑合理，成本相对较低。

基于扩散率函数的图像放大算法

利用扩散率函数的特性,提出一种实现数字图像放大的新方法。该方法对原图像进行内插,采用距离函数和梯度函数作为权值对插入的像素赋值。算法简单、易于实现,且运算所需时间短。利用Matlab6.5进行仿真,结果显示无论是整数倍放大还是分数倍放大,该算法均能得到比较理想的效果,放大后的图像清晰,且保留了原图像的边缘信息。

高变倍比变焦光学系统设计

设计了一套焦距f′=10mm^500mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础,通过高斯光学计算,给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面,使系统具有更大的自由度,并有效校正光学系统中的像差,减小系统复杂度,对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱,减少了透镜片数,使系统更加紧凑。分析了10mm^500mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线,计算出变倍组和补偿组的变化曲线,可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律,而且曲线的变化比较平滑,能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.6以上。

双波段共口径共变焦光学系统设计

为了实现可见、红外两个波段同时观测、跟踪及测量的目的,设计了一款可见/中红外双波段连续共变焦光学系统.系统采用共口径方式同时接收可见、红外两个波段的光波.利用直接变倍比差补偿法对两个波段的变倍比差进行补偿,使可见、红外两个波段变倍比相同且在任一变焦位置焦距相等,满足双波段共口径共光路共变焦的要求.设计结果表明：系统变倍比为12×,焦距范围7-86mm.常温下,可见光工作波段为0.38-0.76μm,其调制传递函数值在空间频率80lp·mm^-1处达到0.5以上;中波红外工作波段为3-5μm,其调制传递函数值在空间频率为20lp·mm^-1处达到0.6以上.总体积小于392mm×58mm,成像质量满足设计要求.

大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统研制

提出了一种新型连续变焦结构形式,在现有经典四组元机械补偿变焦模型的基础上,添加一个独立的变倍组,利用二个变倍组级联的方式获得超大变倍比,并推导了数学模型.在此基础上,针对制冷型中波探测器,研制了一套大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统,解决了大相对孔径红外变焦系统变倍比难以提高的问题.该光学系统工作波长3. 7～4. 8μm,冷光阑效率100%,可实现从焦距6 mm至330 mm连续变焦,在F数恒定为2的同时,变倍比高达55倍.该系统仅包含八片镜片,其中三片镜片独立运动实现变焦.设计结果显示,该系统在6 mm至330 mm的焦距范围内,变焦曲线平滑、像质良好.实验室测试和外场成像结果显示,该系统在整个焦距范围内成像效果清晰,达到设计要求,验证了这种新型连续变焦数学模型的应用效果.

紧凑型连续大变倍比枪瞄镜光学系统设计

为适应单兵平台的需求,设计了一款1^(×)-8^(×) 紧凑型连续大变倍比枪瞄镜。阐述了紧凑型连续大变倍比枪瞄镜的设计方法及思路,根据设计指标进行物镜、中继系统、目镜的指标分解及高斯光学计算,初步评估整体光学系统的包络尺寸和复杂程度,依据高斯光学计算结果对枪瞄镜各组成部分单独进行光学设计和评价。解决了连续大变倍比枪瞄镜设计过程中大变倍比中继系统的倍率选择,等效物镜与目镜的光瞳匹配,以及中间像面分化板处的像质评价等问题。最终的设计结果表明:枪瞄镜物镜口径φ24mm,目镜口径φ36mm,光学系统总长228mm,高倍端偏心.(0.01 mm)引起的瞄线误差约为20″。系统结构紧凑,成像质量优良,满足目视光学仪器的使用要求。

大口径高变倍比红外目标模拟系统的设计

为了模拟红外目标由远及近的飞行过程,结合高变倍比红外连续变焦系统与大口径投影系统设计了一款红外目标模拟系统.连续变焦系统变倍比为20倍,工作波段为8-12μm,大口径投影系统口径为300mm,工作温度为-30-40℃.基于对系统参数的计算与分析,通过推导的消热差及消色差方程对材料进行合理选择及光焦度分配,实现了光学被动消热差设计,应用动态光学理论对变焦凸轮运动曲线进行了计算与绘制.系统成像质量分析结果表明,变焦过程中像面稳定,成像质量良好.该系统可以实现高倍率红外目标飞行距离的连续变化模拟,具有变倍比高,体积小,像质好,环境适应能力强等特点.