一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构.pdf

本发明公开了一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构。本发明提出一种光机结构，该结构包括俯仰指向镜1，红外望远镜头2，方位补偿摆镜3，红外成像镜头4，红外面阵焦平面探测器5，方位扫描转台6。该结构实现了单个红外面阵探测器在360度全方位扫描成像，保证红外图像获取时不因为平台旋转而产生模糊效应，可以充分发挥面阵红外焦平面探测器积分时间长、灵敏度高的特点。本发明结构的主要特点在于：全方位扫描，图像无像模糊拖影，望远镜结构和二次成像物镜结构相结合。

权利要求书1.  一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构，该结构包含以下部分：俯仰指向镜(1)，红外望远镜头(2)，方位补偿摆镜(3)，红外成像镜头(4)，红外面阵焦平面探测器(5)，方位扫描转台(6)，其特征在于：俯仰指向镜(1)、红外望远镜头(2)、方位补偿摆镜(3)、红外成像镜头(4)和红外面阵焦平面探测器(5)固定于方位扫描转台(6)上，来自物方的光线依次通过俯仰指向镜(1)，红外望远镜头(2)，方位补偿摆镜(3)，红外成像镜头(4)，最后成像到红外面阵焦平面探测器(5)；方位扫描转台(6)以稳定的角速度连续转动，探测器在转动过程中进行积分读出，探测器一次积分形成一帧图像，多次积分形成多帧图像后拼接组成360°全景图像。2.  根据权利要求书1所述的一种基于面阵焦平面探测器的连续扫描红外成像系统的光机结构，其特征是红外望远镜头2是一套无光焦度光学系统，其光学放大率的绝对值大于1。3.  一种基于权利要求书1所述的一种基于面阵焦平面探测器的连续扫描红外成像系统的光机结构的稳像方法，其特征在于方法如下：方位补偿摆镜(3)以与方位扫描转台(6)相反的方向摆动，摆动角速度与方位扫描转台(6)的转动角速度之比等于红外望远镜头(2)的光学放大率的绝对值。

说明书一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构
技术领域：
本发明涉及红外探测系统，特别的，是涉及到一种基于面阵探测器的扫描探测系统。
背景技术：
第二代红外告警系统自上世纪70年代末国外开始研究，至今已有30多年。第二代红外告警系统是利用红外线列探测器，以1Hz左右的转速扫描成像。由于线列扫描成像的机制的制约，第二代红外告警系统性能被短积分时间和低帧频所限制。
第三代红外告警系统一般采用面阵红外探测器凝视成像，其积分时间由第二代的几十微秒级提升到毫秒级，凝视帧频可高达100Hz。因此第三代红外告警系统的告警精度和距离等指标将大幅超越基于线列扫描的第二代告警系统。
为了追求更远的探测距离，一般将凝视型红外成像系统的焦距设计较长，导致凝视视场较小，不能覆盖所需的告警范围。根据其应用场合，基于红外面阵探测器的告警系统一般可以设计成视场分布式系统，360度方位的全景告警系统由多个视场凝视告警系统拼接组合而成。然而采用多个探测器同时凝视成像，会使制造成本激增。采用单个探测器来覆盖360度方位的告警，则必须要引入扫描机制。采用面阵探测器连续回转成像将难以避免的会产生像的模糊和拖影，这是面阵探测器连续扫描技术的一个主要缺陷。
发明内容：
本发明提出了一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构，可以实现360度全方位成像，并且图像稳定，没有拖影。本发明是通过以下技术方案实现的：
整体光机结构由俯仰指向镜1，红外望远镜头2，方位补偿摆镜3，红外成像镜头4，红外面阵焦平面探测器5，方位扫描转台6组成，其中俯仰指向镜1、红外望远镜头2、方位补偿摆镜3、红外成像镜头4和红外面阵焦平面探测器5固定于方位扫描转台6上。来自无穷远的平行光束依次通过俯仰指向镜1，红外望远镜头2，方位补偿摆镜3，红外成像镜头4，最后成像到红外面阵焦平面探测器5。
所述的红外望远镜头2是一套无光焦度光学系统，其光学放大率的绝对值大于1。
系统在工作状态时，方位扫描转台6以稳定的角速度连续转动，探测器在转动过程中进行积分读出，探测器一次积分形成一帧图像，多次积分形成多帧图像后拼接组成360°全景图像。如图2所示。每次积分图像的视场有少量的重叠区域，保证探测视场无死角，最后在后期图像信号处理时去除重叠区域。
面阵探测器在一个积分时间内，进入探测器的光线视场必须保持稳定，否则会产生模糊拖影，然而方位扫描转台6以角速度ω1连续转动，导致进入探测器的方位视场也以ω1的速度连续变化。本发明通过以下方法解决这个问题：方位补偿摆镜3在红外望远镜头2后反射光路，并以角速度ω2反方向摆动，使方位视场反方向变化，最终补偿方位扫描转台6引起的方位视场变化。由望远光学系统特性，各个视场角的平行光入射会平行光出射，所以方位补偿摆镜3在平行光路中摆动不会改变成像质量。望远系统的放大倍率γ即为角放大率，控制方位补偿摆镜3的摆动角速度ω2为ω1的γ倍，则可以保证积分时间内 图像稳定，没有拖影。
本发明结构的优点在于：全方位扫描，图像无像模糊拖影，望远镜结构和二次成像物镜结构相结合。
附图说明：
图1为本发明光机结构具体结构示意图。
图2为面阵扫描成像原理示意图。
图3为本发明的光机结构中红外望远镜头和方位补偿摆镜位置的示意图。
具体实施方式：
按照附图1的示意图所标示：
俯仰指向镜1是一个俯仰角可调节的平面反射镜，其作用是调节成像视场的俯仰角度值。俯仰角度值一般在系统工作之前调节好，俯仰指向镜1在探测器积分开始后，保持不动。
红外望远镜头2是一个无光焦度的红外光学系统，其作用是将其入瞳处的无限远的平行光束压缩到出瞳处，并以平行光出射。其角放大率为γ。由望远光学系统的特性可得，其入瞳尺寸和出瞳尺寸之比也为γ。γ越大，后续光路中的方位补偿摆镜3尺寸越小，有利于电机高精度控制方位补偿摆镜3的摆动。
方位补偿摆镜3是一个平面反射镜，其旋转轴与平面反射镜法线垂直，转动回摆运动由一台电机控制。方位补偿摆镜3在光路上的作用是将从红外望远镜头2出射的平行光束反射到红外成像镜头4的入瞳中去。系统在工作状态时，方位扫描转台6以稳定的角速度ω1连续转动，在探测器的一个积分时间内，方位补偿摆镜3以ω2的角速度从零位反方向摆动。ω2与ω1之比严格控制为γ。当一帧积分时间结束后，方位补偿摆镜3迅速回到零位，在下一帧积分时间开始后，重复以上过程。方位补偿摆镜3的位置在红外望远镜头2的出瞳位 置附近，可以使其反射镜尺寸最小。
红外成像镜头4的作用是将方位补偿摆镜3反射出的平行光成像到红外面阵焦平面探测器5上。其结构为两次成像结构，其出瞳为红外面阵焦平面探测器5杜瓦的冷光阑，其入瞳位置在镜头第一片镜处。整体光学系统的成像质量，是综合了红外望远镜头2和红外成像镜头4的共同作用。在方位补偿摆镜3不同位置时，只要MTF(光学调制传递函数)不明显下降，并且光学系统的畸变变化量在1％以内，就可以保证像面稳定。