关键词：高分辨率成像；移动式光电跟踪系统；光学设计。
米级车载高分辨率光电成像系统，主系统口径1.2m，采用Bent-Cassagrain形式，主镜采用具有高比刚度、70％轻量化率的SiC，以减轻主镜支撑结构的质量，主次镜间隔支撑采用绝热性好、轻质的碳基复合材料；为进一步减轻整机质量，系统跟踪架采用桁架结构，望远镜底座与载车一体化设计，跟踪架四通上还备有多波段捕获电视光学系统，起到大视场捕获、粗跟踪与瞄准目标的作用。
一、光电成像系统的优化设计
优化设计的目标是在满足使用要求的前提下，折中光学设计和电学设计，使整个光电成像系统的成本最低，完工时间最短。探测器的传递函数主要由探测器的几何尺寸、电荷扩散、电荷转移效率和位相时钟等决定。光学系统的传递函数主要由光学系统设计、加工装配、环境试验、运输、使用环境（温度，湿度，气压，重力）、调焦误差、像移、姿态稳定性等决定。而探测器和光学系统影响传递函数的因子各自独立，即各分系统的传递函数相乘得到最终光电成像系统的传递函数。设计光学系统时，根据作用距离、成像倍率、像元尺寸和瞬时视场角的要求决定光学系统的焦距；根据信噪比和传递函数要求决定相对孔径；根据画面尺寸决定视场角；根据成像质量要求、加工难度和使用环境条件决定光学设计的传递函数余量。先根据理想光学系统的艾里斑直径和阵列探测器像元尺寸的关系讨论理想光电成像系统的传递函数。然后再考虑设计、加工和使用中产生的传递函数，优化光电成像系统。因为理想光学系统的艾里斑直径为２．４４λＦ，探测器像元尺寸为ｄ，理想光学系统传递函数的截止频率为１／λＦ，探测器几何传递函数的截止频率为１／ｄ，当艾里斑直径占一个像元尺寸时，２．４４λＦ＝ｄ，１／λＦ＝２．４４／ｄ，此时传递函数是明显的欠采样系统，即探测器受限系统。奈奎斯特频率（归一化频率０．５）以上有较大的传递函数，将产生频谱混叠效应，像会失真，例如基于红外大尺寸像元阵列探测器的红外光电成像系统。这时可以用增加空间采样频率的方法来提高分辨率。一般中小型光电成像系统认为这是比较合适的采样。此时光电成像系统的传递函数在奈奎斯特频率处（归一化空间频率为０．５处）较容易达到０．１这是采样间隔足够密的光学受限系统，光电成像系统的分辨率达到了光学系统的分辨率。这时奈奎斯特频率以上的传递函数很低，可忽略频谱混叠效应。一般短焦距镜头配备阵列探测器，及在实验室等较好的环境下使用的光电成像系统均可采用这种设计。
二、光学系统设计及分析
主光学系统、机上红外和机下可见、近红外成像单元的光学设计。光学设计在满足总体任务需求的情况下，力求精简紧凑与机械结构合理衔接，符合机动可拆装特点。
1.主光学系统设计。主光学系统采用无焦Mersenne-Cassegrain形式，无焦系统有利于系统的装调和整机拆装之后各个分系统之间的光路对接。其次，主次镜均为抛物面面型，能够降低大口径主镜、凸面型次镜的检测和加工难度。系统的视场角比较小，因此设计次镜遮拦比约为1:10，以提高系统像质。此外，为次镜、三镜设计锥形遮光罩，以减小杂散光对各成像通道的影响。
2.机上红外成像光学系统设计。机上红外成像单元的设计参数如表1所示。
机上红外成像单元采用共用前组大口径透镜和光谱分光二次成像的方式，光路如图1所示。共用光路部分的像差和后组一起校正，玻璃材料采用Ge、ZnSe和ZnS。分色片以ZnSe作为基底材料反射中波红外、透射长波红外，倾斜放置在光路中的分色片采用楔形基片，以消除轴外视场的像散。在一定范围内优化系统光学零件曲率使得各表面YNI大于或接近1，以减小冷像对系统的影响。
在一次像面处加入视场光阑并降低其发射系数，消除视场外杂散光。用TRACEPRO软件对系统进行热分析，对镜筒和分色片进行不同温度制冷，以提高像质。光学设计主要考虑光瞳和冷阑的匹配和热辐射抑制问题。系统具有100%的冷光阑效率，并且具有结构紧凑、同轴度和光轴稳定性好的优点。中波红外通道后组透镜材料采用Si和Ge，长波通道采用Ge和ZnSe。
3.机下可见、近红外成像光学系统设计。大口径望远镜的分辨率受大气扰动的影响，实际分辨率远远达不到衍射极限，白天成像分辨率受大气的影响更大。自适应光学利用波前探测技术，控制Tip/Tilt镜对波前倾斜校正，控制变形镜对波前高阶相位误差校正。该方案机下成像光路加入自适应光学系统，以克服大气扰动对光学成像质量的影响。自适应光学系统由于受到大气等晕角的限制,视场一般都在角秒量级。大气等晕角为：
θ=0.62 r 0/h(1)
式中：r 0为大气相干长度；h为湍流层相对于望远镜的高度。长春地区的大气相干长度一般在8～10 cm[6]，假设h=10 km,则等晕角为1～2″。自适应光学系统的设计要求保证系统入瞳、波前传感器微透镜阵列、变形镜三者位置相互共轭。目前自适应光学对可见光波段进行波前校正成像的难度较大。另一面，白天高亮度天空背景波段主要集中在可见短波波段，所以该方案波前探测、校正成像通道的设计波段偏于近红外。此外，为了进一步提高白天目标与背景的对比度，增加了一个偏向于短波红外的窄带近红外成像通道，以提高系统白天成像的信噪比。库德光路将主系统光路通过折转引向机下可见、红外成像光学系统，采用全反射形式，系统原理设计。机下中继光路加入无焦离轴三反系统，起到压缩主光路光束、将系统光瞳引向变形镜和波前传感器微透镜阵列、并校正系统轴外视场慧差和像散的作用，经无焦离轴三反中继镜后的系统轴上、轴外波像差均小于1/24λ，像质达到衍射极限。近红外跟踪器提取波前受大气扰动存在的大量倾斜误差，控制快反次镜偏摆和平面镜横向移动，使系统稳像跟踪。波前探测器提取波前的高阶相位误差，控制变形镜自适应校正成像。变形镜附近加入里奥光阑，用来抑制衍射杂散光。可见光、近红外成像通道、波前探测器和图像跟踪器均需加入相应的耦合光学系统，与各自探测器匹配。波前传感器耦合光学系统采用二次成像的方式压缩光束口径，使变形镜光瞳与微透镜阵列共轭并匹配。为减小系统长度，可见光、近红外成像和跟踪器耦合光学系统形式采用摄远型，外围的实线圆为爱里斑，各视场弥散斑均方根值半径小于16μm。各视场传递函数与衍射极限重合，像质达到衍射极限。其他通道的光学成像像质评价均比较理想，能达到衍射极限。所设计的机下可见光通道成像光学系统焦距为46.97m，F数为39.1。系统像面上的衍射极限线分辨率为：
D=1.22λF/#(2)
式中：λ为波长。如果取λ=818 nm,则可以计算出其在像面处的线分辨率为39μm，成像CCD的像元尺寸为16μm，约为2.4倍采样，满足采样定理。由以上分析可以得出：机下成像通道性能优良，设计合理，满足应用要求。最后还对系统进行了公差分析，结果表明：该设计方案能够满足目前国内的光学检测、加工和装调现状。
该套光学系统具有大口径、多功能、多谱段、全天时、杂散辐射光抑制能力强、分辨率高、像质好等优点，具有白天对低轨人造目标进行高分辨成像的能力，能够用于空中和空间目标的全天时移动式高分辨率可见、红外成像及特性测量。
参考文献：
［1］李瑞．光学系统成像质量评价及测试［Ｍ］．长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2017；
［2］孙晓蜜．大视场时间延迟积分ＣＣＤ遥感相机精密定焦［Ｊ］．光学精密工程，2017。
论文作者:李春阳
论文发表刊物:《科学与技术》2019年14期
论文发表时间:2019/12/5
标签：系统论文; 视场论文; 光学系统论文; 光学论文; 函数论文; 光电论文; 探测器论文; 《科学与技术》2019年14期论文;