基于超小视场的航空变焦距光学系统设计

发布时间：2020-06-09 15:09

【摘要】：随着现代战争的发展,掌握战场局势和瞬息万变的战场情报是获取战场主动权的关键,也是取得战争胜利的重要法宝,这就要求侦察系统不仅能大视场掌握全局信息,又能远距离跟踪观察目标,因此,变焦距系统常被用在军事侦察等领域。随着技术的发展,人们希望侦察相机即拥有较大的视场统揽全局,又具备长焦距远距离观察能力,对光学系统来说,这两种能力的设计要求恰恰相反,前者要求光学系统具备短焦距大视场,而后者却要求光学系统具备长焦距超小视场。基于以上要求,本论文开展了超小视场变焦距光学系统的设计与研究。本文从变焦距光学系统基础理论入手,分析了变焦距系统的运动过程,并推导了连续变焦距光学系统高斯解求解的过程。确定了系统技术指标,归纳总结了不同变焦距结构形式光学系统各自的优缺点,根据技术指标,提出了一种“混合”式设计方法,即采用双通道的结构形式:一个通道采用机械补偿式连续变焦距结构形式,变焦范围为20.5~420mm,能实现30°~1.5°的视场变化。像差分析结果表明,该连续变焦系统在所有焦距的所有视场内,其MTF曲线在CCD的奈奎斯特频率(91lp/mm)处的值都维持在0.3以上,点列图的弥散斑小而密集,能量基本都集中在像元大小(5.5μm)内,系统的畸变很小,最大也不超过3%,具有较好的像面照度均匀性。综合分析表明,该连续变焦距光学系统具有良好的成像质量。另一个通道采用R-C光学系统设计,系统焦距能达到2100mm,能实现0.3°的超小视场。根据像差像差分析结果,该系统在成像质量方面性能良好,满足设计要求。该双通道变焦距系统结合了连续变焦距和R-C系统的特点,克服了单一光学通道光学系统不容易同时实现大视场和长焦距的困难,使整个系统即能做到大视场掌握全局信息,又能做到超小视场远距离跟踪观察目标,满足设计要求。论文分析了光学系统的公差情况,给出了合理的公差范围。根据航空相机的应用环境,分析了光学系统在高温(60℃)和低温(-40℃)环境以及不同大气压强下的成像质量,分析结果表明,该系统连续变焦通道在温度和气压变化时,会发生像面离焦现象。本文采用后组调焦补偿技术补偿像面产生的离焦量,系统的成像质量提升明显,成像质量良好。
【图文】：

第一章 绪论第一章 绪 论1.1 课题研究背景及意义由近几次世界局部战争来看，掌握战场局势的发展和瞬时万变的战场情报是取得战场主动权的关键，，也是取得战争胜利的重要利器，要实现这一目标，需要能精确、实时地采集情报信息的系统装备[1]。过去主要由光学侦察卫星和有人驾驶侦察飞机承担对敌侦查和获取情报信息的任务，但用侦察卫星对某一区域进行全天连续监视，必须拥有一个庞大的星群，其装备费用十分惊人，而机载光电侦查系统（如图 1.1 所示）以其灵活快捷的优点成为近些年来国内外关注的重点[2]。

的“鹰眼”插入式吊舱 POP200 等。（1） 美国 MTS 系列光电吊舱随着信息化作战发展的需求和技术进步，无人机以其独特的优势，在战争中发挥着巨大的作用。美国捕食者无人机（MQ-9）作为最早被投入实战的无人机之一[15]，其在阿富汗战争和伊拉克战争中的出色表现，让各国对无人机在战争中所能发挥的巨大作用有了深刻的认识[16]。捕食者无人机（MQ-9）是一种中高空、长航时、多任务型无人机系统。美国雷神公司（Raytheon）为捕食者无人机研制的多光谱瞄准系统（MTS-A/B）是其获取信息情报的主要来源。图 1.2 为美国捕食者无人机的MTS-A/B 光电吊舱（B型主要针对高空应用做适应性设计），它由转台单元和电子处理单元组成。吊舱内部装有可见光/红外电视、激光测距仪、激光指示器和激光照射器等，其内部还可提供多波长传感器、近红外和彩色可见光摄像机等一系列安装选项[16]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V271.4;V24;TJ5

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本文编号：2704866