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Abstract
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
We propose a novel small-angle measuring optical method based on the astigmatic effect of two orthogonally placed cylindrical lenses. According to the one-to-one correspondence between the laser spot shape and the angle, the angle is determined. We theoretically analyze the measuring range and demonstrate that a longer distance between the rotating axis and the optical axis leads to a smaller measuring range, but better sensitivity. Also, an associated experimental system is established and a measuring range of 0.94 mrad (cubic fit r=0.9993) as well as a good linear range of 0.37 mrad (linear fit r=0.9994) with a resolution of 8 μrad is achieved.
080.0080 Geometric optics 120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology 120.3940 Metrology 120.4640 Optical instruments Chinese Optics Letters
2016, 14(3): 030801
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析，模拟了真实飞行状态，建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型，计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度；再根据红外探测基本原理，分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响，计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度，即研究热障效应产生机制；最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明，对于该红外成像探测系统，氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K，即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下，热障效应显著，若想进一步加快红外成像制导**的飞行速度，必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。
共形光学 氟化镁 整流罩 热障效应 conformal optics magnesium-fluoride dome thermal barrier 红外与激光工程
2016, 45(2): 0220001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求, 设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求, 采用固定焦距和口径的主镜, 通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度, 同时也降低了制造成本。设计了波长为37~48 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明, 该系统结构紧凑像质优良, 各视场光学传递函数均大于06, 接近衍射极限, 并且在-50~70 ℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法, 该系统满足实际加工和应用需求。
红外光学系统 折反系统 无热化 infrared system catadioptric system athermalization
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对红外搜索及跟踪系统中折反式光学系统结构复杂，装调困难及成本高的问题，采用了一种一体式折反结构的透镜。在单片透镜的前后表面进行分区域加工，分别镀上内反射膜和增透膜，形成两个反射面和两个透射面，构成折反一体式透镜。将整个光学系统集成在一片透镜上，降低了系统的复杂度和装调难度，提高了系统的稳定性和可靠性。设计了适用于中波红外的紧凑型成像光学系统，远射比达0.62，结果表明该系统像质优良；各视场光学传递函数均大于0.55，接近衍射极限，并且利用二元衍射光学元件在-40 ℃~60 ℃实现光学被动消热差；最后利用单点金刚石车床加工出的样机在不同温度下进行成像实验，结果表明在不离焦的情况下，各温度下成像清晰，满足实际加工和应用需求。
光学设计 R-C 系统 衍射光学 消热差 非球面
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京100039
3 西南技术物理研究所,四川 成都 610041
提出了一种角增量的生成及优化方法,用于解决滚仰式导引头跟踪回路角增量指令的提取问题。介绍了一种滚仰式导引头结构组成及其工作原理;根据脱靶量信息和探测器焦距给出了滚转和俯仰框架的位置回路角增量;将角增量标定为以两框架零位为起点的绝对角位置指令,其中,俯仰框的角位置指令标定区为［0, π/2］,滚转框的角位置指令标定区为［0,2π)。依据减小滚转框角增量的原则,将导引头滚转框的当前框架角在［0,2π)内均分成4个象限,在不同的当前框架角范围内给出了相应的角增量优化策略。最后,设计了角增量优化指令的半实物实验以验证方法的可行性。实验结果表明：文中提出的指令提取和优化方法可以实现对目标的跟踪,跟踪误差为0.149 4°。
滚仰式导引头 跟踪回路 角增量 脱靶量 稳定平台 roll-pitch seeker tracking loop angle increment target deviation stabilized platform 光学 精密工程
2014, 22(10): 2787
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 200049
飞行器在大气层中超音速飞行时，被气动加热的光学整流罩产生强的红外辐射，降低了红外目标的跟踪识别能力。分析了共形光学系统整流罩热噪声的产生机理，利用红外黑体，对320 K~460 K的整流罩热噪声进行了测试。利用二元非线性回归分析法确定了二次曲面作为噪声修正模型，其曲面拟合的决定系数均值达到0.8683。在整流罩温度从460 K下降至320 K的过程中，对1 K温差的靶条成像，图像信噪比均值为7.2 dB。利用噪声修正模型对图像进行噪声修正后，图像信噪比均值提高至13.7 dB，使红外图像信噪比提高了6.5 dB。该结果为导引头目标识别跟踪系统的设计和光学系统的优化提供了部分依据。
光学设计 共形光学 热辐射 光学头罩 红外噪声 曲面拟合 光学学报
2014, 34(10): 1022001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100039
传统红外图像增强方法由于未考虑人眼视觉特性而存在"超区间值", 故极易丢失图像细节。本文结合对数图像处理(LIP)理论, 提出了基于参数化对数模型(PLIP)的平台直方图均衡图像增强方法。该方法首先将图像变换为灰度色调函数; 然后应用PLIP模型对变换后的图像进行重建, 结合平台直方图均衡化来增强图像的对比度和细节信息, 并利用图像评价函数( EMEE)与信息熵(En)确定模型的参数值。最后, 研制了算法硬件平台, 分别用中波和长波红外成像系统对算法进行了实验验证。实验结果显示: 该方法对不同场景的图像均可取得很好的增强效果, 图像的EMEE值比传统的平台直方图均衡算法提高至少5倍以上, 对改善图像质量和视觉效果具有实用价值。
成像系统 红外图像 图像增强 图像评价 对数图像处理模型 直方图均衡 imaging system infrared image image enhancement image evaluation logarithmic image processing model histogram equalization
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对共形光学导引头角增量非线性误差的补偿问题, 设计了一款红外共形光学导引头。研究了共形导引头的焦距非线性和脱靶量非线性产生的原因及它们对控制系统的影响, 并给出了相应的前馈补偿方法。根据共形导引头的特点, 介绍了焦距以及脱靶量的非线性误差现象; 基于提取控制角增量的方法, 分析了共形导引头的非线性变量对跟踪回路跟踪误差的影响。最后, 设计了基于角增量非线性模型的前馈补偿器, 测试了系统的跟踪误差。结果表明: 当共形光学系统的焦距为90~91.125 mm, 像移变化为0~1.109°时, 所提出的前馈补偿器能够有效地校正跟踪误差, 补偿后的跟踪误差为0.038°, 满足共形光学导引头对位置回路跟踪误差≤0.1°的要求。
共形光学 共形导引头 红外导引头 非线性误差 角增量误差 前馈补偿 conformal optics conformal seeker infrared seeker nonlinear error angle increment error feedforward compensation
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
共形光学导引头中采用了大量的二次曲面和非球面，共形光学系统不具备点对称特性，导致导引头随目标视场的变化而产生瞄视误差。分析了共形光学系统瞄视误差的产生机理，利用光线追迹法，得到了0°~20°的目标视场中瞄视误差的仿真结果，计算出瞄视误差与目标视场的相关系数为0.9932。利用模板相关匹配法测试了共形红外导引头的瞄视误差，拟合了导引头瞄视误差的二次曲线，对比得到仿真数据的相对误差为5.02%。利用一元非线性回归分析法建立了误差修正公式，误差修正后的导引头的瞄视误差小于30 μm，跟踪精度提高至±1 pixel，可以满足导引头伺服控制系统的精度要求。实验结果为共形光学系统的设计和优化提供了部分依据。
测量 共形光学 误差分析 误差修正 瞄视误差 目标视场
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
提出了一种一体式双反射结构以解决导引头前视红外系统中R-C双反射系统装调困难以及在导弹飞行过程中次镜支架的稳定性问题。该结构将主次镜集成在一个透镜前后表面,通过对透镜前后表面进行加工并涂敷内反射膜来实现双反射镜一体化。如此配置使系统装调只需针对整个透镜, 从而降低了装调难度, 提高了结构的稳定性。设计了适用于中波红外的紧凑型二次成像光学系统, 该系统像质优良, 各视场光学传递函数均大于0.6, 接近衍射极限, 并可利用二元衍射光学元件在-40~60 ℃实现光学被动消热差。最后进行了公差分析, 并针对该光学系统列举了一些抑制杂散辐射的方法, 实验显示系统满足实际加工和应用需求。
R-C系统 红外折反系统 二次成像 衍射光学元件 R-C system infrared catadioptic system relay imaging Diffractive Optical Element(DOE)
