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中国光学学会
2021年第02期封面故事:共形窗口像差校正,让高速飞行器的“火眼金睛”看得更广、更清晰
共形窗口像差校正,让高速飞行器的“火眼金睛”看得更广、更清晰
封面文章| 《光学学报》2021年第02期封面故事:郭玉;赵春竹;朴明旭;郑汉青;顾姗姗;句源;基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正[J]. 光学学报, 2021, 41(2): 0222002.
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1、引言
光电跟踪瞄准系统或称光电目标指示系统(Electro-Optical Targeting System,EOTS)被誉为飞机的“火眼金睛”。
它通常被安装在飞机的机头下方(如图1所示),以加强飞机对地、对海的探测能力,可提供窄视场下远距离的精确探测、追踪成像和识别。
图1飞机的EOTS系统(图片来自网络)
EOTS的探测窗口通常由几片平面玻璃或蓝宝石组成,在机头下方形成凸起部分,但这样的形状也会给飞机的气动外形和隐身性能带来影响。
共形窗口是指外形与主平台轮廓相吻合的光学窗口,用于高速飞机平台可以减少空气阻力(如图2所示),增强隐身效果,进而提高整机性能。
图2 未来客机和战斗机的共形窗口应用(图片来自网络)
但其不规则面形会引入像差,尤其在成像系统扫描观察不同视野时,由于通过窗口的区域不同,像差呈现动态变化,极大降低了成像质量。
在共形窗口像差校正方面,动态校正方法适用于大扫描视角范围像差校正,但是由可移动光学元件组成的动态校正器会导致系统光机结构复杂且降低系统稳定性;静态校正方法稳定性好,但只能在较小扫描视角范围内实现动态像差的校正。
2、基于固定校正板和透镜阵列的共形窗口像差校正方法
北京大学分子医学研究所赵春竹老师课题组和长春理工大学朴明旭老师课题组,为探寻一种大扫描视角、结构简单、重量轻、稳定性强的机载共形光学系统,合作提出了基于固定校正板和透镜阵列的共形窗口像差校正方法,基于所提方法设计了一个应用在机载共形光学系统中的固定校正板和透镜阵列校正器。
图3为基于固定校正板和透镜阵列的共形窗口像差校正方法原理图。首先将固定校正板放置在扫描成像系统前,使其跟随扫描成像系统转动,选择适合的面形,校正共形窗口引入的固定像差分量,即静态像差。由于共形窗口面形复杂,且光束通过共形窗口的有效面积随着扫描角度变化。因此共形窗口引入的像差随着扫描角度呈动态变化,但是对于每一个扫描角度,窗口引入的像差是静态的。如果将每一个扫描角度视为一个成像通道,则由共形窗口引入的动态像差可转化为每一个成像通道的静态像差。在每个成像通道的非重叠区域,插入一个透镜单元,通过优化表面参数和旋转透镜单元来实现各通道静态像差的校正。最后,这些透镜单元组成透镜阵列实现共形窗口的动态像差校正。
图3 基于固定校正板与透镜阵列的共形窗口像差校正方法原理图
基于所提方法,利用光学设计软件对共形光学系统进行初始建模,初始结构由共形窗口和扫描理想透镜组成。首先加入固定校正板,平衡共形窗口像差;其次,计算出透镜阵列中各透镜单元角度间隔和植入位置,并根据系统引入的像差情况选择合适的透镜单元面型;最后植入透镜阵列,并用光学设计软件进行优化。图4为基于固定校正板和透镜阵列的共形光学系统结构图。
图4 基于固定校正板和透镜阵列的共形光学系统结构图。(a)Y-Z平面内0°扫描角度的结构图;(b)X-Z平面内0°,21°和42°扫描角度叠加的结构图;(c)X-Z平面内0°-42°扫描角度叠加的结构图;(d)0°- 42°扫描角度的3D图
图5(a)为共形光学系统初始结构轴上点Zernike系数图,图中Z1、Z4、Z5和Z6的值随着扫描角度的增加而显著变化。其中Z1是一个不影响图像质量的常数。Z4代表离焦,只影响像面的最佳位置。Z5和Z6分别是0°和45°像散,这是共形窗口引入的主要像差。图5(b)为基于固定校正板和透镜阵列的共形光学系统轴上点Zernike系数图,剩余的Zernike系数被减少到小于一个波长量级,与初始共形光学系统的Zernike系数相比减小了10倍。
图5 共形光学系统的轴上点Zernike系数校正前后对比图。(a)共形光学系统初始结构轴上点Zernike系数图;(b)基于固定校正板和透镜阵列的共形光学系统轴上点Zernike系数图
设计结果表明,通过将扫描成像过程分成多个成像通道,并通过植入透镜阵列对每个成像通道的像差单独校正,可有效校正在±42°的扫描视场内共形窗口引入的动态像差,实现了大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低了机载共形光学系统的重量、提高了系统的稳定性。
3、总结与展望
开展基于透镜阵列的机载共形光学系统动态像差校正方法研究,对于提高共形光学系统稳定性、简化系统复杂程度有重要意义。后续工作将进一步工程化,着手于透镜阵列的加工和安装,争取早日应用。