基于红外连续变焦的坦克装甲车夜视系统设计

杜 平，赵翠玲，韩 晶，吕鹏飞

(1．海军驻保定地区航空军事代表室，河北 邯郸 056028；2．河北省机器视觉与图像理解工程技术研究中心，河北 邯郸 056028；3．河北汉光重工有限责任公司，河北 邯郸 056028)

基于红外连续变焦的坦克装甲车夜视系统设计

杜 平1，赵翠玲2，3，韩 晶2，3，吕鹏飞2，3

(1．海军驻保定地区航空军事代表室，河北 邯郸 056028；2．河北省机器视觉与图像理解工程技术研究中心，河北 邯郸 056028；3．河北汉光重工有限责任公司，河北 邯郸 056028)

为了提高坦克装甲车的夜间作战能力，针对坦克装甲车辆作战范围，设计了一种红外连续变焦夜视系统，该系统可以进行昼夜连续完全被动的监控，能够在全黑夜晚和恶劣天气条件下使用，使车长在夜晚同样可以完成观察战场、搜索目标、指示目标和实施超越射击的任务。此红外连续变焦系统可实现焦距在50～200 mm范围内的变化调整，实现4倍光学连续变焦，且具有成像质量高、体积小等特点，不仅能够对特定的景物进行光学的放大缩小，并且在切换的过程中不会造成目标的丢失。

光学设计；装甲车辆；连续变焦；夜视系统

3．HebeiHang-guangIndustryCo.，Ltd.，HebeiHandan056028，China)

坦克装甲车辆夜视系统经历了三代[1]。第一代为主动红外装置，缺点是隐蔽性不好，容易被敌方发现，成为攻击的目标。第二代为微光夜视仪(包括一代和二代像增强器)和微光电视，其缺点是微光夜视仪在无月光、星光夜晚的作用距离受到限制，并受烟雾影响，还不能发现伪装目标。第三代为红外夜视系统[2]，它不仅能够克服以上缺点来实现“全被动、全天候”观察，还具有识别伪装，获得关于目标状态信息以及根据目标的热特征而实现自动跟踪目标的能力，这对提高坦克装甲车的作战与生存能力具有特殊重要的意义。

本文结合坦克装甲车辆的使用环境，设计了一焦距为50～200 mm的长波连续红外变焦系统，该系统具有体积小、成像质量高等特点，在使用中既能为车长在搜索时提供最好的态势了解，又能在发现目标时，调到小视场瞄准跟踪。在视场转换过程中能够保持图像的连续性，对搜索和跟踪高速运动目标是非常有利的。

1 红外连续变焦夜视系统设计

1.1 系统主要参数

光学系统的主要参数指标如表1所示。

表1 光学系统主要参数

1.2 变焦距系统原理

变焦系统的各组元一经设计与加工之后，就是固定不变的，要实现变焦功能，只能改变各组元之间的空气间隔。当改变组元之间的间隔时，光学系统像面位置伴随相应移动。为了使像面位置不改变，需要有的组元作补偿像面的移动。根据补偿方式不同，变焦光学系统可分为光学补偿和机械补偿两种。光学补偿法的变焦系统是指通过一组或两组透镜的线性移动达到变倍的目的，当像面位移量在系统焦深范围内时才能得到像面变动不大的系统，因此在实际使用中受到了很多限制。机械补偿式变焦距系统则通过补偿组作相对较小的非线性运动来弥补光学系统变倍过程中的像面移动，因此像面相对稳定。

机械补偿法通常有正组补偿和负组补偿两种补偿形式(二组元移动情况下)。考虑到连续变焦系统变倍比不大，这里选择机械补偿法、负组补偿的变焦结构。其原理图如图1所示。

图1 连续变焦光学系统原理图

1.3 设计结果

根据指标要求工作波段为8～14 μm，选取常用红外材料Ge、ZnSe作为光学系统的材料，镜筒材料用铝。通过3种光学材料和镜筒材料的匹配以及非球面的合理使用，在没有采用衍射等特殊光学元件的前提下，实现了红外连续变焦光学系统设计[3]，图2为红外连续变焦镜头分别处于短焦状态、中焦状态及长焦状态时光学系统结构图。

图2 连续变焦系统图

整个红外连续变焦系统采用6个镜片，其中第1面，第6面为非球面。光学系统无渐晕。

1.4 像质评价

光学系统的传递函数在短焦状态、中焦状态和长焦状态的MTF如图3～图5所示，截止频率为20 lp/mm。从图中可以看出，在变焦过程中，系统的MTF曲线均大于0.5并接近衍射极限，满足使用要求。

图3 短焦MTF

图4 中焦MTF

图5 长焦MTF

光学系统的点列图见图6，具体数值见表2。由此可见，在所有焦距位置全视场范围内弥散斑的均方根值(RMS) 都小于20 μm，能够满足高精度成像系统使用要求[4]。

图6 点列图

表2 弥散班直径的均方根值

1.5 凸轮曲线

在变焦过程中凸轮曲线如图7所示，横坐标表示凸轮横向增量x，纵坐标表示焦距变化。曲线1为系统的焦距变化，曲线2为变倍组的移动量，曲线3为补偿组的移动量。从图中可以看出，变倍组的曲线为直线，补偿组的走向比较光滑，压力角小于45°，能够满足机械传动力学的要求，有易于光学系统成像精度的提高[5]。

图7 凸轮曲线

2 总结

本文根据坦克装甲车辆夜视系统的发展方向，提出了一种四倍红外连续变焦夜视系统。该夜视系统在各个变焦位置具有较高的成像质量，并且简单的凸轮曲线设计可降低光学系统的加工和装配难度，有利于提高光学系统的成像精度[6]。连续变焦夜视系统的使用，便于对同一物体进行光学的放大和缩小，使同一个镜头既能大范围的搜索，又能进行目标放大识别，且在视场切换的过程中不会造成目标的丢失，有利于车长在夜晚或恶劣条件下完成观察战场、搜索目标、指示目标和实施超越射击的任务。同时非制冷成像组件的使用，减少了夜视系统的成本、重量、体积大小，降低了其复杂性、耗电量，对坦克装甲车辆夜视系统的升级具有重要意义。

[1] 兰长羽，孙旭.坦克与战争[M].北京：国防工业出版社，1997.

[2] 陈坚. 坦克TOP-10经典武器[M].北京：解放军出版社，2004.

[3] 吴晓靖，孙赤全.红外光学系统无热化设计与外光学系统的设计[J].红外与激光工程， 2002， 31(3)： 249-252.

[4] 谭树人，张茂军.高分辨力全向视觉系统的设计与实现[J].电视技术， 2008， 32(10)： 88-90.

[5] 孙乐民，薛永林.超高清数字电视关键技术研究[J].电视技术， 2008， 36(6)： 17-20.

[6] 李超.超高清晰度电视与三维电视进展[J].电视技术，2011，35(22)： 19-24.

杜 平(1974— )，工程师，主研火控系统及光电系统；

赵翠玲(1985— )，女，高级工程师，主研电视成像系统及红外探测成像系统；

韩 晶(1981— )，工程师，主研机械系统设计；

吕鹏飞(1985— )，工程师，主研控制系统设计。

责任编辑：闫雯雯

Night View System Design of Armored Vehicle Based on Infrared Zoom

DU Ping1， ZHAO Cuiling2，3， HAN Jing2，3， LÜ Pengfei2，3

(1．NavyAeronauticsMilitaryRepresentativeOfficeinBaoding，HebeiHandan056028，China；2．HebeiEngineeringTechnicalResearchCentreforMachineVisionandImageUnderstanding，HebeiHandan056028，China；

An infrared zoom system has been designed that aimed at the tactical range of armoured vehicles to improve the operational capability of armoured vehicles in the nighttime， the system can be completely passive and continuous monitoring day and night， and also to be used at night and the conditions of bad weather， the conductor can accomplish the task of observing battleground，searching for target pointing out target and implementing overhead fire. This infrared zoom system can realize the focus at 50～200 mm， 4 times optical continuous zoom， and has the characteristic of high image quality and small volume， not only realize optical magnification and dwindle aimed at special scenery， but also the target can′t lose when switching.

optical design； armored vehicle； zoom； night view system

【本文献信息】杜平，赵翠玲，韩晶，等.基于红外连续变焦的坦克装甲车夜视系统设计[J].电视技术,2015，39(11).

TN911;TH74；O435.2

A

10.16280/j.videoe.2015.11.017

2014-10-08