温度变化对红外成像的影响分析

陈银君

(海军驻南昌地区航空军事代表室　南昌　330024)



温度变化对红外成像的影响分析

陈银君

(海军驻南昌地区航空军事代表室南昌330024)

摘要阐述了红外成像光学系统的功用和成像特点,分析了红外光学元件的热效应,论证了温度变化对光学成像质量和系统性能造成的影响,推导出了工程应用计算公式,以便对系统性能进行预估,进而采取合理的补偿方案。

关键词红外成像; 热效应分析; 温度变化; 光学系统

Analysis of Influence of Temperature Change on the Infrared Imaging

CHEN Yinjun

(Naval Aviation Military Representative Office in Nanchang, Nanchang330024)

AbstractThe functions and characteristics of infrared imaging optical system are described. The thermal effect of infrared optical element is analyzed. The effect of temperature caused by the change of performance of optical imaging quality and system are demonstrated. A formula is derived to calculate the engineering application, in order to estimate system performance, and take reasonable compensation scheme.

Key Wordsinfrared imaging, thermal analysis, temperature change, optical system

Class NumberTN213

1引言

红外成像系统的作战使命任务随着战争形态变化而发生变化,在目标监视、防天防空、目标识别、打击评估和预警探测等领域有着广泛应用,总体趋势是多向分化和范围扩展[1]。完整的红外热成像系统由红外焦平面探测器和红外成像电子学组件组成,红外成像电子学组件极易受内部环境温度影响,成像元件本身带有制冷设备,这会导致系统内部的温升,外成像系统中红外成像电子组件极易受内部环境温度影响。此外,外部环境温度的变化也会对成像系统产生影响,其主要表现在两个方面:一是环境温度的变化使红外系统的壳体产生变形;二是热量经过壳体传递到系统内部,影响成像质量[2~5]。温度变化对红外光学系统成像质量的破坏直接降低了红外成像系统的探测和识别性能。温度已经成为影响成像质量的关键因素之一[6]。对于红外成像系统像质要求高的应用领域,需要采用一定的技术措施把由于温度变化引起的红外光学系统成像质量变坏的程度修正到设定的标准状态。

要解决这个技术难题,须先弄清如下几个问题:

· 红外光学系统的功用和成像特点与常规光学系统有何异同;

· 红外光学系统的热效应如何;

· 温度变化对光学成像质量会造成什么影响;

· 温度变化对系统性能会造成什么影响。

2红外光学系统的功用和特点

2.1功用

红外光学系统在热像仪中的功用主要有如下几点: 1) 收集来自目标和背景的辐射能量传递到红外探测器上; 2) 以预定的比例确定目标的相对空间位置; 3) 以给定的质量在探测器焦平面上形成景物的热图像; 4) 对目标信号实现空间滤波和光谱滤波,提高信噪比; 5) 会聚景物的辐射能量以增强入射到探测器上的辐射通量密度; 6) 根据热成像系统要完成的任务而设置不同的功能元件。

红外光学系统在热成像系统中的功能如图1所示。

图1光学系统功能图

2.2成像特点比较

由2.1节分析可知,红外光学系统的功用相当于一个摄像镜头,与可见光电视镜头相似。但红外成像与可见光成像特点相较又有一定区别。其成像特点可以在表1中看出主要区别。

表1　红外与可见光成像特点比较

3光学元件热效应分析

从可见光和红外线的成像特点比较可知:红外光学系统以温差大小为其成像机理,光学系统的性能由不同的光学元件特性来描述。而光学元件受温度的影响使其结构参数发生变化,最终破坏系统成像质量。不同光学元件的热效应分析如表2所示。

表2　红外光学元件热效应分析表

4温度变化对光学像质的影响

4.1温度变化引起光学系统离焦

光学系统的焦距是一个非常重要的性能参数,它由确定的光学结构参数(半径、厚度、折射率)来描述。单个光学透镜的光焦度公式:

(1)

实际系统中,透镜的厚度d往往比半径的乘积小得多。为便于分析,方程右边第二项对光焦度的影响可暂不考虑。按照薄透镜光焦度,可简化为下式:

(2)

当结构参数(n、r)改变时,光焦度也随之变化。对式(2)求微分,可得光焦度的变化量Δφ的表达式:

(3)

当温度变化ΔT时,透镜结构参数的变化为

(4)

带入式(2),经合并整理得光焦度变化量表达式:

(5)

由于

(6)

代入式(3)解得离焦量表达式:

(7)

对于由多个透镜组合的光学系统,温度变化引起的系统焦距变化公式为

(8)

式中:h1为光线在透镜1的入射高度;hk为光线在透镜k上的入射高度。

利用式(8)可以估算薄透镜系统的焦距受温度变化产生的离焦量。

4.2温度变化引起光学像点模糊

任何光学系统的成像质量可取决于光学结构参数的优化组合。对于设计质量优良的光学系统,当结构参数改变时,像质将变坏[7]。温度变化影响到半径和折射率,对红外系统来说,主要是轴向像差的改变,也就是轴向球差和色差[8]。分析如下:

1) 色差变化关系式

红外光学系统工作波段宽,温度变化对不同波

长的折射率影响不同会引起位置色差,不同波长的折射率因温度改变产生的位置色差表达式为

Δ色=fΔT(vλ1-vλ2)

(9)

2) 球差变化关系式

(10)

式中:dAk为透镜系数变化量;dρk为透镜曲率变化量;dn为材料折射率变化量;m为透镜数目。

5温度变化对系统性能的影响

5.1空间分辨率

温度变化时光学系统焦距和像斑发生变化,这就改变了系统的空间分辨率。

(11)

式中:ϑ为空间分辨率;Ad为光斑尺寸。

对式(11)微分求温度变化对空间分辨率的影响:

(12)

这造成系统识别性能下降。

5.2系统热灵敏度

温度改变使长焦系统变化很大,会改变光学系统的F数,温度升高会影响光学系统的透过率,这都造成系统热分辨率下降。热敏度的变化:

(13)

最终影响探测距离。

6结语

通过上述对红外成像光学系统的功用和成像特点以及红外光学元件的热效应分析,论证了温度变化对光学成像质量和系统性能造成的影响,推导出了工程应用计算公式,以便对系统性能进行预估,进而在红外成像光学系统中采取合理的补偿方案。

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中图分类号TN213

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.009

作者简介:陈银君,男,研究方向:教练机及空面导弹的研制生产质量监督。

收稿日期:2015年7月8日,修回日期:2015年8月25日