热像仪与CO激光测距机兼容技术
热像仪与CO激光测距机兼容技术
作者:郑开陵
1.二氧化碳测距机与热像仪的组合方案
1.1 机槭蛆合
激光测距仪机与红外热像仪机械地组合在一起使用,激光通道和红外通道的光路各自独立。如70年代末,美国Paytheon公司研制成功美国第一台横向放电大气压CO (TEACO,)激光测距机后,把它直接安装在美国高度生存能力试验车(HSTV)上,与该车原有的热像仪组合使用。该激光测距机的激光发射和接收系统采用直径为4英寸的共轴折射光学系统。 它鼢 学和电子学部件一起组装茬一个特制晦酶射频干扰的锗铝壳体中。激光器是一种小型TEA CO。瓣光器,输出能量10m『|脉冲重复频率5Z-iz 蹲程5kin (与FI趣作用距离柑当), 测距精度±10m,对人眼安全。探测器采用增益补偿光导HgcdTe,用渡氟致冷。激光测距捂令由弹道计算机控制。图l是安装在高度生存能力试验车上的美国第一台TEA c0.激光铡距机,激光与可见光共用一个光学通道激光接收发射系统与可见光瞄准具准直,FLIR独立地安装在旁边。
在这种系统中,激光接收光学系统与热像锵光糍系统组台戚一体,而热成像探测器与激光探铡器可以组台为一体,也可以独立。这种兼容系统比独立的系统(机械组合系统)体积小, 重量轻、成本低。
1.2.1 坦竟和装甲车辆用的热像仪与激光测距组合方案
激光发射系统28安装在左边可见光通道中。激光接收系统与前视红外系统合一,装在右边的红外同道中。红外热像仪的物镜200也是激光测距机接收系统的物镜。红外探测器206组件,有一部分探测器单元供热像仪使用,另一部分供激光回波接收使用,这样只使用一个制冷器。探测激光回波的探测器也可与热像仪的探测器分开独立安装;这时要求使用另一个制冷器。通过测距仪电子部件中的逻辑电路,把热像仪的扫描器的扫描位置与激光测距机的激光发射和激光接收机的接收和距离显示有机的结合起来,即实现同步工作。
1.2.2热像仪与激光测距机组合安装在三脚架上使用的侦察系统
美国德克萨斯仪器公司的组合方案中测距机包括发射l 0.6“m激光束的发射机1 50和包括激光发射机远焦透镜l52的可拄制方向的光学装置。发射机150通过导线l54接收测距机电子部件44的激光发射信号。激光接收机和热像仪共用一个光学系统,它包括大孔径远焦透镜200、扫描器202、成像遥镜204和探铡器阵列2O6、致玲器208。探浏器阵列206中有一个攘测激光回波的探测器单元。回波信号能量经前置放大器214放大至工作电平 经导线216传送给测距机电子部件44,它为距离显示器计算好距离。为了精确测距,激光发射和扫描器位置必须同步。由扫描位置传感器84实现同步工作。
1.2.3 美国体斯公司C0 激光测距机与热像仪的瞄准装置
美国体斯公司的CO,激光测距机与热像仪组合的瞄准装置。热像仪,激光接收台一的通道,其光轴为111,112代表激光发射光轴, 与11平行。图中没有示出激光发 机的结构,目标反射的和背影辐射的红外光能进入109通道后,通过扫描反射镜108的反射, 到达=色向偏转镜181,热像经反射后到达探测器123,探测器123的电输出接到发光二极管阵列,它使红外辐射变为可见的图像。接收的10.6 m激光能量透射过=色向镜101后经聚光铸128蓟达光纤125的端部,然后经过光纤到达揉测器123。传递激光束也可用其它光学系统代替光纤.
1.2.4美国Texas仪器公司为美目陆军研秭曲近距离红外监视系统
美国Texas仪器公司研制的远距离红外监视系统的性能。CO 2激光测距机的发射系统是独立的采用卡塞格伦反射系统把激光射到目标 主反射镜和剐反射镜均是非球面铝反射镜,由单刃金剐石车酎翩成。热像仪的窄视场与激光接收系统共用一个孔径(反射式)。但探测器是独立的,两种探测器各有自己的致冷系统。激光接收用的避光铝反射镜的转速为36O转/分,与扫描反射镜的背面同步。在扫描反射镜的回扫时间内,该遮光反射镜把激光能量反射到激光探测器上。热像仪的宽视场采用折射光学系统。该远距离监视系统采用丁先进的设计和工艺。
1.3 FUR与COt激光澍曩机光量奎部合一方案
该方案除了把接收光学系统、探铡器、致冷器合一以外, 还把激光发射系统也组合到FL/R接收系统中, 使整个系统零部件数目最少。直升机目标自动捕获系统是这种方案的一个例子。
1.4 三种组合方案的比较
第一种方案也就是激光测距机与I~LIR机械地组台的方案,只要把两个独立的系统用螺栓组合在一起,进行光轴校准, 即可投入使用。但由于两个光学系统、探测器致冷器都是独立的,导致组合系统的体积和重量增大、成本提高,所以不是理想的方案。
第二种方案实现了光学系统、探渊器和致冷器系统的组合,用一套光学系统和探测器致冷器系统代替两套系统,使整个系统体积小,重量轻 成本低 特别是光学系统的台一可节省材料费,加工费、镀旗费等。在第二种方案中,探测器致冷器部件可以舍用,也可以独立。例如在凰5所示的美国远距离红外监视系统中,热像仪的红外探测器致冷器与激光接收红外探测器致冷器是分开的。对予这种大型设备来说,为了充分发挥激光测距机孵性能,使其探锄器处于最佳工作状态,增加一些体积和重量是值得的。在第二种方案中 雯考虑凝带宽度匹配和激光光斑尺寸与探测器尺寸的失配问题,这将在后面讨论。
第三种方案是激光发射、激光接收、热像仪接收共用孔径,共用扫描器和致冷器,达到全部台一,理论上最为理想,但实践上会遇到许多困难。因为CO:发射机光束扩展器的设计与红外接收的光学系统是不同的,把它们组合在一起会带来工艺和装配调校等困难。此外,对于美英等国已实现组件化的热成像系统,加入激光发射机还会带来附加的两个问题:④组件化热像仪光学系统设计得已很臻凑, 几乎没有空间放置激光分束镜。如要放入分束镜,势必要重新修改热像仪的光学组件; ② 放置分光镜增加了光学插入损耗,降低现有热像仪的性能。对新设计的热像仪狱光i蹲距机兼容系统来说,不存在谜两个问题。
总的来看, 目前采用第=个方案最为理想,实际上大多数兼容系统都采用第二方案。
2 CO;激光测距机与FUR兼容的技术问题本节主要讨论频带宽度匹配、激光光斑与探测器尺寸几何失配、红外光学零件加工,红外光学薄膜的设计与工艺等技术问题。
2.1 鞭带宽度的匹配
利用热像仪的红外探测器探测激光回波,存在两者的频带宽度匹配问题。众所周知,激光测距机的接收带宽与距离分辩率和测距精度有关。为了得到足够的距离分辨率必须使用窄脉冲时,要求激光接收机具有宽的频带。例如,为了获得5m的距离分辨率,要求接收机约有30MHz带宽。而热像仪的灵敏度是通过降低接收系统的噪声来实现的,带宽与噪声成正比,一般光导型HgCdTe探测器要求带宽为1MHz。因此, 利用热像仪的红外探测器来探测激光回波,就会产生这种矛盾。这个矛盾, 在激光测距机对距离分辨率不高的情况下, 可以通过增益补偿技术予以解决。增益补偿技术容许热像仪的带宽增加一个数量级,达到10M.I-Iz。用10MHz带宽探测激光回波可保证激光测距接收系统有20m的距离分辨率和±10m的测距精度。如果激光测距机对距离分辨率和测距精度要求高时, 就不能用热像仪探铡器探测激光回波,需使用独立的探测器。
2.2 激光光斑与红外探澍器的几何失配问题
接收光学系统把激光投射到焦平面上的光斑尺寸与探测器尺寸不相等,导致激光回波能量不能被完全接收。为了达到最佳的测距性能,测距机的激光束的发散角一般在0.4~0.7mrad之间,丽高分辨率热像仪的红外探测器的投影立体角为O.15mrad或更小。这种光斑尺寸的几何失配,导致接收的激光能量损失。能量损失在5.5dB~ 8dB之间。能量损失使测距性能下降。
为了减少几何失配带来的能量损失 提高测距性能,在技术上可采用多种方案。
① 在一个基片上分别制出热像仪探测器和激光探谢器。热像仪采用小尺寸探测器单元组成的180元探测器, 激光接收机采用大尺寸探测器单元组成的十字形探测器,大尺寸独立的激光探溺器在几何上(光斑)和电学上(带宽)的性能得到满足。
②仍然用热像仪探测器探测激光回波,但采用光束偏转装置, 以便接收更多的激光能量。偏转装置见图4所示。偏转装置产生的能量聚集效果见图l0。激光测距时间约6O~10 s,而且是在热像扫描反射镜的回扫时间内实现测距(由逻辑电路控制)。光束偏转装置在这个时间内使扫描镜作瞬时的阻尼运动,回波激光柬缓慢离开探测器便使探铡器接收更多的能量。
2.3 金刚石车削红外光学零件以
为了提高作用距离,红外光学系统通常是小视场高数值孔径的光学系统。球面光学零件由于球差和像散大,使光学系统像质差。为了提高像质,必须采用较多的光学零件实现消球差和消像散,导致系统的尺寸、重量的增大。因此,目前国外先进的热成像系统采用了非球面光学零件代替球面光学零件,使整个装备体积小,重量轻、成本低、性能好在8~12[~m红外光学系统中应用的透镜材料主要有Ge ZnSe、ZnS等, 光学系统反射镜和扫描反射镜材料主要有铝 铜、铍等。在加工非球面零件时,传统的加工方法需要高度熟练技能的光学工人,而且生产率低、成本高,一致性不好,不能适应批量生产的需要。采用数控精密机床单刃金刚石车削技术,可使生产率大大提高,成本合理,适应批量生产的需要。美国在加工一批90。
离辅抛物面镜时,金刚石车削加工的费用为4千美元,加工时间3个星期,如采用古典法加工需5万美元,12个月才能完成。目前国外技术先进国家生产热像议和红外制导光学零件的厂家,都采用单刃金刚石车削技术加工非球面光学零件。采用这种技术, 目前批生产加工光学零件时面形精度达到k/lO632Sk),角度精度为2—4秒,表面光洁度达5rim (均方根值)。加工Ge、ZnS ZnSe、Si caFI、Ag cu、Al Pb和光学塑料可直接达到光学表面质量。加工玻璃、钛铍、钨等达不到光学质量,需要在金剐石加工后进一步拙光。
西德慕尼黑Rodenstock光学工厂采用Pneumo精密公司的MSG325型CNC数控车床加工非球面锗透镜,工作波长^=10gm, f/2.8,f=350ram,光洁度达Ra=5nm,面形精度为k/10(k=6328A)。周l1表示热像仪光学系统的4种设计方案, 图12表示它们的像差曲线。
英国British A~ospace PIc公司用Rank— Pnc'.umo公司数控金刚石车床工热像用的锗非球面透镜,f/z,f=50ram , 在加工过程中进行面形测量。图13表示零件尺寸要求 图l4表示加工机床和加工过程测试方案。美国禧克萨斯仪器公司用金刚石车削技术加工热豫仪与CO 激光测距机兼容的远距离红外监视系统(LRmSs)的光学零件。激光发射系统光束扩展器的铝质主反射镜是30Smm×$81mm的离轴抛物面镜,耐镜是铝抛物面镜,加工精度很高。红外和激光接收系统的主反射镜是球面镜,直径为597mm.车的面形精度为4道光圈(N=4)。
2.4 复翻法篇遗坦克头部穗像反射镜
热成像与激光兼容系统的坦克头部反射镜要求重量轻、能批量生产、表面质量好、一致性好(加工的零件具有相同的面形和相同的焦距等)、成本低。只确复制法能满这些要求。
美国红外工业公司为美国陆军M1坦克火炮瞄准具制造稳像头部反射镜。除了要求重量轻以外,还要求对可见光、1.O6 m、8~l2 m的红外光都有高的反射率。尺寸为n 5.9x$42.9ram,中心部份厚25.4ram,边缘厚2.54-*-*,表面平直度要求 /8o在一62℃ ~ +76℃ 要求持这个平直度。采用图16B或c结构方案,复制表面的环氧树脂层的厚度不超过0.5ram,在其袭面再镀制反射膜。复制和镀膜完工的整个反射镜重量只有箭克,从0.4~1.06“m的平均反射率为9o% ,1.06 m的反射率≥96% ,8~l2 m的反射率≥98%。
美国光学复制中心用复制法制造潜望镜的头部反射镜,该反射镜用来传递可见光、近红外和远红外图像,要求表面平直度为^/1O。复制反射镜的基本材料为606l-T6铝,先用单刃金刚石车削表面,平直度达z ,然后采用;L/lO的平面母模进行复制,复制零件的平直度达 /lO。由于该反射镜在三种不波段工作,所以SO保护的铝膜反射率不能满足使用要求,因此该公司选用特殊的宽带高反射膜(膜系设计和镀膜工艺未透露)。该骥系对可见光和l O m的反射率为97% ,8~ 14 m为94%。
美国Balz~s光学公司用复制法制造军用离轴抛物面反射镜。基体材料为6061一T6铝。
2.5 离子铣削加工锗非球面和金属非球面光学零件
有些特别要求的面形,如高精度、高光洁廑, 抗高能激光损坏, 用别的加工方法无法实现。国外采用离子铣削法精加工,计算机控制离子束密度和在工件表面的停留时间,进非球; 密铣削加工, 也称离子抛光。
2.6 藏透镜裘面增透保护膜和宽带增透嗔
8~14 m红外光学材料主要有Ge、ZnS,ZnSe, 它们的折射率分别为4,2.2,2.4。这些透红外高折射率材料的反射损失大,透过率低。以未镀膜的Ge为蜘,在5~13 m的透过率不到5O%。在其表面需镀膜以增加其透过率。外露表面应镀保护性增透膜。要求它有①宽带减匣射}② 牢固性好(应力小,与基体粘附性好)}③ 耐磨性好(硬度高,耐砂水混台浆冲洗)}④ 耐化学性好(耐盐、雾、潮湿作用); ⑤ 吸射、吸收少。
2.6.1锗表面镀单晨类金用石碳(DLC)糠
英国RSRE和Barr& Stroud公司用等离予分解碳氢化合物(c。H-。一丁烷)气体,辉光放电,在锗透镜表面淀积类金刚石碳膜。被镀工件接负偏压。DLc膜的物理性能与淀积条件有关。其镀制的DIA$膜耐砂水浆冲洗、耐盐水浸泡 牢固性等都超过RSRE规定的TS1888技术规范。美国NASA LcMs研究中心介绍了三种淀积DLC膜工艺和4种加强基体与礁层牢固度的方法。图20是英国RsRE的DLC膜的光学性能曲线。
2.6.2锗透镜表面镀GeC多屡腋
DM腰是一种很好的单层保护膜, 但DLC膜吸收大0 250cm~ ,400cm ),应力高,不适于作多层膜使用。Ge和c形成亚稳定的细粒晶陶瓷结构,调配锗和丁烷气体的比倒,可使 c膜的n在2~4之间变化。Gec膜的吸收系数低,应力小。英国RSRE用溅射或辉光放电两种工艺,在锗基片上镀制4层GeC减反射膜 称为ARG6膜,具有很好的耐化学和耐磨损性。如果需要,可在表面再镀一层DLc膜。
2.6.3锗进筒内表面高效反射聩
措运镑内表面采用ZnS和Ge的多层减反射膜,外表面再加一层ThF。该公司的经验是(指镀这个膜系的经验):
① 薄膜的牢固度主要与控制应力有荧。
③ 镀膜前辉光放电对膜层牢固度有不良影响。
③ 沉积速率和沉积温度对膜层牢周度有大的影响;
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