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基于DMD的双视场红外目标模拟器光学引擎的研究

作　者: 乔杨
导　师: 徐熙平
学　校: 长春理工大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光学设计双视场红外目标模拟器红外光学引擎 DMD 光学扩展量
分类号: TJ765.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

红外制导导弹以其探测手段的隐蔽性及抗干扰能力强等优点不断受到人们的重视,随着成像制导导弹的不断发展,红外目标模拟器作为测试与评估导引头的有效手段亦随之不断更新。红外光学引擎是红外目标模拟器的重要组成部分,其设计的合理性直接影响整个系统成像的照度均匀性、对比度、分辨率等因素。本文通过分析对比各景象生成器件的性能,最终选用DMD(Digital Micro mirror Devices)作为景象生成器件,并设计了一套双视场红外目标模拟器的光学引擎。文中分析了基于DMD光学引擎的结构特点及设计难点,详细讨论了光学系统中使用的远心光路结构的组成部分,及各组份之间的关系。由于红外目标模拟器光学引擎是一个集光、机、电、算一体化的技术,对于光学引擎的设计要同时考虑到光源与照明光学系统的光瞳匹配,照明光学系统经TIR(全内反射,Totally Internally Reflect)棱镜入射到DMD上的入射角与DMD偏角之间的关系。为实现在DMD微反射镜“开”状态时所有入射光都能入射到投影系统光瞳处,且“关”状态和“平”状态所有入射光都不能进入到投影系统光瞳,在设计TIR棱镜时要特别计算棱镜各参数的量值。此外为使红外目标模拟器与导引头相匹配,在设计投影光学系统时要考虑到导引头的技术参数,同时还应满足投影系统的入瞳与照明光学系统的出瞳相匹配。文中以某双视场导引头为例,设计了一套与之匹配的红外光学引擎。由于选用远心光路结构,设计过程中可以将照明光学系统与投影光学系统分开单独设计。首先对照明光学系统进行设计。通过分析光源、DMD等技术参数,利用光学扩展量,确定照明光学系统的结构为临界照明,并拟定照明光学系统的设计参数。此外根据TIR棱镜的特点及其在照明光学系统所中起的作用,综合考虑照明光束入射角度与DMD偏转角度之间的关系,满足在DMD微反射镜“关”状态时没有光线入射到投影光学系统中,以此确定TIR棱镜的各项参数。对设计参数分析完成后,进行了照明光学系统设计。并利用Light Tools软件分析照明光学系统的照明均匀性等技术指标。分析结果表明,照明光学系统基本满足设计要求,像面均匀性良好。然后对双视场投影光学系统进行设计。由于投影光学系统要与某双视场导引头相匹配,故在确定投影光学系统的设计参数前首先讨论了双视场导引头的技术参数。同时,为保证照明光学系统与投影光学系统匹配,应满足拉赫不变量相等,据此确定投影光学系统的设计参数。通过对MTF,弥散斑,畸变等分析,表明投影光学系统设计满足成像要求。文中对投影光学系统的公差进行了分析,保证了投影光学系统的倾斜、偏心、厚度等参数在满足公差要求较为宽松的同时,双视场投影光学系统仍可以清晰成像,达到设计要求。最后文中对整个光学引擎的结构及光学性能进行了分析,讨论了仿真温度与黑体工作温度之间的函数关系,并计算了整个结构的能量损耗系数。最后得出,本红外目标模拟器光学引擎设计合理,与双视场导引头匹配,实现双视场目标模拟功能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-15
第一章绪论  15-28
  1.1 课题背景  15-18
  1.2 红外景象生成技术的种类介绍及分析  18-26
    1.2.1 红外景象生成技术种类介绍  18-24
    1.2.2 红外景象生成技术的性能分析  24-26
  1.3 问题的提出  26-27
  1.4 论文的主要研究内容  27-28
第二章基于DMD器件的红外光学引擎设计方法  28-39
  2.1 基于DMD的红外光学引擎  28-30
    2.1.1 DMD的工作原理  28-29
    2.1.2 基于DMD的光学引擎结构分类  29-30
  2.2 远心光路与非远心光路结构  30-34
    2.2.1 远心光路结构  30-32
    2.2.2 非远心光路结构  32-34
  2.3 红外光学引擎的系统组成及设计难点分析  34-38
    2.3.1 照明光学系统  34-36
    2.3.2 投影光学系统  36-38
  2.4 小结  38-39
第三章红外目标仿真系统照明光学系统的设计  39-75
  3.1 照明光学系统分类  39-40
  3.2 光学扩展量(ETENDUE)  40-48
  3.3 内全反射棱镜  48-64
    3.3.2 TIR棱镜角度的确定  48-55
    3.3.3 TIR棱镜厚度的确定  55-63
    3.3.4 P_1棱镜光线入射面角度的确定  63-64
  3.4 倾斜物面成像原理  64-66
  3.5 照明系统设计指标总结  66-67
  3.6 红外目标模拟器照明系统设计  67-74
    3.6.1 设计方案  67-68
    3.6.2 照明光学系统设计结果  68-71
    3.6.3 照明光学系统设计结果分析  71-74
  3.7 小结  74-75
第四章双视场红外投影光学系统设计  75-101
  4.1 变焦光学系统分类  75-76
  4.2 双视场红外投影光学系统设计指标分析  76-80
    4.2.2 拉赫不变量  77-79
    4.2.3 双视场设计参数确定  79-80
  4.3 变焦方案的拟定  80-82
  4.4 双视场投影光学系统设计结果  82-83
  4.5 光学系统设计结果分析  83-87
    4.5.1 空间调制传递函数(MTF)评价  83-84
    4.5.2 弥散斑评价  84-85
    4.5.3 投影物镜畸变分析  85-86
    4.5.4 设计结果总结  86-87
  4.6 红外投影光学系统公差分析  87-100
    4.6.1 公差对成本的影响  87-90
    4.6.2 公差分析内容  90
    4.6.3 公差设计原则  90-91
    4.6.4 公差设计过程  91-92
    4.6.5 公差的种类及选择  92-95
    4.6.6 成像质量对公差灵敏度的分析  95-96
    4.6.7 公差设计结果  96-100
  4.7 小结  100-101
第五章光学引擎整体建模  101-110
  5.1 几何模型建立  101-104
  5.2 红外目标模拟器光学引擎光源温度确定  104-108
    5.2.1 普朗克公式  104-106
    5.2.2 光学系统通过系数估算  106-107
    5.2.3 黑体温度计算  107-108
  5.3 红外目标模拟器光学引擎性能分析  108-109
  5.4 小结  109-110
第六章结论与展望  110-113
  6.1 本文的研究成果  110-111
  6.2 进一步研究工作的展望  111-113
致谢  113-114
参考文献  114-118
攻读博士学位期间发表的学术论文  118

基于DMD的双视场红外目标模拟器光学引擎的研究

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