红外全景光学系统设计

论文摘要

伴随着红外技术和全景成像技术的不断发展,研究红外全景光学系统以代替单视场视觉系统已经成为各国竞相研究的热点。相比于单视场视觉系统,红外全景系统具有不可比拟的优势：它克服了连续捕获新目标出现的观瞄低效、实时性差、更新速度慢等缺点,提高了目标的感知能力和搜索跟踪的速率,确保探测目标的准确度；并且探测灵敏度高,能识别夜间或恶劣环境条件下的各种伪装和多层次、多角度目标的威胁。本文在总结和归纳国内外红外全景成像方法和发展趋势的基础之上,选择了多镜头全景成像法,设计了大视场、大相对孔径的红外物镜。并采用视场交互式部署方式,设计出一个方位360°和顶视90°视场的五通道中波红外全景光学系统。该系统使用一个探测器代替多个探测器接收方位和顶视的红外信息。从设计结果的各类像差曲线、点列图和传函中分析出,系统在整个视场范围内成像质量良好,传函在171p/mm时接近衍射极限。通过分析红外系统现有的几种温度补偿方法,采用光学被动式消热差,利用不同材料相互匹配和合理分配光焦度对红外系统在-40°C～60°C温度范围内进行消热差设计。设计结果表明,在给定温度范围内成像质量满足设计要求,同时像面稳定。采用离焦方式对系统进行了误差分析和公差分配,利用ZEMAX软件的灵敏度分析功能,计算出一套满足加工工艺要求比较低的系统公差,为红外全景系统的加工及装调提供依据。为了满足工程应用,基于该系统存在的像移问题,设计了简易的像移补偿装置。针对红外全景系统成像方式,对全景拼接中的关键技术—图像配准进行了研究。通过归纳各种图像配准方法,选取了基于特征角点的图像配准,在分析Moravec算子的基础之上确定了Harris角点算法,并利用MATLAB对不同特征目标进行了仿真实验,结果表明Harris算法准确率高,具有较高的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 全景成像技术的实现方法
• 1.2.1 旋转扫描式全景图像拼接式法
• 1.2.2 折反射全景成像法
• 1.2.3 特殊结构形式实现全景成像
• 1.3 红外全景成像系统的发展现状
• 1.3.1 国外红外全景成像的发展状况
• 1.3.2 国内红外全景成像的发展状况
• 1.4 本文研究的主要内容和组织结构
• 1.4.1 本文研究的主要内容
• 1.4.2 本文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 2 红外全景系统总体设计
• 2.1 总体设计路线
• 2.2 设计要求
• 2.3 工作原理
• 2.4 红外光学材料
• 2.4.1 红外光学材料的主要性能
• 2.4.2 红外光学材料的种类
• 2.4.3 常见的红外光学材料
• 2.5 热差理论
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 温度效应
• 2.6 无热化设计方法
• 2.7 本章小结
• 3 红外全景系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 红外全景光学系统设计
• 3.2.1 设计规格要求
• 3.2.2 红外物镜设计
• 3.2.3 无热化设计
• 3.2.4 全景系统设计
• 3.3 系统公差分析
• 3.4 转像规律分析
• 3.5 像移分析
• 3.6 小结
• 4 红外镜头性能分析与作用距离估算
• 4.1 红外全景系统中光能损失分析
• 4.1.1 光学元件内部的光能损失
• 4.1.2 光学元件表面的反射损失
• 4.2 镀膜
• 4.3 红外全景成像探测距离估算
• 4.3.1 盲区估算
• 4.3.2 探测距离估算
• 4.5 小结
• 5 红外图像拼接
• 5.1 图像拼接概述
• 5.2 图像拼接流程
• 5.3 图像配准方法
• 5.4 基于Harris算法的图像配准
• 5.4.1 Harris算法原理
• 5.4.2 全景图像配准仿真与分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本论文工作的总结
• 6.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢