【摘 要】
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多波段光电载荷融合成像具有几何和物理特性共同识别的功能,可有效提升目标识别率和识别效率,在光电成像技术领域发挥着不可替代的作用。传统多波段光电载荷一般选用多镜头分立组合的光学结构,存在系统体积大、图像实时处理能力弱等问题,难以满足对新型光电载荷集成化和灵巧化的需求。伴随着超精密加工技术的发展,多面共体光学元件的形、位高精度加工成为可能,光线可以在不同光学面间多次反射,形成折叠式光学成像系统,并有望
【基金项目】
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装备军内科研项目“高性能 XXXX成像系统研究”； 国防科技大学预先研究项目“折叠成像系统XXXXXX技术研究”；
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多波段光电载荷融合成像具有几何和物理特性共同识别的功能,可有效提升目标识别率和识别效率,在光电成像技术领域发挥着不可替代的作用。传统多波段光电载荷一般选用多镜头分立组合的光学结构,存在系统体积大、图像实时处理能力弱等问题,难以满足对新型光电载荷集成化和灵巧化的需求。伴随着超精密加工技术的发展,多面共体光学元件的形、位高精度加工成为可能,光线可以在不同光学面间多次反射,形成折叠式光学成像系统,并有望为多波段光电载荷带来变革性的发展。高性能多面共体折叠成像系统的发展也面临着诸多挑战,主要是在光学设计、超精密加工、高精度检测以及性能调控等方面,多面共体折叠成像系统的光学设计是多变量约束条件下的多目标优化问题,多面共体光学元件的加工需要解决形位耦合条件下的高精度生成与检测问题,多面共体折叠成像系统的性能提升需解决杂散光抑制和高精度装配问题。因此,开展基于多面共体光学元件的多面共体折叠成像系统的优化设计研究,实现多面共体光学元件形位高精度加工与检测,突破传统多波段光电载荷分立式结构,提升多波段光电载荷系统性能,对于促进我国多波段光电载荷的发展具有重要的理论和实践意义。本论文针对上述问题,围绕多面共体折叠成像系统的研制难题,开展设计、加工、检测及图像融合等关键技术研究。具体的研究内容主要囊括以下五个方面:（1）建立了多面共体折叠成像系统优化设计方法。为了提升多面共体折叠成像系统光学设计的有效性,基于经典像差理论建立了多面共体折叠成像系统的优化设计模型,针对自主驾驶汽车目标探测需求对光电载荷的指标要求进行了实验验证。掌握了多面共体光学元件的像差分布规律,分析了系统边界条件和力热参数对多面共体折叠成像系统光学性能的影响,提出了系统的优化方案和设计参数,为多面共体折叠成像系统的多波段共轴融合成像奠定了设计基础。（2）提出了多面共体光学元件形位高精度在位检测与补偿车削方法。针对多面共体光学元件存在的形位高精度制造难题,对多面共体光学元件的单点金刚石车削工艺进行了研究,并基于计算全息元件（Computer Generated Hologram,CGH）开展了高精度的形位误差在位测量方法研究,通过补偿加工手段有效抑制了光学元件切削误差,实现了多面共体光学元件的高精度和高效率加工。（3）提出了多面共体折叠成像系统杂散光分析和抑制方法。从光电探测器目标探测的需求出发,建立了多面共体折叠成像系统杂散光分析和抑制模型,提出了杂散光抑制的基本原则,并进行了多面共体折叠成像系统杂散光抑制技术的研究,设计了包括内壁挡光环、内遮光罩和出瞳孔径光阑在内的抑制杂散光的结构,在不增加系统遮拦比和系统轴向尺寸的情况下可使可见光成像系统的点源透射比（Point Source Transmittance,PST）值小于10-5,长波红外成像系统的PST值小于10-4,满足系统使用要求。（4）研究了多面共体折叠成像系统装配误差的分析方法,并提出了多面共体折叠成像系统系统只装不调的基本概念与实现思路。分析了系统装配误差的来源,采用灵敏度分析法建立了系统装配误差与多面共体光学元件面形误差的映射关系模型,实现了多面共体折叠成像系统高精度装配,可见光成像系统最终的波像差峰谷值（Peak to Valley,PV）值为0.980λ,均方根值（Root Mean Square,RMS）值为0.156λ,长波红外成像系统的波像差PV值为0.935λ,RMS值为0.165λ。（5）研究了多波段共轴多面共体折叠成像系统的图像融合方法。超精密车削工艺保证了折叠可见光-长波红外成像系统的高精度共轴集成,简化了图像配准过程,运用主成分分析法直接实现了多波段图像的融合,融合图像包含的场景信息更丰富,目标特征更明显。
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