【摘 要】
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质量轻、体积小的长波红外热成像系统搭载在微型无人机上使用能够降低无人机的飞行功耗、提升续航里程、拓展无人机的应用范围。目前利用无人机搭载热红外成像系统已经应用在了消防、地质勘测、农业植保和军事侦察等多个方面。非制冷长波红外成像系统不需要制冷设备,相较于制冷型的成像系统具有工作稳定、体积小和重量轻的特点,适合微型无人机搭载使用的场合。本文以微型无人机搭载使用的非制冷长波热红外成像系统的小型化研究为方
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质量轻、体积小的长波红外热成像系统搭载在微型无人机上使用能够降低无人机的飞行功耗、提升续航里程、拓展无人机的应用范围。目前利用无人机搭载热红外成像系统已经应用在了消防、地质勘测、农业植保和军事侦察等多个方面。非制冷长波红外成像系统不需要制冷设备,相较于制冷型的成像系统具有工作稳定、体积小和重量轻的特点,适合微型无人机搭载使用的场合。本文以微型无人机搭载使用的非制冷长波热红外成像系统的小型化研究为方向,将光学系统的小型化设计和杂散光的分析和抑制作为切入点,重点研究了衍射光学元件在进行光学系统设计时表面的微小结构的优化方法和非制冷红外成像系统杂散光的建模、分析和抑制方法。本文首先阐述了本课题相关的基础理论,包括红外成像理论和衍射光学元件的构造理论,确定了本课题研究的理论基础。利用相关理论论证了在微型无人机搭载进行野外环境探查的应用背景下,系统的设计指标参数,在补充考虑探测器自身灵敏度的情况下重点分析了光学系统的口径这一指标,达到了光学系统设计的各项指标参数。基于小型化的设计要求本文从传统不加衍射面的光学设计方法和引入衍射光学元件的光学设计方法两方面入手,给出了不加衍射面的小型化光学系统设计方法,以光学系统的消热差理论为分析方法,给出了最优的红外材料组合方式,同时利用光焦度分配和使用非球面的方法,得到了满足设计指标的无热化轻小型光学系统设计结果。在衍射光学元件优化设计的技术手段方面,以工作波段内的衍射效率平均值为优化设计的指标,通过控制变量的方法,研究了单层的衍射光学元件、谐波衍射光学元件和两层分离型的衍射光学元件在14～8μm的工作波段内构成材料、表面的微小结构高度、设计级次和衍射级次等对衍射光学元件的衍射效率所带来的影响,得到了各个因素对衍射效率的影响情况,并通过优化表面的微小结构高度的方法对三种衍射光学元件进行了优化设计。在分析比较了三种衍射光学的性能之后,采用了加工难度低、衍射效率高的谐波衍射光学元件用于光学系统的小型化设计,设计结果相比于利用不加衍射面的方法体积和重量均有所减小,说明了使用谐波衍射光学元件的有效性。该研究为衍射光学元件在光学系统中的使用提供了设计方法上的参考,在分析衍射光学元件的特性时具有一定的指导意义。在杂散光的分析和抑制部分,针对非制冷红外成像系统特有的“锅盖效应”,建立了考虑到透镜表面反射的杂散光分析简化物理模型,设计了进行光线追迹的算法,得到了像面杂散辐射的辐照度分布。并在此基础上,以反映像面杂散辐射辐照度分布强度和均匀性的指标为优化函数,提出了通过优化杂光光阑开口形状和位置的方法来抑制杂散光,利用算法得到了优化结果,并用光线追迹软件TracePro进行了验证,说明了该方法的有效性。本文的研究成果对于衍射光学元件在长波红外光学系统的设计使用和非制冷长波热红外成像系统杂散辐射的分析和抑制方面具有一定的参考价值,推进了基于微型无人机搭载的长波热红外成像系统的小型化研究。
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