为了满足现代**装备中的侦查需求, 提出了一种新型的红外共形成像光学系统, 在消除光学头罩引入的复杂像差过程中, 采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正。给出了一个红外共形成像光学系统设计实例, 其工作谱段为3.7μm~4.8μm, 焦距为40mm, 长径比为1.0, 瞬时视场为2°, 扫描视场为±15°。结果表明, 在奈奎斯特频率17lp/mm处, 各个扫描视场的调制传递函数均大于0.6, 系统的光学传递函数接近衍射极限, 各个扫描视场的弥散斑都小于30μm, 适用于像元尺寸为30μm×30μm的中红外制冷型焦平面阵列探测器。该研究对于促进新型成像光学装备在**领域中的进一步的发展、应用是有帮助的。

为了校正大长径比、大扫描视角共形整流罩引入的动态像差,提出了一种固定自由曲面透镜阵列校正器。通过设计透镜阵列校正器中各透镜自由曲面的面形和旋转角度,校正不同扫描视角大长径比共形整流罩引入的动态像差。实验结果表明,自由曲面透镜阵列校正器可以对长径比为1.2的共形整流罩实现±50°扫描视角的动态像差校正。这种新型校正器具有动态校正器和固定校正器的优点,可适用于扫描视角大、长径比大以及稳定性高的共形整流罩光学系统。

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。

为了校正机载共形光学窗口引入的随观察视角变化的动态像差,提出基于计算成像的共形光学系统像差校正方法。通过建立非相干成像系统模型,给出波前编码系统消除共形光学窗口动态像差的原理和成像过程,阐明基于计算成像的共形光学系统的设计准则和掩模板的优化流程,利用倾斜边缘法定量分析该系统的传递能力。实验结果表明,通过计算成像的方法可以校正机载共形光学系统的动态像差,并且无需加入复杂的校正器件,该系统具有结构简单和稳定性强的优点。

传统整流罩为半球形或半球形的一部分, 产生的空气阻力较大, 不利于**飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑, 采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式, 通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型, 应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明: 二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大, 但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此, 在满足**的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比, 回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。

随着科技的发展, 高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响, 设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统, 系统采用楔形镜进行视场扫描, 瞬时视场2?棕=4°, 扫描视场2?棕=60°, 完成了速度为3Ma、攻角为0°共形整流罩空气动力学仿真实验, 得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值, 通过流固耦合, 计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合, 将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中, 观察其对成像质量的影响。结果表明: 共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度, 文中通过采用空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)对不同时刻的像差进行校正, 校正后系统成像质量接近衍射极限, 实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正, 对高精度飞行器有着重要科学意义。

共形导引头光学系统因在非零观察视场中失去旋转轴对称性而存在随视场不断变化的动态像差。为验证共形光学系统的光学成像性能, 设计了采用固定校正板进行像差校正的万向支架式共形导引头光学系统。系统在±55°观察视场内设计的传递函数值大于 0.5, 像元内能量集中度大于 80%。为简化位标器结构并完成光学系统的成像性能测试, 提出了采用头罩旋转的方式替代位标器结构的旋转。光学系统调制传递函数测量结果表明系统在小观察视场中的调制传递函数大于 0.45, 在全观察视场内大于 0.25, 满足目标探测要求。

为校正共形光学窗口引入的随扫描视角变化而变化的动态瞄视误差，提出基于倾斜光学元件的瞄视误差校正。建立共形光学窗口的瞄视误差模型，并分析计算共形光学窗口引入的动态瞄视误差。阐明利用倾斜光学元件校正共形光学窗口瞄视误差的原理，并通过在共形光学窗口后加入倾斜的球面透镜予以证明。给出一个设计实例，通过将校正共形光学窗口像差的校正元件倾斜，实现共形光学窗口的瞄视误差校正，且并未影响共形光学窗口像差的校正。

围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析，模拟了真实飞行状态，建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型，计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度；再根据红外探测基本原理，分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响，计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度，即研究热障效应产生机制；最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明，对于该红外成像探测系统，氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K，即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下，热障效应显著，若想进一步加快红外成像制导**的飞行速度，必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。