里斯莱棱镜组快速步进凝视红外成像误差建模分析与评价方法研究

A novel method of step-stare infrafred imaging is developed to obtain detail information of object rapidly within wide detection filed of view, which meets the needs of detection, search and tracking of targets in photoelectricity detection. The Risley prisms are used to steer sight axis of the narrow filed of view，which performs high-resolution step-stare infrared imaging with wide field of view. To explore the science problems about new scanning imaging mechanism and the method of modeling, analysis and evaluation of its imaging errors, system cooperative control method,the beam scanning patterns and the model of imaging errors are investigated for the prisms.The influence factors on imaging performance, involving mechanism, motion control, sensing, image processing, prism structure, materials and manufacture are analyzed. The multiple sourses model of the imaging errors are studied based on the requirements of narrow field of view imaging, sight-of-line scanning, image fusion and target locating and measurement.The experiment platform for scanning imaging is constructed to validate the results based on the new method. The proposal provides forward-looking theory basis and key technology support for military reconnaissance, surveillance, warning, missile guidance, remote sensing and disaster rescue.

本项目为适应光电探测中目标的探测预警及搜索跟踪需求，探索一种步进凝视红外成像新方法，以在快速扩大凝视红外成像视场的同时,仍能有效地保证成像分辨率。该方法利用里斯莱棱镜组改变成像视轴，实现大视场高分辨率步进凝视红外成像。本项目围绕新方法的成像机制及成像误差建模分析与评价这一科学问题，深入研究棱镜组的光束偏转机制、扫描模式及成像模型。分析系统的机械、运动控制、传感、图像处理、棱镜结构、材料、加工等多重因素对成像性能的影响。结合窄场成像、视轴扫描、图像融合、目标定位测量要求，提出多因素成像误差模型及其分析与评价方法，并研制原型样机和实验平台，以对研究成果进行验证和完善。

具有红外成像功能的光电探测装备不易受大气烟云影响、可昼夜使用、抗电磁干扰、显示直观，主要用于实现探测预警和搜索跟踪功能。这类光电装备在车载、机载、舰载、箭载高技术装备中得到广泛应用。成像分辨率、成像视场角、成像速率（帧频）、探测距离等参数是衡量这类光电装备水平的重要技术指标。由于红外焦平面阵列像元数量和光机结构的制约，很难通过一次成像来兼顾大视场和高分辨率的要求。项目针对机载新型光电探测预警和搜索跟踪装备对高分辨率、宽视场快速红外图像信息获取技术的迫切需求，瞄准应用里斯莱棱镜组步进凝视红外成像新原理构建机载目标跟踪与测量系统时面临的关键科学问题，应用光束追迹理论研究了旋转双棱镜引起的成像畸变，建立了光学系统结构参数与最终成像像素坐标的解析关系，得到了成像畸变与光学系统结构参数的解析表达，并通过棋盘图成像实验验证了结果的有效性；针对光学镜片安装误差、不同轴误差、机械振动引入的视轴窜动误差，设计了镜片机械误差主动校正装置及其控制算法；通过逆向光线追迹推导了旋转双棱镜成像畸变校正的像点坐标模型，设计了成像畸变校正算法；设计了里斯莱棱镜组实验系统，完成了可用于轻型无人机的小型里斯莱棱镜视轴偏转控制系统样机设计；对光电目标定位系统误差源进行了归纳与分类，推导了误差传递模型；应用灵敏度分析法分析了各误差源对目标定位精度的影响程度。综上所述，主要结果为：①建立了视轴步进扫描误差模型；②建立了宽场融合图像畸变修正算法与残余畸变误差模型；③综合光机扫描误差模型、宽视场图像剩余畸变模型、位姿测量误差传递模型，建立了步进凝视成像综合误差传递模型及目标探测系统的测量误差定量分析与评价方法。发表学术论文7篇，授权国家级发明专利2项，申请国家发明专利4项，部分成果已经在相关科研单位获得应用。包含本项目研究成果在内形成的光束精密指向控制、精密光学超分辨率成像/稳像技术于2017年获得湖南省技术发明一等奖。