大幅宽长波红外变帧频变焦成像
长波红外变焦镜头[发明专利]
![长波红外变焦镜头[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c05ca0cd05a1b0717fd5360cba1aa81144318fb5.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710756630.5(22)申请日 2017.08.29(71)申请人 宁波舜宇红外技术有限公司地址 315400 浙江省宁波市余姚市舜宇路66-68号(72)发明人 朱光春 任和奇 (74)专利代理机构 北京谨诚君睿知识产权代理事务所(特殊普通合伙)11538代理人 陆鑫 延慧(51)Int.Cl.G02B 13/00(2006.01)G02B 13/06(2006.01)G02B 13/14(2006.01)G02B 13/18(2006.01)(54)发明名称长波红外变焦镜头(57)摘要本发明涉及一种长波红外变焦镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述透镜有至少两片采用较低热膨胀系数的红外材料；所述透镜具有至少一个衍射面。
采用较低热膨胀系数的红外材料，使得透镜受温度变化的影响减小，降低了透镜随温度变化而产生的像面漂移现象。
透镜的热膨胀系数小，透镜自身从而具有消热差的性能，从而保证了本发明的长波红外变焦镜头能够在温度变化的大环境中使用。
同时，由于镜片自身具有消热差的性能，减小透镜之间的调节距离就可实现本发明的镜头的无热化性能，对于减小本发明的长波红外变焦镜头的体积也起到了有益效果。
权利要求书2页 说明书14页 附图7页CN 107479171 A 2017.12.15C N 107479171A1.一种长波红外变焦镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)；其特征在于，所述透镜有至少两片采用较低热膨胀系数的红外材料；所述透镜具有至少一个衍射面。
2.根据权利要求1所述的长波红外变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜(1)为负光焦度透镜；所述第二透镜(2)为负光焦度透镜；所述第三透镜(3)为正光焦度透镜；所述第四透镜(4)为负光焦度透镜；所述第五透镜(5)为正光焦度透镜。
长波红外相机在轨扫描成像畸变消除控制策略
长波红外相机在轨扫描成像畸变消除控制策略刘小勇;张宗存;曹开钦;孙德新;刘银年【摘要】The control technology of a distortion control system for zoom scanning imaging was investigated to eliminate ground distortion of a long wave infrared camera on-orbit scanning imaging.A high-precision multi motor position synchronization algorithm was proposed taking the multi motor position synchronization of zoom scanning control into consideration .The synchronous positions of the zoom group motor and the compensating group motor at each point of the scanning time were set according to the design principle of zoom scanning imaging control.In particular,the zoom control system was designed to realize synchronous timing with the scanning control system ,calculate the running velocity of the motor every 0.01 s according to the current position and the next moment synchronous position ,and control the velocity of the motor in real time.The experimental results show that the position synchronization errors of the zoom group motor and the compensating group motor are within ±0.003mm and ± 0.002mm ,respectively ,and the maximum ground sample resolution deviation in the track direction is within ± 0.047 m .The images obtained from the long wave infrared camera in the process of continuous zoom scanning control are quite clear ,and the distortion has been significantly eliminated ,thus realizing zoom scanning imaging.%为消除长波红外相机在轨扫描成像的地面畸变,研究了变焦扫描成像畸变消除系统控制技术.针对变焦扫描控制的多电机位置同步要求,提出一种高精度多电机位置同步算法.依据设计的变焦扫描成像控制原理,设定每个扫描时刻点变倍组电机和补偿组电机的同步位置.变焦控制系统实现与扫描控制系统的同步计时,根据当前位置和下一时刻的同步位置,每隔0.01s计算出电机的运行速度,实时对电机的速度进行控制.实验结果表明,变倍组和补偿组电机的位置同步偏差分别在±0.003 mm、±0.002mm 以内;沿轨方向地面分辨率的最大偏差不超过±0.047m.长波红外相机在连续变焦扫描控制过程中成像清晰,达到消除畸变的效果,满足变焦扫描成像的要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】9页(P1028-1036)【关键词】长波红外相机;变焦扫描;消畸变;多电机位置同步【作者】刘小勇;张宗存;曹开钦;孙德新;刘银年【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏南通226200;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏南通226200【正文语种】中文【中图分类】TP273;TH741 引言受红外探测器、制冷机以及光学等技术的限制，相比于可见光成像系统，红外成像系统很难获取大视场、高分辨率的遥感影像。
一种工作于长波红外波段的40^(×)成像物镜设计
文章编号：1002-2082 (2021) 02-0229-07一种工作于长波红外波段的40×成像物镜设计李锦程，谢洪波，杨 磊，陈 卉，孙毅轩（天津大学 精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072）摘 要：为了同时满足热成像领域高分辨率与大探测范围的应用需求，基于机械正组补偿变焦理论，以一款长焦物镜为原型并采用浮动光阑结构，设计了一款高分辨率、高倍率的长波红外成像系统。
系统的F 数为1.2，变倍比为40×，焦距变化范围为5.86 mm ～234.76 mm ，无热化温度范围为−40 ℃～60 ℃，适配像元尺寸为12 μm 的长波红外焦平面探测器。
关键词：长波红外波段；变焦成像系统；变倍比；机械正组补偿中图分类号：TN216 文献标志码：A DOI ：10.5768/JAO202142.0201004Design of 40× imaging objective lens in long-wave infrared bandLI Jincheng ，XIE Hongbo ，YANG Lei ，CHEN Hui ，SUN Yixuan（Key Laboratory of Optoelectronics Information Technology (Ministry of Education), School of PrecisionInstruments and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China ）Abstract ：In order to meet the application requirements of high resolution and large detection range in thermal imaging field, based on the theory of mechanical positive compensation zoom, an objective lens with the long focal length was used as the prototype and a floating diaphragm structure was adopted, and a long-wave infrared imaging system with high-resolution and high-rate was designed. The primary parameters of this system include F -number of 1.2, zoom ratio of 40×, focal length ranging from 5.86 mm to 234.76 mm, and athermalization temperature ranging from −40 ℃ to 60 ℃, which is adapted to the long-wave infrared focal plane detector with the pixel size of 12 μm.Key words ：long-wave infrared band ；zoom imaging system ；zoom ratio ；mechanical positive compensation引言随着红外成像技术的高速发展，红外成像系统对高分辨率成像和大范围探测的需求日益增大[1-3]。
20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计
20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计王红伟;束慧琴;陈吕吉;严敏;曾怡【摘要】The long-wave thermal imager has a zoom ratio of 20:1. It's focal length can be continuously varied from 18.5 mm to 367 mm by the mechanical compensation zoom approach. We designed the continuous zoom mechanism. In order to make optical axis error reaches requirements of the system, the inner linearity/parallelism of zoom mechanism, the parallelism between the zoom mechanism and the optical axis of the system needs to be adjusted accurately. By using thermal compensation table, temperature compensation and fast zoom at different temperatures can be achieved in this thermal imager, while a broad temperature range is covered.%一款长波红外热像仪具有20:1的变倍比,采用机械补偿变焦方式实现热像仪18.5~367 mm范围内的连续变焦.本文对热像仪的连续变焦机构进行了设计.为保证光轴偏差满足要求,变焦机构内部的直线性和平行度、变焦机构与系统光轴间的平行度需进行精确调节.同时,通过调用温度补偿信息表可实现不同温度条件下的温度补偿和快速变焦,使热像仪具有较宽的温度范围.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)011【总页数】4页(P924-927)【关键词】长波红外;热像仪;连续变焦;光轴偏差;平行度;温度补偿【作者】王红伟;束慧琴;陈吕吉;严敏;曾怡【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223【正文语种】中文【中图分类】TN216连续变焦系统是一种焦距可以连续变化，而在变焦过程中像面保持稳定且像质保持良好的系统。
长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计
长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计
曹一青;沈志娟
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。
利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。
该光学系统工作波段为8~12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40~60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。
设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。
【总页数】9页(P114-122)
【作者】曹一青;沈志娟
【作者单位】莆田学院机电与信息工程学院;福建省激光精密加工工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】O435.2
【相关文献】
1.大视场、大相对孔径长波红外机械无热化光学系统设计
2.长波红外大视场大相对孔径光学系统设计
3.大相对孔径长波红外光学系统无热化设计
4.基于硫系玻璃的紧凑式大相对孔径长波红外光学系统无热化设计
5.大相对孔径大面阵长波红外光学无热化镜头的设计
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20×长波红外变焦光学系统设计
20×长波红外变焦光学系统设计杜玉楠;牟达;刘莹莹;王文生【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2013(000)010【摘要】针对红外目标探测等军事应用的实际需求，为了扩大对目标的搜索范围，设计了8～12μm红外波段的20×连续变焦光学系统。
该系统采用320×240非制冷焦平面红外探测器，在15～300 mm范围内实现连续变焦，F数为2。
系统结构简单，仅由6片透镜组成，并仅引入1个非球面校正系统像差。
在空间频率为16 lp/mm 处，变焦范围内的MTF 调制传递函数均在0.45以上，接近衍射极限，像质优良，像面稳定，可用于坦克红外观瞄系统。
%Aiming at actual needs of infrared target detection and other military applications, in order to expand the search scope of targets,an infrared continuous zoom optical system of 20× zoom ratio for 8-12μm wave-band is designed in this paper. For 320×240 pixels uncooled infrared focal plane arrays, the focal length from 15 to 300 mm could be changed continuously and the F number is 2. Moreover, the system’s structure is simple, which only consists of six lenses and one aspherical surface is applied to correct aberrations. At the spatial frequency 16 lp/mm, the MTF curves in the whole zooming range are all above 0.45 which are closed to diffraction limited curve. The image quality is perfect and the stability of image plane is well. Meanwhile, this system can be applied to infrared observing and aiming optical system of Tank.【总页数】5页(P607-611)【作者】杜玉楠;牟达;刘莹莹;王文生【作者单位】长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022;长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022;长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022;长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TN216【相关文献】1.长波红外连续变焦光学系统设计 [J], 王合龙;陈建发;李淑忠2.高分辨率长波红外连续变焦光学系统设计 [J], 包佳祺;吉紫娟;葛振杰;李楠;俞侃;尹娟娟3.长波红外变焦光学系统设计 [J], 虞翔;刘云芳;张友伟;张慧卿;郑列华;汤心溢4.20×长波红外连续变焦光学系统设计 [J], 陈吕吉;李萍;孙琪艳5.长波红外双组联动连续变焦光学系统设计 [J], 吴海清;赵新亮;李同海;田海霞;崔莉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高分辨率长波红外连续变焦光学系统设计
第４ １ 卷第 ２ 期
２ ０ １ ４年 ２月
光 电工程
Ｏｐ ｔ ｏ — Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅｎ ｇ ｉ ｎｅ ． ２ Ｆ ｅ ｂ ， ２ ０ １ ４
文章 编 号 ：１ ０ ０ ３ — ５ ０ １ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ７ ５ — ０ ６
高变倍 比、大光圈、大视 场范围的特 点，且像 面稳 定，变焦平滑，结构紧凑合 理，成本相对较低 。
关键词 ：长波红外；连续变焦；高分辨率；机 械补偿 ；高变倍比
中图分类号 ：Ｔ Ｎ２ １ ６ 文献标志码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — ５ ０ １ Ｘ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０ １ ２
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ａ Ｌｏ ｎｇ － ｗａ ｖ ｅ Ｉ ｎｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ Ｃｏｎ ｔ ｉ ｎｕ ｏ ｕｓ Ｚｏ ｏｍ Ｏｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｉ ｔ ｈ Ｈｉ ｇ ｈ Ｒｅ ｓ ｏ ｌ ｕｔ ｉ ｏ ｎ
大面阵长波红外光学无热化镜头的设计
大面阵长波红外光学无热化镜头的设计陈潇【摘要】红外成像随着红外探测器技术及红外材料的发展,一方面是走向大面阵,另一方面是走向无热化.文中设计了一款用于大面阵(1024×768,17 μm)长波红外光学无热化镜头.系统由4片透镜组成,采用两种红外材料组合设计和两面非球面校正系统像差设计,焦距为90 mm,相对孔径为1∶1,全视场角为13.8°,总长为108mm.设计结果表明:在空间频率为30 lp/mm,0视场的MTF值大于0.45,接近于衍射极限,1视场的MTF大于0.35,在-60℃～+100℃温度范围内,各视场MTF值与常温变化不大,满足光学无热化设计.该镜头结构简单、紧凑、工艺性良好,易于加工,易于实现.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2018(040)011【总页数】4页(P1061-1064)【关键词】大面阵;无热化;非球面;长波红外;光学设计【作者】陈潇【作者单位】南京邮电大学通达学院电子工程学院,江苏扬州225127【正文语种】中文【中图分类】O439随着红外光学的发展，无论是在军事还是在民用领域均对红外镜头有着很高的需求量。
由于非制冷红外镜头成本低，结构简单，市场需求量也日益增多。
进而对非制冷镜头视场角及环境适应性的要求也越来越高，尤其是在高低温环境中。
目前，市场上大多数的红外镜头都是匹配384×288，25mm或640×512，17mm探测器，而大多数的无热化设计是通过机械主动补偿方式实现高低温补偿，也有少部分产品实现了机械被动无热化设计，还有少量的镜头实现了光学被动无热化设计[1-3]。
其中这部分光学被动无热化镜头分为两类：一是采用多种材料组合与非球面实现，这部分镜头大多数都是短焦镜头；二是对于焦距稍长的系统，大多采用折/衍混合实现，像质良好，在无热化方面取得了重大突破。
为了满足大面阵探测器、高成像质量无热化设计及中长焦距段的长波红外镜头的需求，文中实现了一款长波红外光学无热化镜头。
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大幅宽长波红外变帧频变焦成像赵航斌;张宗存;柴孟阳;孙德新;刘银年【摘要】为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度.首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法.推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式.最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证.成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题.变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)007【总页数】8页(P1758-1765)【关键词】变焦扫描成像;大幅宽成像;长波红外;变帧频;图像畸变矫正【作者】赵航斌;张宗存;柴孟阳;孙德新;刘银年【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏启东226200;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏启东226200【正文语种】中文【中图分类】TP722.51 引言长波红外遥感可对物体实现全天时无接触温度测量与热状态分析。
应用大幅宽长波红外成像探测技术可大幅度提高系统在森林火灾监测、城市热环境监测及资源探测等遥感领域[1]的成像效率，并降低遥感应用成本。
然而，受长波红外探测器设计制作工艺[2]及光学背景杂散辐射抑制困难[3]等因素的限制，当前阶段利用面阵成像方法获取高分辨率、大幅宽遥感影像仍存在较大难度。
采用扫描镜扫描成像方法是实现长波红外大幅宽成像需求的有效手段，并已在OMIS[4]，MODIS[5]等载荷中得到了应用。
但是，采用扫描方法实现大幅宽成像时，不可避免会受到Bowtie效应的影响，存在边缘视场图像畸变严重的问题[6-7]，极大限制了长波红外大幅宽扫描成像在高分辨率及定量化方面的应用。
本课题组设计了一套定F数可连续变焦光学系统[8]，通过理论分析，利用变焦成像方法可有效解决大幅宽扫描成像时，扫描方向地面图像畸变问题。
大幅宽成像时，当扫描视场发生变化时，通过改变光学系统焦距来改变探测器像元所对应的瞬时视场角大小，抵消由视场角增大引入地物与相机距离变化[9]而产生的畸变。
采用变焦扫描成像方法，可以实现无畸变成像，但为了满足扫描成像时较低的地物漏扫率和图像重叠率的要求，变焦扫描成像方法要求扫描镜扫描速度应匹配相机变焦状态而实时变化。
在实际工程应用中，扫描镜的扫描速度与扫描加速度都将随扫描镜角度非线性变化。
扫描镜变速扫描过程中需同时考虑成像视场角变化、扫描加速度、惯性力、电机力矩承受力等众多因素影响，因此扫描镜变速扫描时存在控制难度大且扫描精度低等问题[10]。
为降低扫描镜变速扫描实现难度，提出采用扫描镜匀速扫描结合相机帧频实时变化的成像方法。
在分析限制长波红外探测器帧频变化因素的基础上，设计了一套探测器帧频变化控制电路，可根据指令要求实现帧频高精度连续变化。
基于课题组现有连续变焦长波红外光学系统[8]，搭建了一套扫描总视场达120°，采用变帧频变焦扫描长波红外地面实验系统。
基于该实验系统，当扫描镜按匀角速度扫描时，推导出光学系统焦距、相机实时帧频与成像视场角关系式。
最后利用变帧频变焦扫描方法获取了大幅宽成像数据，降低扫描镜控制难度，并验证变帧频变焦扫描方法在扫描方向畸变消除效果。
2 大幅宽成像变焦扫描理论推导2.1 大幅宽定焦扫描边缘视场畸变问题图1为采用定焦扫描方法实现大幅宽成像时，不同扫描视场角所成地物信息。
α是像元角分辨率；θ是由扫描镜扫描所成的相机当前扫描视场角；h是扫描视场角为θ=0°时，相机与对应地物之间的成像距离；L是扫描视场角为θ时，相机与对应地物之间的成像距离。
当扫描视场角增大时，相机到该扫描视场角所对应地物的成像距离也产生了变化，成像距离满足L=h/cos θ关系。
当探测器像元尺寸为d 时，由像元角分辨率关系式α=d/f可知，当成像系统焦距固定时，像元分辨率α恒定，由扫描镜扫描引入的扫描视场角变化不会引起像元角分辨率变化。
图1 红外扫描成像示意图Fig.1 Schematic diagram of infrared scanningimaging在地面及机载成像应用中，可忽略地球表面曲率的影响，仅考虑由相机扫描视场变化时，相机到所成地物之间因成像距离变化而引入的图像畸变问题。
并由投影关系可得扫描视场角θ与相机所成图像地面分辨率关系满足：.(1)由式(1)可知，当探测器像元尺寸d=30 μm，h=1 000 m，光学焦距f=40 mm 时，可得图2所示图像分辨率与视场角关系曲线。
图2 定焦扫描图像分辨率变化曲线Fig.2 Resolution change curve of fixed focus scanningimage定焦扫描大幅宽成像时，随着扫描视场角增大，图像分辨能力将大大降低。
当扫描视场角为60°时，利用定焦扫描成像方法得到的图像分辨率是扫描视场角为0°时图像分辨率的4倍，边缘视场图像畸变十分严重。
2.2 变焦扫描消除图像畸变[8]公式(1)中，扫描成像时图像分辨率由探测器像元尺寸、0°视场时成像距离、光学系统焦距和扫描视场角共同决定。
扫描成像过程中，当扫描成像视场角变化时，通过实时改变相机焦距，可实现地面分辨率恒定不变：.(2)当l恒定时，随着扫描视场角θ变大，焦距f将增大。
设f0为扫描视场角θ=0°时的焦距，当θ=0°时，图像分辨率满足l=dh/f0，代入公式(2)中。
在扫描成像时，若要求扫描方向图像无畸变时，得到系统焦距与成像视场角应满足如下关系：.(3)2.3 变焦扫描时扫描镜扫描速度分析由公式(3)可知，当扫描视场角变化时，系统焦距也将改变，继而影响像元角分辨率。
将式(3)代入像元角分辨率关系式中，得到在变焦扫描模式时，当扫描成像视场角为θ时，探测器像元角分辨率与扫描成像视场角满足如下关系：α.(4)为了实现地物无漏扫、无重叠成像，扫描镜运动速度应与探测器像元角分辨率相匹配。
式(5)为扫描镜扫描运动速度与扫描成像视场角关系：ω，(5)式中f/s为相机成像帧频。
在传统遥感成像系统，相机成像帧频设置为常量。
由公式(5)可见，采用定帧频变焦扫描成像方法，当扫描视场发生变化时，扫描镜扫描角速度也将变化，且扫描镜扫描角速度变化与视场角是非线性关系。
3 变帧频扫描模式分析3.1 变帧频模式分析非线性变化的角速度对扫描镜电机控制精确度提出了更严格的要求。
当扫描镜扫描角速度需要实时变化时，对扫描镜速度控制一般通过引入PID反馈方法实现[11]。
采用PID反馈控制方法时，主要包括测量、比较和执行3个要素，对当前时刻扫描镜角速度和扫描视场角的测量是变速扫描镜PID控制的基础。
但系统工作环境中各种因素均会对当前角速度和扫描视场角的测量精度造成较大影响，继而影响扫描镜扫描控制精度。
特别在机载成像应用中，不可避免存在飞机抖动的问题，持续变化扫描速度的扫描镜更容易受到飞机抖动的影响，引入较大扫描精度误差，导致获取地面图像由于扫描镜自身控制精度不足而产生额外畸变。
在具体工程实现中，扫描镜以匀角速度扫描受到外界环境变化影响小，实现难度低且控制精度更高。
因此，本文提出采用扫描镜匀角速度扫描结合相机实时变帧频的方法，降低扫描镜变角速度扫描实现难度，提高系统成像精度。
3.2 变帧频模式必要条件在扫描成像过程中，像元驻留时间短，一般采用像元响应速度极快的制冷型碲镉汞材料作为长波红外探测器感光材料。
碲镉汞长波红外探测器一般采用先积分后读出的工作模式。
探测器帧频由探测器积分时间、读出电路读出时间、积分电容清零时间和系统等待时间所决定。
这4个决定帧频快慢的参数中，探测器积分时间由目标辐射通量大小决定，目标辐射越强，积分时间越短。
长波红外探测器积分电容容量较小(1～2 pF量级)，在探测常温物体时，探测器积分时间约200 μs；读出电路读出时间受探测器像元数量及读出电路允许最高时钟决定，目前长波红外线列探测器最大约1 000元，探测器允许最高时钟可达数兆赫兹，在线列探测器应用时，读出电路读出时间很短；积分电容清零时间是完成一帧图像后，为了确保上一帧成像数据不影响下一帧成像结果，而额外增加的清零时间，该部分时间与积分电容容量有关，花费的时间很少，约5 μs；系统等待时间是探测器驱动电路在成像过程中专门加入的一个参数，系统等待时间由驱动电路决定。
长波红外线列探测器中，系统等待时间的长短是影响探测器帧频快慢最重要的因素，通过控制系统等待时间长短，在保持积分时间不变的前提下，帧频可实现从0.001～1 000 Hz连续变化。
此外探测器采用很高的基准时间脉冲，获取帧频也具备很高的精确性，且帧频变化不易受环境因素的影响，可提高扫描成像系统精度。
在变帧频成像过程中，探测器接收扫描镜实时位置信息，并将位置信息转换成系统等待时间，以此控制相机帧频变化。
4 地面成像变帧频关系推导4.1 成像系统概述基于课题组现有可连续变焦长波红外光学系统[7]，搭建了一套地面变帧频变焦验证系统，降低扫描镜控制难度，验证变帧频变焦扫描方法在大幅宽成像时扫描方向畸变抑制效果。
系统采用Sofradir公司生产的320×256长波红外焦平面探测器替代线列探测器实现扫描成像，该长波红外相机系统在F/2的光学镜头、300 K环境温度下，NEΔT可达50 mK；相机通过扫描镜匀角速度扫描实现120°视场成像。
表1为实验系统主要参数指标。
表1 实验系统主要参数Tab.1 Main parameters of experimental system项目指标面阵大小320×256像元尺寸/μm30成像谱段/μm7.7～9.5光学结构折反式扫描视场/(°)120焦距/mm40～180变倍比4.5F/#2.0当光学焦距与成像视场角满足公式(3)时，扫描方向可消除图像畸变。