一种红外定向照射装置优化设计方法与流程

本发明属于红外定向照射技术领域，具体地，涉及一种红外定向照射装置优化设计方法。

背景技术：

红外定向照射技术是一种利用光学元件和系统使红外辐射光源在特定方向或区域进行红外照射的技术，其目的在于将红外辐射能量约束在一定的空间范围内，实现红外辐射在某一区域的特定照射，具有能量利用率高、方向性好等优点，在红外对抗、主动红外成像、工业加热、印染等军事民用领域具有广泛应用。

目前关于红外定向照射系统的设计被报道得不多，大多是应用于民用领域中工业加热的远红外定向辐射器，这一类红外定向照射系统虽实现了定向，但对光束的准直性要求不高，其光束出射发散角很大，往往在几十度左右。四川绵阳的中国工程物理研究院设计的一种宽光谱红外定向发射器，实现了红外辐射源的定向红外发射，但这种设计属于一种自由曲面设计，其加工精度要求高、难度大。

为了解决上述问题，这里选择了一种基于抛物面反射镜结构的红外定向照射装置，并对其进行优化设计，该装置采用小尺寸热红外辐射源作为红外光源，并采用传统抛物面反射镜作为准直光学元件，具有结构紧凑、加工和装调技术难度低等优点。

该红外定向照射装置设计的合理性直接影响系统红外辐射传输效率，这里提出了一种基于BFGS拟牛顿算法的系统优化设计方法，该方法可对任意口径条件下任意尺寸、形状的红外辐射源进行最佳红外辐射传输效率条件下的红外定向照射装置优化设计，为实现宽光谱、窄光束红外定向发射提供了可能，为红外定向照射技术的应用拓展了方向。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种红外定向照射装置优化设计方法，所述红外定向照射装置包括抛物面反射镜和红外辐射源，所述方法包括以下步骤：

(S1)确定抛物面反射镜的初始结构参数，抛物面反射镜的结构参数包括口径D、焦距f、深度c；

(S2)确定红外辐射源的尺寸、形状和红外辐射类型；

(S3)根据步骤(S1)和(S2)中确定抛物面反射镜和红外辐射源的参数，建立红外定向照射装置仿真模型，其中红外辐射源在抛物面反射镜中的初始位置为随机选取的一个位置；

(S4)系统优化设计:根据步骤(S3)中建立的仿真模型，对抛物面反射镜的结构参数和红外辐射源的位置参数进行优化，具体地：

(S41)将抛物面反射镜的结构参数和红外辐射源的位置参数作为优化变量X(X1，X2)，在焦距f和深度c中任选取一个作为抛物面反射镜结构优化参数，选择焦距f或深度c作为优化参数X1；红外辐射源的位置参数为红外光源中心至抛物面反射镜顶点的距离l，选择距离l作为优化参数X2；

(S42)通过Matlab软件将抛物面反射镜的结构参数口径D、焦距f、深度c和红外光源中心至抛物面反射镜顶点的距离l传输给TracePro软件；

(S43)在TracePro软件中利用获得的参数数据对步骤(S3)中建立的红外定向照射装置仿真模型进行系统重构，模型仿真结果作为输出变量Y，即目标函数F(X)的结果，Y＝F(X)，F(X)不具有具体的解析表达式，其代表一次系统重构和光线追迹的仿真过程；

(S44)采用BFGS拟牛顿算法对步骤(S43)构建的目标函数F(X)进行优化，即根据BFGS拟牛顿算法在初始系统参数附近产生一组新的系统参数，再根据得到新的抛物面反射镜结构参数和红外辐射源位置参数，返回步骤(S42)，经步骤(S43)输出仿真结果，进而在系统参数附近产生一组新的系统参数，根据得到新的抛物面反射镜结构参数和红外辐射源位置参数，返回步骤(S42)，经步骤(S43)输出仿真结果；按照此种方式，当产生第K次系统参数时，根据得到新的抛物面反射镜结构参数和红外辐射源位置参数，返回步骤(S42)，经步骤(S43)输出结果，如果满足结束条件则结束优化，同时，输出最佳红外传输效率条件下系统参数，否则，优化算法将产生一组新的系统参数，代表优化过程中第K+1次抛物面反射镜的结构参数和红外光源的位置参数，返回步骤(S42)。

较佳地，步骤(S43)的具体过程为：

根据(S42)获得抛物面反射镜的结构参数和红外辐射源的位置参数，TracePro软件根据抛物面反射镜的结构参数口径D、焦距f和深度c重构装置的抛物面反射镜，并根据红外辐射源的位置参数将模型中的红外辐射源移动到新的位置，从而进行光线追迹，得到系统红外辐射传输。

本发明具有以下有益效果：

本发明可使结构简单的红外定向照射装置实现最佳红外传输效率，其优化得到的抛物面反射镜的结构参数和红外辐射源的位置参数为红外定向照射装置的设计和制作提供了指导，更利于工程实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法进行优化设计的红外定向照射装置剖面结构图；

图2为本发明的方法对红外定向照射装置进行优化设计的流程图；

图3为本发明的方法在进行优化设计前依据一组随机参数生成的红外定向照射装置仿真模型；

图4为本发明的方法进行优化设计后的红外定向照射装置仿真模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的红外定向照射装置主要包括抛物面反射镜(1)和红外辐射源(2)，

如图2所示，本发明实施例提供的红外定向照射装置优化设计方法包括以下步骤：

(S1)根据设计要求，确定抛物面反射镜的结构参数，包括抛物面反射镜的口径D、焦距f、深度c；

在步骤(S1)中，抛物面反射镜的结构参数包括焦距f、深度c、口径D三个变量，工程应用中，多对抛物面反射镜的口径D作出明确要求，这里，选择抛物面反射镜的焦距f作为优化参数；

(S2)确定红外辐射源的尺寸、形状和红外辐射类型；

在步骤(S2)中，红外辐射源的尺寸和形状可根据给定的红外辐射源直接得到，其红外辐射类型由红外光源本身的红外辐射特性决定，一般为朗伯型；

(S3)根据(S1)和(S2)中确定抛物面反射镜和红外辐射源的参数，在TracePro软件中建立红外定向照射装置仿真模型，其中，抛物面反射镜的结构和红外辐射源在抛物面反射镜中的位置可根据随机一组初始参数进行模型建立；

(S4)系统优化设计；

根据步骤(S3)中建立的仿真模型，对抛物面反射镜的结构参数和红外辐射源的位置参数进行优化，具体地：

(S41)将抛物面反射镜的焦距f和红外辐射源中心距离抛物面顶点距离l作为优化变量X(X1，X2)；。

(S42)通过Matlab软件将抛物面反射镜的结构参数(口径D、焦距f、深度c)和红外辐射源的位置参数(红外辐射源中心距离抛物面顶点距离l)传输给TracePro软件；

在步骤(S42)，Matlab软件和TracePro软件的数据通信通过TracePro软件的Scheme语言编写语句实现；

(S43)在TracePro软件中利用获得的参数数据对(S3)中建立的红外定向照射装置仿真模型进行系统重构，模型仿真结果作为输出变量Y，即目标函数F(X)的结果；

在步骤(S43)中，根据(S42)获得抛物面反射镜的结构参数和红外辐射源的位置参数，TracePro软件根据抛物面反射镜的结构参数(焦距f和深度c)重构装置的抛物面反射镜，并根据红外辐射源的位置参数将模型中的红外辐射源移动到新的位置，从而进行光线追迹，得到系统红外辐射传输效率，并将结果反馈给Matlab软件；

(S44)采用BFGS拟牛顿算法对步骤(S43)构建的目标函数F(X)进行优化，即根据BFGS拟牛顿算法在初始系统参数附近产生一组新的系统参数，根据得到新的抛物面反射镜结构参数和红外辐射源位置参数，返回(S42)，经(S43)输出仿真结果，系统参数附近产生一组新的系统参数，根据得到新的抛物面反射镜结构参数和红外辐射源位置参数，返回(S42)，经(S43)输出仿真结果；按照此种方式，当产生第K次系统参数，根据得到新的抛物面反射镜结构参数和红外辐射源位置参数返回(S42)，经(S43)输出结果，如果满足结束条件，结束条件则结束优化，同时输出最佳红外传输效率条件下系统参数，否则，优化算法将产生一组新的系统参数，其代表优化过程中第K+1次抛物面反射镜的结构参数和红外光源的位置参数，返回(S42)；

为了说明本发明的红外定向照射装置的优化设计方法的有效性，下面对一红外辐射源进行红外定向照射装置的优化设计，以此为例进行说明。

设计指标要求：设计一个口径为300mm的抛物面反射镜，同时优化抛物面反射镜的焦距和光源中心偏离焦点的距离两个参数，使得所设计系统在5°发散角内的光束传输效率最佳。该红外辐射源为朗伯辐射源，其工作温度在1400K左右，发射率约为0.85，呈圆柱状，尺寸为：长度为17mm，底面圆半径为2.25mm，光源朝向抛物面底部。

(S1)根据设计要求，抛物面的口径D约束在300mm，以抛物面反射镜的焦距f作为优化参数，并利用抛物面反射镜的结构参数(焦距f、深度c、口径D)之间的关系关系式以口径D和焦距f表示深度c；

(S2)确定红外辐射源的尺寸、形状和红外辐射类型；

该红外辐射源为朗伯辐射源，呈为圆柱状，尺寸为：长度为17mm，底面圆半径为2.25mm。

(S3)根据(S1)和(S2)中确定抛物面反射镜和红外辐射源的参数，在TracePro软件中建立红外定向照射装置仿真模型，如图3所示；

(S4)系统优化设计；

系统优化设计的结果如下：经优化设计的红外定向照射系统，其抛物面反射镜的焦距为45.9mm，光源中心距离焦点的偏离量为1.4mm，在5°发散角之内的光束传输效率达64.4％，优化之后的红外定向照射系统仿真模型如图4所示；

一般情况下，实际应用中所采用的抛物面镜反射镜大多数的焦点都位于其口径的中心位置，即其焦距等于深度，原因是该结构参数的抛物面反射镜应用较广，也便于工业生产，同时，在使用的过程中时，光源的位置因为无指导条件，常直接置于焦点处进行使用。在同一口径、同样红外辐射源的条件下，对采用该结构参数的抛物面反射镜及光源装调方案的红外定向照射系统进行仿真实验，其红外辐射传输效率为52.1％。因此，优化设计之后得到的红外定向照射系统的红外辐射传输效率将比无优化的一般设计提高12.3％。这里需要说明的是，本发明优化设计的结果跟光线追迹的数目具有一定的关系(TracePro软件模拟光线追迹是基于蒙特卡洛原理)，当光线数足够多时，所设计出的系统才具有最佳红外辐射传输效率。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。