本發(fā)明屬于紅外定向照射技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種紅外定向照射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

紅外定向照射技術(shù)是一種利用光學(xué)元件和系統(tǒng)使紅外輻射光源在特定方向或區(qū)域進(jìn)行紅外照射的技術(shù)，其目的在于將紅外輻射能量約束在一定的空間范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)紅外輻射在某一區(qū)域的特定照射，具有能量利用率高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，在紅外對(duì)抗、主動(dòng)紅外成像、工業(yè)加熱、印染等軍事民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

目前關(guān)于紅外定向照射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被報(bào)道得不多，大多是應(yīng)用于民用領(lǐng)域中工業(yè)加熱的遠(yuǎn)紅外定向輻射器，這一類紅外定向照射系統(tǒng)雖實(shí)現(xiàn)了定向，但對(duì)光束的準(zhǔn)直性要求不高，其光束出射發(fā)散角很大，往往在幾十度左右。四川綿陽的中國(guó)工程物理研究院設(shè)計(jì)的一種寬光譜紅外定向發(fā)射器，實(shí)現(xiàn)了紅外輻射源的定向紅外發(fā)射，但這種設(shè)計(jì)屬于一種自由曲面設(shè)計(jì)，其加工精度要求高、難度大。

為了解決上述問題，這里選擇了一種基于拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)的紅外定向照射裝置，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該裝置采用小尺寸熱紅外輻射源作為紅外光源，并采用傳統(tǒng)拋物面反射鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)元件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、加工和裝調(diào)技術(shù)難度低等優(yōu)點(diǎn)。

該紅外定向照射裝置設(shè)計(jì)的合理性直接影響系統(tǒng)紅外輻射傳輸效率，這里提出了一種基于BFGS擬牛頓算法的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法可對(duì)任意口徑條件下任意尺寸、形狀的紅外輻射源進(jìn)行最佳紅外輻射傳輸效率條件下的紅外定向照射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)寬光譜、窄光束紅外定向發(fā)射提供了可能，為紅外定向照射技術(shù)的應(yīng)用拓展了方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種紅外定向照射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述紅外定向照射裝置包括拋物面反射鏡和紅外輻射源，所述方法包括以下步驟：

(S1)確定拋物面反射鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括口徑D、焦距f、深度c；

(S2)確定紅外輻射源的尺寸、形狀和紅外輻射類型；

(S3)根據(jù)步驟(S1)和(S2)中確定拋物面反射鏡和紅外輻射源的參數(shù)，建立紅外定向照射裝置仿真模型，其中紅外輻射源在拋物面反射鏡中的初始位置為隨機(jī)選取的一個(gè)位置；

(S4)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì):根據(jù)步驟(S3)中建立的仿真模型，對(duì)拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源的位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體地：

(S41)將拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源的位置參數(shù)作為優(yōu)化變量X(X1，X2)，在焦距f和深度c中任選取一個(gè)作為拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，選擇焦距f或深度c作為優(yōu)化參數(shù)X1；紅外輻射源的位置參數(shù)為紅外光源中心至拋物面反射鏡頂點(diǎn)的距離l，選擇距離l作為優(yōu)化參數(shù)X2；

(S42)通過Matlab軟件將拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)口徑D、焦距f、深度c和紅外光源中心至拋物面反射鏡頂點(diǎn)的距離l傳輸給TracePro軟件；

(S43)在TracePro軟件中利用獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)步驟(S3)中建立的紅外定向照射裝置仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，模型仿真結(jié)果作為輸出變量Y，即目標(biāo)函數(shù)F(X)的結(jié)果，Y＝F(X)，F(xiàn)(X)不具有具體的解析表達(dá)式，其代表一次系統(tǒng)重構(gòu)和光線追跡的仿真過程；

(S44)采用BFGS擬牛頓算法對(duì)步驟(S43)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)F(X)進(jìn)行優(yōu)化，即根據(jù)BFGS擬牛頓算法在初始系統(tǒng)參數(shù)附近產(chǎn)生一組新的系統(tǒng)參數(shù)，再根據(jù)得到新的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源位置參數(shù)，返回步驟(S42)，經(jīng)步驟(S43)輸出仿真結(jié)果，進(jìn)而在系統(tǒng)參數(shù)附近產(chǎn)生一組新的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)得到新的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源位置參數(shù)，返回步驟(S42)，經(jīng)步驟(S43)輸出仿真結(jié)果；按照此種方式，當(dāng)產(chǎn)生第K次系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，根據(jù)得到新的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源位置參數(shù)，返回步驟(S42)，經(jīng)步驟(S43)輸出結(jié)果，如果滿足結(jié)束條件則結(jié)束優(yōu)化，同時(shí)，輸出最佳紅外傳輸效率條件下系統(tǒng)參數(shù)，否則，優(yōu)化算法將產(chǎn)生一組新的系統(tǒng)參數(shù)，代表優(yōu)化過程中第K+1次拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外光源的位置參數(shù)，返回步驟(S42)。

較佳地，步驟(S43)的具體過程為：

根據(jù)(S42)獲得拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源的位置參數(shù)，TracePro軟件根據(jù)拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)口徑D、焦距f和深度c重構(gòu)裝置的拋物面反射鏡，并根據(jù)紅外輻射源的位置參數(shù)將模型中的紅外輻射源移動(dòng)到新的位置，從而進(jìn)行光線追跡，得到系統(tǒng)紅外輻射傳輸。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明可使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的紅外定向照射裝置實(shí)現(xiàn)最佳紅外傳輸效率，其優(yōu)化得到的拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源的位置參數(shù)為紅外定向照射裝置的設(shè)計(jì)和制作提供了指導(dǎo)，更利于工程實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的紅外定向照射裝置剖面結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的方法對(duì)紅外定向照射裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程圖；

圖3為本發(fā)明的方法在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前依據(jù)一組隨機(jī)參數(shù)生成的紅外定向照射裝置仿真模型；

圖4為本發(fā)明的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的紅外定向照射裝置仿真模型。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的紅外定向照射裝置主要包括拋物面反射鏡(1)和紅外輻射源(2)，

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的紅外定向照射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

(S1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括拋物面反射鏡的口徑D、焦距f、深度c；

在步驟(S1)中，拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括焦距f、深度c、口徑D三個(gè)變量，工程應(yīng)用中，多對(duì)拋物面反射鏡的口徑D作出明確要求，這里，選擇拋物面反射鏡的焦距f作為優(yōu)化參數(shù)；

(S2)確定紅外輻射源的尺寸、形狀和紅外輻射類型；

在步驟(S2)中，紅外輻射源的尺寸和形狀可根據(jù)給定的紅外輻射源直接得到，其紅外輻射類型由紅外光源本身的紅外輻射特性決定，一般為朗伯型；

(S3)根據(jù)(S1)和(S2)中確定拋物面反射鏡和紅外輻射源的參數(shù)，在TracePro軟件中建立紅外定向照射裝置仿真模型，其中，拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)和紅外輻射源在拋物面反射鏡中的位置可根據(jù)隨機(jī)一組初始參數(shù)進(jìn)行模型建立；

(S4)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

根據(jù)步驟(S3)中建立的仿真模型，對(duì)拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源的位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體地：

(S41)將拋物面反射鏡的焦距f和紅外輻射源中心距離拋物面頂點(diǎn)距離l作為優(yōu)化變量X(X1，X2)；。

(S42)通過Matlab軟件將拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)(口徑D、焦距f、深度c)和紅外輻射源的位置參數(shù)(紅外輻射源中心距離拋物面頂點(diǎn)距離l)傳輸給TracePro軟件；

在步驟(S42)，Matlab軟件和TracePro軟件的數(shù)據(jù)通信通過TracePro軟件的Scheme語言編寫語句實(shí)現(xiàn)；

(S43)在TracePro軟件中利用獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)(S3)中建立的紅外定向照射裝置仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，模型仿真結(jié)果作為輸出變量Y，即目標(biāo)函數(shù)F(X)的結(jié)果；

在步驟(S43)中，根據(jù)(S42)獲得拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源的位置參數(shù)，TracePro軟件根據(jù)拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)(焦距f和深度c)重構(gòu)裝置的拋物面反射鏡，并根據(jù)紅外輻射源的位置參數(shù)將模型中的紅外輻射源移動(dòng)到新的位置，從而進(jìn)行光線追跡，得到系統(tǒng)紅外輻射傳輸效率，并將結(jié)果反饋給Matlab軟件；

(S44)采用BFGS擬牛頓算法對(duì)步驟(S43)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)F(X)進(jìn)行優(yōu)化，即根據(jù)BFGS擬牛頓算法在初始系統(tǒng)參數(shù)附近產(chǎn)生一組新的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)得到新的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源位置參數(shù)，返回(S42)，經(jīng)(S43)輸出仿真結(jié)果，系統(tǒng)參數(shù)附近產(chǎn)生一組新的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)得到新的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源位置參數(shù)，返回(S42)，經(jīng)(S43)輸出仿真結(jié)果；按照此種方式，當(dāng)產(chǎn)生第K次系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)得到新的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外輻射源位置參數(shù)返回(S42)，經(jīng)(S43)輸出結(jié)果，如果滿足結(jié)束條件，結(jié)束條件則結(jié)束優(yōu)化，同時(shí)輸出最佳紅外傳輸效率條件下系統(tǒng)參數(shù)，否則，優(yōu)化算法將產(chǎn)生一組新的系統(tǒng)參數(shù)，其代表優(yōu)化過程中第K+1次拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紅外光源的位置參數(shù)，返回(S42)；

為了說明本發(fā)明的紅外定向照射裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性，下面對(duì)一紅外輻射源進(jìn)行紅外定向照射裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此為例進(jìn)行說明。

設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)口徑為300mm的拋物面反射鏡，同時(shí)優(yōu)化拋物面反射鏡的焦距和光源中心偏離焦點(diǎn)的距離兩個(gè)參數(shù)，使得所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在5°發(fā)散角內(nèi)的光束傳輸效率最佳。該紅外輻射源為朗伯輻射源，其工作溫度在1400K左右，發(fā)射率約為0.85，呈圓柱狀，尺寸為：長(zhǎng)度為17mm，底面圓半徑為2.25mm，光源朝向拋物面底部。

(S1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，拋物面的口徑D約束在300mm，以拋物面反射鏡的焦距f作為優(yōu)化參數(shù)，并利用拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)(焦距f、深度c、口徑D)之間的關(guān)系關(guān)系式以口徑D和焦距f表示深度c；

(S2)確定紅外輻射源的尺寸、形狀和紅外輻射類型；

該紅外輻射源為朗伯輻射源，呈為圓柱狀，尺寸為：長(zhǎng)度為17mm，底面圓半徑為2.25mm。

(S3)根據(jù)(S1)和(S2)中確定拋物面反射鏡和紅外輻射源的參數(shù)，在TracePro軟件中建立紅外定向照射裝置仿真模型，如圖3所示；

(S4)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果如下：經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的紅外定向照射系統(tǒng)，其拋物面反射鏡的焦距為45.9mm，光源中心距離焦點(diǎn)的偏離量為1.4mm，在5°發(fā)散角之內(nèi)的光束傳輸效率達(dá)64.4％，優(yōu)化之后的紅外定向照射系統(tǒng)仿真模型如圖4所示；

一般情況下，實(shí)際應(yīng)用中所采用的拋物面鏡反射鏡大多數(shù)的焦點(diǎn)都位于其口徑的中心位置，即其焦距等于深度，原因是該結(jié)構(gòu)參數(shù)的拋物面反射鏡應(yīng)用較廣，也便于工業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)，在使用的過程中時(shí)，光源的位置因?yàn)闊o指導(dǎo)條件，常直接置于焦點(diǎn)處進(jìn)行使用。在同一口徑、同樣紅外輻射源的條件下，對(duì)采用該結(jié)構(gòu)參數(shù)的拋物面反射鏡及光源裝調(diào)方案的紅外定向照射系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其紅外輻射傳輸效率為52.1％。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)之后得到的紅外定向照射系統(tǒng)的紅外輻射傳輸效率將比無優(yōu)化的一般設(shè)計(jì)提高12.3％。這里需要說明的是，本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果跟光線追跡的數(shù)目具有一定的關(guān)系(TracePro軟件模擬光線追跡是基于蒙特卡洛原理)，當(dāng)光線數(shù)足夠多時(shí)，所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)才具有最佳紅外輻射傳輸效率。

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。