[发明专利]一种红外定向照射装置优化设计方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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：