范志剛，胡海力，陳守謙，左寶君，倪 辰

(哈爾濱工業(yè)大學 空間光學工程研究中心，黑龍江 哈爾濱150001)

引言

紅外制導導彈具有打擊精度高、抗干擾能力強、隱蔽性好、性價比高等特點，一直以來都受到各國軍方的青睞。隨著紅外制導技術(shù)的發(fā)展，應用于紅外制導導彈的半實物仿真系統(tǒng)的研制也越來越受到重視[1]。從工程角度來講，基于半實物仿真系統(tǒng)的半實物仿真試驗是導彈研制過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以幫助設計人員排查許多設計中存在的問題，不僅可以極大地縮短研制周期，而且也節(jié)省大量的研制經(jīng)費[2]。多目標復合半實物仿真系統(tǒng)是測試紅外制導導彈的目標追蹤性能的一種紅外成像制導半實物仿真系統(tǒng)，其仿真的對象是紅外導引頭。此仿真系統(tǒng)要為導引頭營造出一個逼真的戰(zhàn)場環(huán)境和目標景象，還要為導引頭模擬出導彈的運動情況，以此來檢驗導彈對目標的追蹤能力[3]。隨著光學系統(tǒng)的分辨率接近衍射限和高靈敏度探測器的出現(xiàn)，雜散光分析已成為保證光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要措施。而且由于紅外制導導彈的打擊半徑越來越大，仿真目標在紅外仿真裝置出瞳處的輻照度越來越低，導致紅外仿真裝置受雜散光的影響愈發(fā)嚴重。因此，紅外系統(tǒng)雜散光的分析和抑制工作得到了越來越多的關注[4-7]。本文基于蒙特卡洛方法，通過TracePro仿真軟件進行建模，對基于網(wǎng)紋鏡多目標復合半實物仿真系統(tǒng)的雜散光水平和可能的雜散來源進行了分析。分析結(jié)果表明，仿真系統(tǒng)中關鍵元件的自發(fā)輻射雜散光是仿真系統(tǒng)雜散光的主要來源。在仿真系統(tǒng)的設計之初，需要重點考慮自身輻射雜散光的影響。

1 半實物仿真系統(tǒng)工作原理

多目標模擬半實物仿真系統(tǒng)用于測試紅外成像制導導彈的打擊和跟蹤能力，需要模擬實際工作時的導彈從發(fā)射到最終擊中目標期間的真實環(huán)境和目標變化情況。因此，仿真系統(tǒng)需要模擬多個目標，波段范圍覆蓋廣，包括紅外波段的1 μm～3 μm、3 μm～5 μm和8 μm～12 μm。該仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of hardware-in-loop system

仿真系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)主要由以下子系統(tǒng)組成：

1) 子目標模擬器組。整個仿真系統(tǒng)的目標生成系統(tǒng)包括5個子目標模擬器，可以相互獨立模擬不同波段的不同紅外目標和背景。

2) 多目標復合光學系統(tǒng)。為了避免產(chǎn)生色差，該仿真系統(tǒng)的主要光學元件采用了反射式元件[2]。多目標復合光學系統(tǒng)的主體光學系統(tǒng)是一個同心三反望遠系統(tǒng)，由共球心的凹面主反射鏡和網(wǎng)紋鏡組成，如圖2所示。網(wǎng)紋鏡是一個球面反射鏡表面上布滿呈蜂窩狀的凹面反射鏡(圖2所示)。由于網(wǎng)紋鏡的擴束作用，每個投影器的出射光束被展寬，并且有重疊區(qū)域，那么，在重疊區(qū)域?qū)б^就可以同時接收來自多個投影器的目標了，實現(xiàn)了多目標復合的目的。多目標復合光學系統(tǒng)的入瞳位置是投影器的出瞳，而出瞳位置是探測器接收系統(tǒng)的入瞳，這樣，多目標復合光學系統(tǒng)將目標和探測系統(tǒng)聯(lián)合起來了。

圖2 同心三反式復合光學系統(tǒng)Fig.2 Multi-target compounding system with field lens of dimpled mirror

3) 掃描系統(tǒng)。掃描系統(tǒng)由四面平面反射鏡組成，通過四面反射鏡的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)模擬目標在視場中的移動。

4) 導引頭。導引頭包括光學成像系統(tǒng)和高靈敏度的紅外探測器兩部分。

2 蒙特卡洛方法

蒙特卡洛法[8]由于其理論相對完善，在復雜無規(guī)則的雜散光計算中，蒙特卡洛法是迄今為止唯一成熟的方法，它對復雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、表面與光學元件的各種輻射特性有非常好的適應性。

蒙特卡洛法是一種統(tǒng)計算法，其應用于雜散光計算的主要思想是：將一束雜散光離散為一束獨立的、離散的細小光束，每一條光束在傳播時可以看作一個獨立事件，其傳播路徑由一系列的概率模型描述的隨機過程組成。通過抽樣跟蹤每一光線的傳遞過程、記錄感興趣的各種傳遞信息，并進行統(tǒng)計處理，可獲得所需要的各種雜散光分析數(shù)據(jù)，如到達探測器表面的雜散光輻射通量、系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的雜散光衰減比、各種雜散光傳遞途徑、危險部件等。

具體的蒙特卡洛法雜散光計算，主要包括以下幾個步驟：

1) 建立雜散光線以及其傳遞的數(shù)學描述；

2) 建立光輻射傳遞的概率模型；

3) 進行隨機抽樣，模擬跟蹤雜散光線的傳遞過程；

4) 各種傳遞信息的記錄與統(tǒng)計分析。

3 仿真系統(tǒng)的雜散光分析

3.1 雜散光來源

本文采用基于蒙特卡洛法的雜散光分析軟件TracePro對仿真系統(tǒng)的雜散光水平進行分析。采取的步驟如下：首先要在三維建模軟件PRO/E中進行仿真系統(tǒng)實體建模，然后將三維機械模型導入雜散光分析軟件TracePro中，進行雜散光分析。

要分析整個仿真系統(tǒng)的雜散光水平，首先要確定該仿真系統(tǒng)雜散光的主要來源。根據(jù)該仿真系統(tǒng)的工作原理，并結(jié)合雜散光的產(chǎn)生原因[9]，可知該仿真系統(tǒng)的雜散光來源主要有2個方面:

一是源于投影器發(fā)出的光束經(jīng)過網(wǎng)紋鏡擴束后未復合的光束。正是由于網(wǎng)紋鏡的擴束作用(如圖2所示)，導引頭可以同時接收多個投影器的目標光束。但是，導引頭只接收各個投影器之間重合部分的光束，那么未復合的邊緣光線部分有一部分并沒有經(jīng)過主反射鏡2的反射，而是照射在主反射鏡2周圍，即鏡框的機械結(jié)構(gòu)部分。這些光線由于機械結(jié)構(gòu)表面的散射和反射而在仿真系統(tǒng)內(nèi)不斷地反射，有可能進入導引頭的入瞳，成為仿真系統(tǒng)的雜散光，稱之為未復合光束雜散光。

二是源于仿真系統(tǒng)內(nèi)部光學元件的自發(fā)輻射。因為任何高于絕對溫度的物體，都會自發(fā)地不斷向外發(fā)出紅外輻射，輻射能量很有可能進入導引頭的入瞳，成為仿真系統(tǒng)的雜散光。由于這一部分雜散光來自于仿真系統(tǒng)內(nèi)部的自發(fā)輻射，稱之為自發(fā)輻射雜散光。

3.2 未復合光束引起的雜散光

這部分雜散光是由于未復合的光束在機械結(jié)構(gòu)和光學元件表面間不斷散射和反射而進入導引頭。若要確定仿真系統(tǒng)的雜散光水平，必須確定目標在像面上的輻照度和總輻照能量。這樣通過分析得到的雜散光輻射能量與目標的輻射能量進行對比，才能確定仿真系統(tǒng)的雜散光水平會不會影響目標的提取。根據(jù)仿真系統(tǒng)的指標要求：1) 標在探測器上的尺寸小于一個像元的大小，探測器的像元尺寸為30 μm×30 μm；2) 目標在導引頭入瞳處的照度值約為10-7W/m2。于是調(diào)整目標黑體的溫度，使其在導引頭入瞳處的照度接近10-7W/m2。最終，目標在導引頭入瞳處的輻照度圖以及在像面處的輻照度圖，分別如圖3和4所示。此時目標在導引頭入瞳處的照度值為9.959×10-8W/m2，在導引頭像面處的目標的總輻照光能量為1.282 1×10-9W。

圖3 導引頭入瞳處目標的輻照度圖Fig.3 Irradiance on entrance pupil of detector

圖4 目標在像面的輻照度Fig.4 Irradiance of target on image plane

由于該仿真系統(tǒng)處于設計階段，因此留以余量考慮最壞情況，設仿真系統(tǒng)內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)表面的反射率為80%。為了分析未復合光束的雜散光水平，不考慮其他雜散光的影響，將仿真系統(tǒng)內(nèi)所有元件的溫度都設為10 K。在導引頭像面處的雜散光水平，結(jié)果如表1所示。

由雜散光系數(shù)η[9]表達式：

式中:Q為像面上的總光能量;QS為像面上的雜散光光能量;QE為像面上的目標有效光能量。

計算結(jié)果如表1所示，此時仿真系統(tǒng)的雜散光系數(shù)為6.6%，這部分雜散光可能對目標的識別產(chǎn)生影響，需要采取措施進行抑制。

表1 像面上未復合光束雜散光和目標總能量Table 1 Irradiations of target and stray light on image plane

3.3 自發(fā)輻射引起的雜散光

分析內(nèi)部構(gòu)件自發(fā)輻射的雜散光水平，首先確定內(nèi)部構(gòu)件的關鍵表面，即從導引頭入瞳處反向觀察能直接看到的表面。這些表面會直接向像面輻射或散射能量，應盡量減少或消除能被探測器直接看到的輻射源，以抑制這些關鍵表面產(chǎn)生的熱輻射。

關鍵表面的確定方法：通過以像面為光源，仿真系統(tǒng)視場角為發(fā)散角，反向追跡確定仿真系統(tǒng)雜散光來源的關鍵表面。根據(jù)反向光線追跡結(jié)果，可以得到仿真系統(tǒng)雜散光分析的關鍵表面，也就是其自發(fā)輻射雜散光能直接進入到導引頭入瞳的表面，如表2所示。

表2 仿真系統(tǒng)的關鍵表面Table 2 Key surfaces of HWIL system

下面分析室溫狀態(tài)下各個關鍵表面在像面處的自發(fā)輻射能量，各關鍵表面的特性參數(shù)如表3所示。各關鍵表面自發(fā)輻射的雜散光水平和雜散光系數(shù)如表3所示。由仿真結(jié)果可知，整個仿真系統(tǒng)的光學元件的自發(fā)輻射引入的雜散輻射主要是目標復合系統(tǒng)網(wǎng)紋鏡自發(fā)輻射的雜散光。除了網(wǎng)紋鏡之外，各個光學元件自發(fā)輻射的能量比目標的能量小很多，雜散光系數(shù)也小于1%。但是，由于網(wǎng)紋鏡自身輻射的影響，使得整個仿真系統(tǒng)的自身輻射雜散光對目標影響嚴重，雜散光系數(shù)大于50%。反映在像面處，自身輻射的雜散光，主要已經(jīng)和目標輻照度值接近，會影響成像的辨識度。因此，在常溫工作條件下下，仿真系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件的自發(fā)輻射能量遠大于目標的輻照能量，必須對仿真系統(tǒng)的自發(fā)輻射進行有效地抑制。

表3 關鍵表面的自身輻射雜散光Table 3 Stray light of key surfaces arisen from self-thermal radiation

通過降低溫度，減少關鍵元件的輻射能量，可以抑制自發(fā)輻射雜散光。因此，可以對仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)紋鏡進行制冷。設制冷溫度分別為280 K，200 K和120 K，進行雜散光分析，得到雜散光系數(shù)隨制冷溫度的變化關系，如表4所示?？芍斣臏囟冉档偷?00 K時，目標的輻照度已經(jīng)遠大于雜散光的輻照度。此時，仿真系統(tǒng)的自身輻射雜散光系數(shù)已經(jīng)小于2%，這說明雜散光已經(jīng)不影響目標信號的提取，已經(jīng)可以很好地抑制雜散光。

表4 制冷后自身輻射雜散光和目標輻射能量Table 4 Irradiation of self-thermal radiation after refrigeration

3 結(jié)論

對應用于某導彈的多目標模擬半實物仿真系統(tǒng)進行了雜散光分析。在雜散光分析軟件TracePro中對半實物仿真系統(tǒng)進行光機建模，分析了系統(tǒng)的關鍵表面，并計算出雜散光和目標的輻照度比。常溫狀態(tài)下，網(wǎng)紋鏡的自發(fā)輻射是仿真系統(tǒng)雜散光的最主要來源，此時雜散光系數(shù)高于50%，嚴重影響導引頭對目標的提取。另外，根據(jù)雜散光系數(shù)和網(wǎng)紋鏡的制冷溫度的關系，當網(wǎng)紋鏡溫度制冷到200 K時，仿真系統(tǒng)的自身輻射雜散光系數(shù)小于2%。

[1] 左保軍，李潤順，張愛紅. 紅外模擬仿真多目標的復合方法[J].光學技術(shù), 2001, 27(1):27-29.

ZUO Bao-jun, LI Run-shun, ZHANG Ai-hong. The method of compounding multi-targets in infrared simulation[J]. Optical Technique, 2001, 27(1):27-29. (in Chinese with an English abstract)

[2] BAESSLER R J,POPPER H.Infrared Simulation System (IRSS)[R]. US: Defense Technical Information Center, 1977.

[3] 龐海. 基于網(wǎng)紋鏡的多目標復合光學系統(tǒng)的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2011.

PANG Hai. Study of multi-target compounding optical system using cellular-mirror[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011. (in Chinese)

[4] QI Chao, YANG Chun-ling, LI Wen-juan. Stray light suppression in BRDF measurement infrared optical system[J]. Chinese Optics Letters, 2003, 1(7):398-400.(in Chinese with an English abstract)

[5] YU Qin-zong, BROWN S W, JOHNSON B C, et al. Simple spectral stray light correction method for array spectral diameters[J]. Applied Optics, 2006, 45(6):1111-1119.

[6] 杜述松,王詠梅,杜國軍,等. 干涉成像光譜儀的雜散光分析[J]. 應用光學, 2009, 30(2):246-251.DU Shu-song, WANG Yong-mei, DU Guojun, et al. Stray light analysis of Fabry-Perot interference imaging spectrometer[J]. Jornal of Applied Optics, 2009, 30(2):246-251. (in Chinese with an English abstract)

[7] 孫金霞,孫強. 共形光學系統(tǒng)瞬時視場外雜散光的分析及處理[J]. 應用光學, 2010, 31(2):225-228.

SUN Jin-xia, SUN Qiang.Stray light out of IFOV in conformal optical system[J]. Jornal of Applied Optics, 2010, 31(2):225-228. (in Chinese with an English abstract)

[8] LIKENESS B K.Stray light simulation with advanced Monte-Carlo techniques[J]. SPIE, 1977, 107:80-88.

[9] 鐘興,張雷,金光. 反射光學系統(tǒng)雜散光的消除[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(2): 316-318.

ZHONG Xing, ZHANG Lei, JIN Guang. Stray light removing of reflective optical system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(2):316-318. (in Chinese with an English abstract)