錢育龍，侯晴宇，王治樂(lè)，趙煥義

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150010；2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)660所，江西 南昌330024）

引言

在紅外雙波段導(dǎo)引頭研制的末期，需要對(duì)紅外雙色制導(dǎo)系統(tǒng)的性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，景象仿真技術(shù)可以滿足這種需求。景象投影的方法［1-3］就是由景象生成器將計(jì)算機(jī)圖像生成器產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紅外物理輻射，并通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投射到被測(cè)試系統(tǒng)的光學(xué)入瞳處，這樣就能模擬所需要的紅外場(chǎng)景，此場(chǎng)景可以供被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別［4］。這種景象生成方式擁有很高的仿真度，縮短了制作周期，簡(jiǎn)化了制作工藝，因此成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。在紅外景象投影系統(tǒng)中，紅外投影系統(tǒng)是最關(guān)鍵、難度最大的部分，它的技術(shù)特點(diǎn)決定了景象生成器的性能。

1 技術(shù)原理

雙波段探測(cè)器是通過(guò)探測(cè)目標(biāo)在2個(gè)波段內(nèi)的能量比來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。因此在進(jìn)行雙波段目標(biāo)模擬器研究時(shí)，核心問(wèn)題就是模擬器如何產(chǎn)生目標(biāo)在2個(gè)波段內(nèi)的景象，同時(shí)這2個(gè)波段內(nèi)的能量比可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)波段內(nèi)的能量比來(lái)模擬不同溫度的目標(biāo)。傳統(tǒng)的目標(biāo)模擬器采用一個(gè)景象生成器（輻射黑體），一套投影系統(tǒng)，利用黑體溫度來(lái)調(diào)節(jié)需要模擬的雙波段目標(biāo)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能模擬黑體輻射，不能模擬灰體或選擇體的目標(biāo)輻射，局限性比較大。目前比較先進(jìn)的是大衛(wèi)博士為美國(guó)海軍研制的雙波段目標(biāo)模擬器，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［5-6］。它利用兩套獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，分別產(chǎn)生兩條可調(diào)諧能量的光路，在出瞳處進(jìn)行圖像融合后并被探測(cè)器接收，由于兩個(gè)波段的光路分離，它們可以獨(dú)立調(diào)節(jié)發(fā)射源的能量大小從而實(shí)現(xiàn)不同能量比的模擬，可以不僅僅局限于黑體輻射［7-9］。但這種設(shè)計(jì)方式存在著一定的不足：使用了2個(gè)景象生成器件，兩套光學(xué)傳遞系統(tǒng)，不僅提高了研制成本，而且需要進(jìn)行圖像融合，對(duì)系統(tǒng)的要求較高，設(shè)計(jì)難度比較大。

圖1 典型雙波段目標(biāo)模擬器Fig.1 Typical dual-band target simulator

為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種僅使用一個(gè)景象生成器件和一套投影系統(tǒng)的雙波段目標(biāo)模擬器的方案，降低光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是仍然可以自由調(diào)節(jié)2個(gè)波段的能量比值，用“一套”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙波段模擬器的設(shè)計(jì)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案組成和工作原理

方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。系統(tǒng)中景象生成器可以采用電阻陣列（輻射黑體）并放置在投影系統(tǒng)的物方焦平面上，在景象生成器附近放置遮光片和濾光片（景象生成器，遮光片，濾光片，投影系統(tǒng)的中心共軸），在遮光片和濾光片的相互遮掩下就會(huì)產(chǎn)生特定能量比的2個(gè)波段的光波，被濾光后的光波通過(guò)投影系統(tǒng)后以平行光的形式射出，最后雙波段的平行光被探測(cè)器接收實(shí)現(xiàn)了雙波段景象的模擬。本方案中需要具體說(shuō)明的部分是濾光片的設(shè)計(jì)以及濾光片與遮光片對(duì)2個(gè)波段能量的調(diào)節(jié)。

圖2 系統(tǒng)的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Side structure of system

濾鏡和遮光片的設(shè)計(jì)方案如圖3所示，濾光片分成左右兩半，分別鍍上2種透過(guò)率的光學(xué)薄膜：左半邊A，B波段全透，右半邊波段只有A全透，波段B不能透過(guò)（這里的A，B分別代表需要模擬的2個(gè)波段），并且濾光片可以繞中心旋轉(zhuǎn)改變?yōu)V光角度。遮光片采用最簡(jiǎn)單的形式，上半部分不透光，下半部分透光，即180°遮光，并且固定放置。由于探測(cè)器接收到的能量正比于出瞳的通光面積，所以調(diào)節(jié)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度，就可以改變兩個(gè)波段透過(guò)面積，即改變雙波段的透過(guò)能量。又由于特定溫度下目標(biāo)在兩波段能量比為定值，所以通過(guò)調(diào)節(jié)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度就可以實(shí)現(xiàn)雙波段特定能量比的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)特定溫度目標(biāo)的景象模擬任務(wù)。同時(shí)為了使探測(cè)器各部分接收到能量均勻，需要加入步進(jìn)電機(jī)和支架驅(qū)動(dòng)濾光片和遮光片勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速要與景象生成器的幀頻相互匹配。

圖3 濾光片和遮光片的結(jié)構(gòu)圖

2.2 方案可行性分析

接下來(lái)本文針對(duì)一個(gè)特定的雙色紅外導(dǎo)引頭進(jìn)行目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)方案的溫度模擬范圍的分析。

導(dǎo)引頭的特性參數(shù)如下：

以此導(dǎo)引頭的對(duì)應(yīng)的紅外目標(biāo)模擬器系統(tǒng)為例，分析180°遮光片可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)溫度模擬范圍。本方案中探測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)引頭探測(cè)的2個(gè)波段分別為3.4μm～3.8μm和4.4μm～4.8μm，因此目標(biāo)模擬器需要產(chǎn)生這2個(gè)波段的光波，并且可以調(diào)節(jié)這兩波段的能量比。一般紅外探測(cè)方式下探測(cè)的主要目標(biāo)就是背景、導(dǎo)彈／飛機(jī)和干擾彈等軍事目標(biāo)。它們的黑體輻射溫度一般在300K～2 000K這一范圍內(nèi)，即目標(biāo)模擬器需要模擬出在300K～2 000K溫度下3.4μm～3.8μm和4.4μm～4.8μm 的2個(gè)波段內(nèi)的能量比。根據(jù)普朗克公式可知2個(gè)特定波段下的能量：

式中：h＝6.626×10-34J·s；c＝3×108m／s；λ1＝3.4μm，λ2＝3.8μm，λ′1＝4.4μm，λ′2＝4.8μm，k＝1.380 6×10-23J／K。根據(jù)不同的溫度，代入公式可得300K～2 000K溫度范圍內(nèi)的黑體輻射的能量比，如表1所示。

表1 不同溫度下2個(gè)波段的輻射能量比Table 1 Energy ratios of radiation under different temperatures

從表2中可以看出，目標(biāo)模擬器本質(zhì)上就是要實(shí)現(xiàn)能量比從0.18～2的連續(xù)變化，從而模擬出300K～2 000K范圍內(nèi)的目標(biāo)。通過(guò)控制溫度，人為設(shè)定景象生成器（電阻陣列）發(fā)射的兩波段的初始能量相同為1:1，在經(jīng)過(guò)濾光片和遮光片組合的濾光系統(tǒng)后，生成2個(gè)波段的能量比值要在0.2～2可變，即可以實(shí)現(xiàn)0.2～2的遮掩透光面積的變化。如圖5所示，當(dāng)濾光片旋轉(zhuǎn)至特定角度時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)1:5至2:1連續(xù)可變的通光面積比，從而生成能量比值從0.2到2的可變雙波段，以模擬300K～2 000K溫度下的目標(biāo)。

圖4 遮光片和濾光片遮掩情況Fig.4 Cover situations of shading plate and filter

3 投影系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

雙波段目標(biāo)模擬器中投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到了決定性作用。接下來(lái)對(duì)已給出的探測(cè)器導(dǎo)引頭的技術(shù)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)模擬器的投影系統(tǒng)部分進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。與可見光系統(tǒng)相比，紅外光學(xué)系統(tǒng)在鏡片光學(xué)材料選取時(shí)，應(yīng)保證在工作波段有較高的光學(xué)透過(guò)率；同時(shí)，光學(xué)元件在工藝允許的范圍內(nèi)，使相對(duì)孔徑盡可能大以保證接收更多的能量，提高系統(tǒng)的靈敏度［10］。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)確定

由系統(tǒng)的工作原理可知，投影系統(tǒng)的物是景象生成器件（即電阻陣列），且景象生成器置于投影系統(tǒng)的物方焦平面上，這樣可以使出射光為平行光。通常評(píng)價(jià)投影系統(tǒng)的成像質(zhì)量時(shí)，將投影系統(tǒng)倒置，因此為設(shè)計(jì)方便采用反向設(shè)計(jì)的方法，以平行光入射，相當(dāng)于無(wú)窮遠(yuǎn)物通過(guò)物鏡成像，此時(shí)像面位于電阻陣列位置上。

投影系統(tǒng)的特性參數(shù)與導(dǎo)引頭參數(shù)和電阻陣列尺寸有關(guān)，投影系統(tǒng)的出瞳（出瞳位置為倒置時(shí)的入瞳位置）應(yīng)與導(dǎo)引頭入瞳銜接，以有效利用輻射能量和避免不必要的雜散光進(jìn)入導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)，因此要求投影系統(tǒng)出瞳稍大于導(dǎo)引頭入瞳。為有效利用景象生成器的各像元，又能完全覆蓋整個(gè)導(dǎo)引頭成像視場(chǎng)，最好使投影系統(tǒng)視場(chǎng)略大于導(dǎo)引頭成像視場(chǎng)。投影系統(tǒng)焦距由景象生成器的尺寸（電阻陣列的對(duì)角線尺寸）和投影系統(tǒng)視場(chǎng)確定。投影系統(tǒng)的分辨率受被測(cè)導(dǎo)引頭的限制，足夠使用即可。綜合考慮各種因素，確定反向設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)指標(biāo)如下：

3.2 系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)確定

為適應(yīng)仿真系統(tǒng)小型化特點(diǎn)，紅外物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上選取折射式系統(tǒng)。此投影系統(tǒng)相對(duì)孔徑比較大，焦距中等，視場(chǎng)較小，所以此紅外投影系統(tǒng)初步擬用3片透鏡。系統(tǒng)工作波段為3.2μm～3.6μm和4.4μm～4.8μm，又考慮消色差條件，選取Ge、ZnS、Si作為紅外物鏡的材料。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

利用ZEMAX進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化得到結(jié)果，雖然效果很好，但系統(tǒng)整體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，達(dá)到500mm。所以考慮使用兩片式結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其中一面采用二次非球面進(jìn)行優(yōu)化，以得到盡可能小的系統(tǒng)長(zhǎng)度，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖6所示，此時(shí)系統(tǒng)可以用兩片式實(shí)現(xiàn)，材料分別為Si和Ge，再將濾光片和窗口加入到系統(tǒng)中進(jìn)行整體優(yōu)化。

圖5 改進(jìn)后的物鏡結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of final objective lens

重新使用ZEMAX優(yōu)化得到最終結(jié)果。光學(xué)系統(tǒng)焦距f′＝480mm，入瞳直徑150mm，視場(chǎng)2.2°，整體長(zhǎng)度360mm，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線如圖7所示，可以看出，在3.2μm～4.8μm波段系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到10lp／mm，像質(zhì)能夠滿足使用要求。另外，模擬器方案設(shè)計(jì)中由于有遮光片，對(duì)景象生成器存在著部分遮擋，因此要計(jì)算探測(cè)器接收到的能量是否大于閾值。本文第2部分規(guī)定景象生成器產(chǎn)生的兩個(gè)波段的能量相等，由普朗克定律可知，在720K時(shí)，電阻陣列上黑體輻射能量在兩波段上的輻射能量比約為1:1，此時(shí)在給定的2個(gè)波段內(nèi)積分就可以得到輻射能量均為0.1W／cm2。

圖6 投影系統(tǒng)的傳函曲線Fig.6 MTF of projection system

在紅外景象投影系統(tǒng)中，共使用了兩片透鏡和一個(gè)濾光片，按單個(gè)面的透過(guò)率為98%來(lái)計(jì)算，導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率已經(jīng)給出為0.8。投影物鏡焦距為480mm，入瞳直徑為150mm。因此，有公式：

即直接求得探測(cè)器接收到的輻射強(qiáng)度：

但此結(jié)果沒(méi)有考慮遮光片和濾光片的遮掩，還需要乘一個(gè)遮掩系數(shù)k（一般模擬的最小溫度為背景溫度，遮掩系數(shù)為1／10），即＾E＝E×k＝1.8×10-4（W／cm2）。而探測(cè)器的最小探測(cè)輻射強(qiáng)度E′一般為10-6W／cm2，即＾E?E′。所以在遮光片遮掩的情況下，紅外雙色探測(cè)器的探測(cè)能力不受影響，方案可行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的紅外雙波段目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)方法相比解決了紅外目標(biāo)模擬只能模擬黑體和灰體的局限性，可以模擬任意發(fā)射特性的選擇體。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體優(yōu)化，達(dá)到了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的，降低了研制和生產(chǎn)成本。針對(duì)特定導(dǎo)引頭，給出了目標(biāo)模擬器的投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有分辨率高和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，可以對(duì)溫度范圍在300K～3 000K的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)雙波段紅外模擬，系統(tǒng)分辨率能達(dá)到10lp／mm，能夠滿足系統(tǒng)的探測(cè)要求。

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