范志剛，胡海力，陳守謙，左寶君，倪 辰

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

引言

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈具有打擊精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、性價比高等特點(diǎn)，一直以來都受到各國軍方的青睞。隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的半實(shí)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(shí)物仿真系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)是導(dǎo)彈研制過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以幫助設(shè)計人員排查許多設(shè)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(fèi)[2]。多目標(biāo)復(fù)合半實(shí)物仿真系統(tǒng)是測試紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)追蹤性能的一種紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其仿真的對象是紅外導(dǎo)引頭。此仿真系統(tǒng)要為導(dǎo)引頭營造出一個逼真的戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)景象，還要為導(dǎo)引頭模擬出導(dǎo)彈的運(yùn)動情況，以此來檢驗(yàn)導(dǎo)彈對目標(biāo)的追蹤能力[3]。隨著光學(xué)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(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要措施。而且由于紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的打擊半徑越來越大，仿真目標(biāo)在紅外仿真裝置出瞳處的輻照度越來越低，導(dǎo)致紅外仿真裝置受雜散光的影響愈發(fā)嚴(yán)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(guān)注[4-7]。本文基于蒙特卡洛方法，通過TracePro仿真軟件進(jìn)行建模，對基于網(wǎng)紋鏡多目標(biāo)復(fù)合半實(shí)物仿真系統(tǒng)的雜散光水平和可能的雜散來源進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，仿真系統(tǒng)中關(guān)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(shè)計之初，需要重點(diǎn)考慮自身輻射雜散光的影響。

1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)工作原理

多目標(biāo)模擬半實(shí)物仿真系統(tǒng)用于測試紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的打擊和跟蹤能力，需要模擬實(shí)際工作時的導(dǎo)彈從發(fā)射到最終擊中目標(biāo)期間的真實(shí)環(huán)境和目標(biāo)變化情況。因此，仿真系統(tǒng)需要模擬多個目標(biāo)，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(shí)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(xué)結(jié)構(gòu)主要由以下子系統(tǒng)組成：

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

2) 多目標(biāo)復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)。為了避免產(chǎn)生色差，該仿真系統(tǒng)的主要光學(xué)元件采用了反射式元件[2]。多目標(biāo)復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的主體光學(xué)系統(tǒng)是一個同心三反望遠(yuǎn)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(kuò)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(biāo)了，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)復(fù)合的目的。多目標(biāo)復(fù)合光學(xué)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(biāo)復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)和探測系統(tǒng)聯(lián)合起來了。

圖2 同心三反式復(fù)合光學(xué)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(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)在視場中的移動。

4) 導(dǎo)引頭。導(dǎo)引頭包括光學(xué)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(fù)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(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、表面與光學(xué)元件的各種輻射特性有非常好的適應(yīng)性。

蒙特卡洛法是一種統(tǒng)計算法，其應(yīng)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(dú)立的、離散的細(xì)小光束，每一條光束在傳播時可以看作一個獨(dú)立事件，其傳播路徑由一系列的概率模型描述的隨機(jī)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(jìn)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(dá)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(xué)描述；

2) 建立光輻射傳遞的概率模型；

3) 進(jìn)行隨機(jī)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(jìn)行分析。采取的步驟如下：首先要在三維建模軟件PRO/E中進(jìn)行仿真系統(tǒng)實(shí)體建模，然后將三維機(jī)械模型導(dǎo)入雜散光分析軟件TracePro中，進(jìn)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(kuò)束后未復(fù)合的光束。正是由于網(wǎng)紋鏡的擴(kuò)束作用(如圖2所示)，導(dǎo)引頭可以同時接收多個投影器的目標(biāo)光束。但是，導(dǎo)引頭只接收各個投影器之間重合部分的光束，那么未復(fù)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分。這些光線由于機(jī)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(jìn)入導(dǎo)引頭的入瞳，成為仿真系統(tǒng)的雜散光，稱之為未復(fù)合光束雜散光。

二是源于仿真系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)元件的自發(fā)輻射。因?yàn)槿魏胃哂诮^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(jìn)入導(dǎo)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(fù)合光束引起的雜散光

這部分雜散光是由于未復(fù)合的光束在機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件表面間不斷散射和反射而進(jìn)入導(dǎo)引頭。若要確定仿真系統(tǒng)的雜散光水平，必須確定目標(biāo)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(biāo)的輻射能量進(jìn)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(biāo)的提取。根據(jù)仿真系統(tǒng)的指標(biāo)要求：1) 標(biāo)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(biāo)在導(dǎo)引頭入瞳處的照度值約為10-7W/m2。于是調(diào)整目標(biāo)黑體的溫度，使其在導(dǎo)引頭入瞳處的照度接近10-7W/m2。最終，目標(biāo)在導(dǎo)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(biāo)在導(dǎo)引頭入瞳處的照度值為9.959×10-8W/m2，在導(dǎo)引頭像面處的目標(biāo)的總輻照光能量為1.282 1×10-9W。

圖3 導(dǎo)引頭入瞳處目標(biāo)的輻照度圖Fig.3 Irradiance on entrance pupil of detector

圖4 目標(biāo)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(shè)計階段，因此留以余量考慮最壞情況，設(shè)仿真系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)表面的反射率為80%。為了分析未復(fù)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(shè)為10 K。在導(dǎo)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(dá)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(biāo)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(biāo)的識別產(chǎn)生影響，需要采取措施進(jìn)行抑制。

表1 像面上未復(fù)合光束雜散光和目標(biāo)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(guān)鍵表面，即從導(dǎo)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(yīng)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(guān)鍵表面產(chǎn)生的熱輻射。

關(guān)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(guān)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(guān)鍵表面，也就是其自發(fā)輻射雜散光能直接進(jìn)入到導(dǎo)引頭入瞳的表面，如表2所示。

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

下面分析室溫狀態(tài)下各個關(guān)鍵表面在像面處的自發(fā)輻射能量，各關(guān)鍵表面的特性參數(shù)如表3所示。各關(guān)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(xué)元件的自發(fā)輻射引入的雜散輻射主要是目標(biāo)復(fù)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(xué)元件自發(fā)輻射的能量比目標(biāo)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(biāo)影響嚴(yán)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(biāo)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(yuǎn)大于目標(biāo)的輻照能量，必須對仿真系統(tǒng)的自發(fā)輻射進(jìn)行有效地抑制。

表3 關(guān)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(guān)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(jìn)行制冷。設(shè)制冷溫度分別為280 K，200 K和120 K，進(jìn)行雜散光分析，得到雜散光系數(shù)隨制冷溫度的變化關(guān)系，如表4所示。可知當(dāng)元件的溫度降低到200 K時，目標(biāo)的輻照度已經(jīng)遠(yuǎn)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(biāo)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(biāo)輻射能量Table 4 Irradiation of self-thermal radiation after refrigeration

3 結(jié)論

對應(yīng)用于某導(dǎo)彈的多目標(biāo)模擬半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行了雜散光分析。在雜散光分析軟件TracePro中對半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行光機(jī)建模，分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵表面，并計算出雜散光和目標(biāo)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(yán)重影響導(dǎo)引頭對目標(biāo)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(guān)系，當(dāng)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%。

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