錢育龍，侯晴宇，王治樂，趙煥義

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

引言

在紅外雙波段導引頭研制的末期，需要對紅外雙色制導系統(tǒng)的性能進行準確的評估，景象仿真技術可以滿足這種需求。景象投影的方法［1-3］就是由景象生成器將計算機圖像生成器產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紅外物理輻射，并通過光學系統(tǒng)投射到被測試系統(tǒng)的光學入瞳處，這樣就能模擬所需要的紅外場景，此場景可以供被測系統(tǒng)進行探測和識別［4］。這種景象生成方式擁有很高的仿真度，縮短了制作周期，簡化了制作工藝，因此成為國內(nèi)外學者研究的熱點。在紅外景象投影系統(tǒng)中，紅外投影系統(tǒng)是最關鍵、難度最大的部分，它的技術特點決定了景象生成器的性能。

1 技術原理

雙波段探測器是通過探測目標在2個波段內(nèi)的能量比來對目標進行探測和識別。因此在進行雙波段目標模擬器研究時，核心問題就是模擬器如何產(chǎn)生目標在2個波段內(nèi)的景象，同時這2個波段內(nèi)的能量比可調(diào)，通過調(diào)節(jié)波段內(nèi)的能量比來模擬不同溫度的目標。傳統(tǒng)的目標模擬器采用一個景象生成器（輻射黑體），一套投影系統(tǒng)，利用黑體溫度來調(diào)節(jié)需要模擬的雙波段目標。這種方式的優(yōu)點是結構簡單，但只能模擬黑體輻射，不能模擬灰體或選擇體的目標輻射，局限性比較大。目前比較先進的是大衛(wèi)博士為美國海軍研制的雙波段目標模擬器，結構圖如圖1所示［5-6］。它利用兩套獨立的光學系統(tǒng)，分別產(chǎn)生兩條可調(diào)諧能量的光路，在出瞳處進行圖像融合后并被探測器接收，由于兩個波段的光路分離，它們可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)射源的能量大小從而實現(xiàn)不同能量比的模擬，可以不僅僅局限于黑體輻射［7-9］。但這種設計方式存在著一定的不足：使用了2個景象生成器件，兩套光學傳遞系統(tǒng)，不僅提高了研制成本，而且需要進行圖像融合，對系統(tǒng)的要求較高，設計難度比較大。

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

為了解決上述問題，本文提出一種僅使用一個景象生成器件和一套投影系統(tǒng)的雙波段目標模擬器的方案，降低光學系統(tǒng)的復雜程度，但是仍然可以自由調(diào)節(jié)2個波段的能量比值，用“一套”系統(tǒng)實現(xiàn)雙波段模擬器的設計。

2 方案設計

2.1 方案組成和工作原理

方案的系統(tǒng)結構原理圖如圖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產(chǎn)生特定能量比的2個波段的光波，被濾光后的光波通過投影系統(tǒng)后以平行光的形式射出，最后雙波段的平行光被探測器接收實現(xiàn)了雙波段景象的模擬。本方案中需要具體說明的部分是濾光片的設計以及濾光片與遮光片對2個波段能量的調(diào)節(jié)。

圖2 系統(tǒng)的側視結構圖Fig.2 Side structure of system

濾鏡和遮光片的設計方案如圖3所示，濾光片分成左右兩半，分別鍍上2種透過率的光學薄膜：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（這里的A，B分別代表需要模擬的2個波段），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，就可以改變兩個波段透過面積，即改變雙波段的透過能量。又由于特定溫度下目標在兩波段能量比為定值，所以通過調(diào)節(jié)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度就可以實現(xiàn)雙波段特定能量比的調(diào)節(jié)，從而達到對特定溫度目標的景象模擬任務。同時為了使探測器各部分接收到能量均勻，需要加入步進電機和支架驅(qū)動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構圖

2.2 方案可行性分析

接下來本文針對一個特定的雙色紅外導引頭進行目標模擬器設計方案的溫度模擬范圍的分析。

導引頭的特性參數(shù)如下：

以此導引頭的對應的紅外目標模擬器系統(tǒng)為例，分析180°遮光片可實現(xiàn)的目標溫度模擬范圍。本方案中探測系統(tǒng)導引頭探測的2個波段分別為3.4μm～3.8μm和4.4μm～4.8μm，因此目標模擬器需要產(chǎn)生這2個波段的光波，并且可以調(diào)節(jié)這兩波段的能量比。一般紅外探測方式下探測的主要目標就是背景、導彈／飛機和干擾彈等軍事目標。它們的黑體輻射溫度一般在300K～2 000K這一范圍內(nèi)，即目標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個波段內(nèi)的能量比。根據(jù)普朗克公式可知2個特定波段下的能量：

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，目標模擬器本質(zhì)上就是要實現(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。通過控制溫度，人為設定景象生成器（電阻陣列）發(fā)射的兩波段的初始能量相同為1:1，在經(jīng)過濾光片和遮光片組合的濾光系統(tǒng)后，生成2個波段的能量比值要在0.2～2可變，即可以實現(xiàn)0.2～2的遮掩透光面積的變化。如圖5所示，當濾光片旋轉(zhuǎn)至特定角度時，就可以實現(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。

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)光學設計

雙波段目標模擬器中投影系統(tǒng)的設計對整個系統(tǒng)起到了決定性作用。接下來對已給出的探測器導引頭的技術指標對目標模擬器的投影系統(tǒng)部分進行光學設計。與可見光系統(tǒng)相比，紅外光學系統(tǒng)在鏡片光學材料選取時，應保證在工作波段有較高的光學透過率；同時，光學元件在工藝允許的范圍內(nèi)，使相對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。通常評價投影系統(tǒng)的成像質(zhì)量時，將投影系統(tǒng)倒置，因此為設計方便采用反向設計的方法，以平行光入射，相當于無窮遠物通過物鏡成像，此時像面位于電阻陣列位置上。

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

3.2 系統(tǒng)初始結構確定

為適應仿真系統(tǒng)小型化特點，紅外物鏡系統(tǒng)結構上選取折射式系統(tǒng)。此投影系統(tǒng)相對孔徑比較大，焦距中等，視場較小，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 設計結果及分析

利用ZEMAX進行系統(tǒng)優(yōu)化得到結果，雖然效果很好，但系統(tǒng)整體長度過長，達到500mm。所以考慮使用兩片式結構進行改進，其中一面采用二次非球面進行優(yōu)化，以得到盡可能小的系統(tǒng)長度，改進后的結構如圖6所示，此時系統(tǒng)可以用兩片式實現(xiàn)，材料分別為Si和Ge，再將濾光片和窗口加入到系統(tǒng)中進行整體優(yōu)化。

圖5 改進后的物鏡結構Fig.5 Structure of final objective lens

重新使用ZEMAX優(yōu)化得到最終結果。光學系統(tǒng)焦距f′＝480mm，入瞳直徑150mm，視場2.2°，整體長度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)的分辨率可以達到10lp／mm，像質(zhì)能夠滿足使用要求。另外，模擬器方案設計中由于有遮光片，對景象生成器存在著部分遮擋，因此要計算探測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)生的兩個波段的能量相等，由普朗克定律可知，在720K時，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，此時在給定的2個波段內(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濾光片，按單個面的透過率為98%來計算，導引頭光學系統(tǒng)的透過率已經(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：

即直接求得探測器接收到的輻射強度：

但此結果沒有考慮遮光片和濾光片的遮掩，還需要乘一個遮掩系數(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）。而探測器的最小探測輻射強度E′一般為10-6W／cm2，即＾E?E′。所以在遮光片遮掩的情況下，紅外雙色探測器的探測能力不受影響，方案可行。

5 結束語

本文提出的紅外雙波段目標模擬器的設計方案與傳統(tǒng)方法相比解決了紅外目標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。通過對系統(tǒng)的整體優(yōu)化，達到了簡化系統(tǒng)結構的目的，降低了研制和生產(chǎn)成本。針對特定導引頭，給出了目標模擬器的投影系統(tǒng)的設計方法以及設計結構，具有分辨率高和結構緊湊的特點，可以對溫度范圍在300K～3 000K的目標實現(xiàn)雙波段紅外模擬，系統(tǒng)分辨率能達到10lp／mm，能夠滿足系統(tǒng)的探測要求。

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