杜艷偉， 吳俊海， 程華奇， 龍華保

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109；2.中國航天科技集團(tuán)公司紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海201109；3.第二炮兵駐上海地區(qū)軍事代表室，上海200090）

0 引言

紅外成像仿真技術(shù)在紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能評估等方面起著重要的作用。在導(dǎo)彈系統(tǒng)研發(fā)過程中，采用仿真技術(shù)可以大幅度地減少實(shí)彈試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)，縮短研制周期。上世紀(jì)70年代末，美國和歐洲已經(jīng)發(fā)展了多種紅外成像仿真系統(tǒng)，成功應(yīng)用于導(dǎo)彈半實(shí)物仿真和紅外導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和評估。在這些紅外仿真系統(tǒng)中，美國林肯試驗(yàn)室的導(dǎo)引頭試驗(yàn)系統(tǒng)（Seeker Ex-perimental System，SES）具有一定的先進(jìn)性，處于紅外成像仿真技術(shù)發(fā)展的前沿。

SES是在20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的，主要用于承接林肯實(shí)驗(yàn)室參與的美國陸軍和海軍攔截器項(xiàng)目的中波紅外焦平面陣列和算法測試，評估可供選擇的焦平面陣列技術(shù)及其在仿真環(huán)境中的工作性能。SES可定量評估短波紅外、中波紅外和中波紅外傳感器的性能特性。除了用于導(dǎo)引頭技術(shù)性能定量評定外，SES還可以用于任務(wù)仿真、算法開發(fā)和先進(jìn)技術(shù)（如先進(jìn)的信號處理器、大規(guī)格焦平面陣列和新的讀出集成電路設(shè)計(jì)）驗(yàn)證。通過采用紅外投影技術(shù)，SES能夠驗(yàn)證在軟件環(huán)境中開發(fā)和測試的算法。導(dǎo)引頭試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)彈試驗(yàn)前用于開發(fā)和驗(yàn)證識別的反饋回路。SES已被用來驗(yàn)證多種攔截彈紅外導(dǎo)引頭系統(tǒng)的性能特性，并用于試驗(yàn)新算法和信號處理結(jié)構(gòu)［1］。本文綜述了SES的發(fā)展情況，著重闡述動態(tài)場景投影、復(fù)雜場景生成、低溫場景投影、環(huán)境場景生成以及傳感器測試等主要功能中涉及到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)。

1 動態(tài)紅外場景投影

SES能夠在室溫和低溫環(huán)境中生成靜態(tài)和動態(tài)場景。完成場景生成的設(shè)備包括核光學(xué)動態(tài)顯示系統(tǒng)（NODDS）、黑體輻射源和高速轉(zhuǎn)向鏡。一般情況下，NODDS能夠獨(dú)立完成場景生成；特殊境況下，NODDS 陣列與黑體電源通過合束器可以生成復(fù)雜場景。NODDS陣列嵌于桌面杜瓦組件進(jìn)行工作。室溫和低溫場景投影系統(tǒng)各裝有由核防御局開發(fā)的兩個NODDS電阻陣列，陣列的規(guī)格為128×128和512×512，如圖1所示。

NODDS電阻陣列有15%和53%兩種不同填充率，每個發(fā)射單元采用像素間隔為50.9μm的阻抗微橋法設(shè)計(jì)［2］，單像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 NODDS阻抗陣列照片

圖2 NODDS 發(fā)射單元

NODDS的發(fā)射單元由MOSFET 產(chǎn)生的電流加熱實(shí)現(xiàn)輸出，芯片的最高物理溫度達(dá)到700 K。按15%填充率設(shè)計(jì)的陣列能夠?qū)崿F(xiàn)300K 的長波紅外和600K 的中波紅外輻射。具有53%填充率的陣列額定輸出是15%陣列的三倍，而在速度上是后者的三分之一。盡管每個單元的上升時(shí)間、下降時(shí)間和單元最大輻射量具有溫度依賴性，NODDS可以達(dá)到100Hz（15%填充率）和33 Hz（53%填充率）的刷新率。

FIESTA 系統(tǒng)用于NODDS 陣列的驅(qū)動控制，將16bit的視頻畫面轉(zhuǎn)變成電壓為0.86V～3.65V 的電壓信號。FIESTA 系統(tǒng)的核心是一臺VME機(jī)箱，它內(nèi)置11塊電路板：1塊PC 板驅(qū)動、2塊調(diào)速電路板、4塊PC 電源控制板、4塊八通道數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換板。系統(tǒng)配備了數(shù)模遙控盒和電源，并為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的每個通道配備了RAID 驅(qū)動電路。FIESTA 系統(tǒng)將生成視頻存儲在容量400 GB 的RAID 存儲器中，并且以240 Hz的速率播放原始圖像。FIESTA 支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種模式的非均勻校正（NUC）。通過采用差分電壓信號允許阻抗陣列和控制電路之間的物理間隔長達(dá)30m。在導(dǎo)入阻抗陣列之前，差分信號通過數(shù)模電路轉(zhuǎn)化為模擬信號。在視頻顯示之前，內(nèi)嵌的數(shù)字處理器將電壓偏移量限定在1mV 之內(nèi)，有效消除電路的DAC 頻移。FIESTA 目前支持32個模擬通道，每個通道驅(qū)動電阻陣列中的16個單元。FIESTA 的32個模擬通道能夠用來驅(qū)動一個512×512動態(tài)顯示阻抗陣列或者同步驅(qū)動4個128×128動態(tài)顯示陣列。加入調(diào)速電路板可以形成異步驅(qū)動2 個512×512動態(tài)顯示陣列的能力。

NODDS陣列傳輸函數(shù)具有非線性，如圖3（a）所示。非均勻校正程序可在設(shè)定的工作電壓范圍內(nèi)以1%的非均勻殘差重復(fù)校正阻抗陣列［3］，如圖3（b）所示。SES 正在研究提高場景生成能力的措施，包括迭代非均勻校正技術(shù)、新場景生成電子學(xué)、更大面陣的阻抗陣列和硬件回路設(shè)計(jì)。

圖3 NODDS陣列的輻射傳遞函數(shù)及非均勻校正效果

2 復(fù)雜場景的生成

準(zhǔn)確模擬目標(biāo)和背景輻射度的復(fù)雜場景仿真對導(dǎo)引頭試驗(yàn)系統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)。通過多年實(shí)驗(yàn)測量和飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核，SES已經(jīng)形成了一系列針對復(fù)雜場景的仿真模型［4］。復(fù)雜場景包括多個對象和不同背景，每個對象包括目標(biāo)本身和輻射流場（火箭或者飛機(jī)發(fā)動機(jī)的煙羽）。在復(fù)雜環(huán)境中的每個對象必須經(jīng)過建模和轉(zhuǎn)換形成場景生成信號。仿真結(jié)果包含觀測距離和目標(biāo)視線幾何學(xué)的數(shù)據(jù)，對象的運(yùn)動軌跡通常通過數(shù)字模型描述。

對象本體的建模通過標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)特征仿真程序?qū)崿F(xiàn)，仿真程序可以進(jìn)行從可見光到長波紅外的輻射強(qiáng)度計(jì)算。光學(xué)信號程序根據(jù)氣動加熱、輻射冷卻、太陽加熱、地球反照和分子碰撞等效應(yīng)計(jì)算獲得輻射數(shù)據(jù)文件。飛機(jī)和地面車輛的建模是通過目標(biāo)與環(huán)境光譜和帶內(nèi)輻射成像（SPIRITS）程序?qū)崿F(xiàn)。SPIRITS 是一款基于第一性原理的紅外光譜成像信號建模軟件，用于固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛行器、輪船和地面車輛。

導(dǎo)彈煙羽模型的建立可通過兩種方式：一種是針對高飛行高度的高海拔輻射組合模型（CHARM）；另一種是針對低飛行高度的標(biāo)準(zhǔn)煙羽流場（SPF）程序。兩種程序都能夠模擬液體或者固體火箭煙羽。CHARM 模擬的輻射圖實(shí)例如圖4所示。CHARM 和SPF 的模擬結(jié)果與自測信息結(jié)合生成逼真的對象特征模型。為了合并OSC和CHARM 的輸出結(jié)果，MIT LL開展了復(fù)合本體和導(dǎo)彈羽煙仿真（CHAMP）項(xiàng)目［5］，軟件模型由位于佛羅里達(dá)州埃格林空軍基地的動力殺傷武器半實(shí)物仿真設(shè)備研究室完成。

圖4 通過CHARM 獲得的導(dǎo)彈煙羽分布示意圖

復(fù)雜環(huán)境生成的最后一步是合并輻射文件和運(yùn)動觀測文件，獲取觀測視場中的輻射過程，把它轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號發(fā)送到環(huán)境生成器。通過調(diào)整傳感器或算法改變場景模式，可以更深入地了解傳感器參數(shù)和工藝的穩(wěn)健性。

3 低溫環(huán)境生成系統(tǒng)

SES創(chuàng)建了低溫環(huán)境生成系統(tǒng)（CSPS），用于空間環(huán)境下的長波導(dǎo)引頭測試。系統(tǒng)內(nèi)裝有350 mm 直徑、768 mm 有效焦距的投射準(zhǔn)直器和512×512的元件NODDS 電阻陣列。投影準(zhǔn)直器的光學(xué)回路上安裝了空腔黑體源，通過NODDS光路實(shí)現(xiàn)復(fù)合投影。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)充分考慮了視場的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對100 mm ～200mm光學(xué)焦距導(dǎo)引頭的測試。CSPS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。近年來，采用兩個128×128 NODDS陣列替代單個512×512 陣列，CSPS 可以實(shí)現(xiàn)對雙波段紅外場景的投影。結(jié)合雙NODDS陣列，采用更大焦距的準(zhǔn)直器，CSPS 能夠優(yōu)化雙色導(dǎo)引頭和先進(jìn)算法的測試條件，實(shí)現(xiàn)超分辨率和多色識別的驗(yàn)證。

圖5 CSPS的內(nèi)部布局

CSPS的內(nèi)部光學(xué)器件和輻射源周圍設(shè)置了液氮冷卻導(dǎo)流罩。通過液氮冷卻使CSPS的內(nèi)部溫度維持在80K，比深空背景高3K。在運(yùn)行環(huán)境中，導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)溫度保持在發(fā)射前的環(huán)境溫度。然而，導(dǎo)引頭本身的輻射強(qiáng)度比80K 高幾個數(shù)量級。為了模擬運(yùn)行環(huán)境，導(dǎo)引頭放置在一個預(yù)熱室以維持在環(huán)境溫度附近。當(dāng)試驗(yàn)準(zhǔn)備開始時(shí)，預(yù)燃室和液氮冷卻的投影系統(tǒng)組件之間的閘閥會自動打開。當(dāng)對投影準(zhǔn)直器觀測時(shí)，導(dǎo)引頭冷卻至深空環(huán)境溫度。為了進(jìn)行低壓環(huán)境（＜0.2Pa）的傳感器測試，預(yù)熱室可以通過一個大鎘窗 與 主 室 隔 離。待 測 單 元（unit under test，UUT）置于可轉(zhuǎn)動傾斜平臺上，通過平臺轉(zhuǎn)動使投影視場位于其視場之內(nèi)。盡管NODDS陣列覆蓋的視場為0.22°，投影準(zhǔn)直器的視場為1.4°。0.001 7°的一個小單元間距可以允許待測單元的高度過采樣。

除了準(zhǔn)直器和投影陣列等器件升級外，CSPS還改進(jìn)了冷屏和光學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更好的冷反射控制。新腔的冷背景下半錐角為5.6°。在焦平面中心3mrad的范圍內(nèi)，背景輻射量占環(huán)境輻射量的比重小于0.01%，背景輻射梯度的比重小于0.001%。改進(jìn)后的CSPS 結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。焦平面與系統(tǒng)的光軸成一定角度以減少冷反射效應(yīng)；在整個光學(xué)鏈路中加入鋸齒狀的冷阱來減少鏡面反射；NODDS 陣列放置在3 自由度支架上以允許精確定位；輻射源的安裝采用了可插拔方式以便于試驗(yàn)操作；發(fā)射陣列插槽可兼容512×512或1 024×1 024 甚至于更高輻射元輻射陣列；濾波器／光圈輪放置在變焦驅(qū)動器上，以允許的孔徑光闌移入和移出焦平面（取決于是否在使用光闌或?yàn)V波器）。

圖6 改進(jìn)后的CSPS結(jié)構(gòu)圖

4 環(huán)境場景生成

環(huán)境場景生成系統(tǒng)（ASPS）能夠提供可重構(gòu)的測試環(huán)境，用于對工作在室溫環(huán)境中的短波、中波和長波紅外傳感器的特性分析。前期ASPS由光學(xué)平臺、準(zhǔn)直器、黑體源、濾波器／光圈輪、轉(zhuǎn)向鏡和動態(tài)環(huán)境生成器組成。經(jīng)過升級換代，增加了38cm 高速轉(zhuǎn)向鏡［60（°）／s］，UUT 兩軸支架，20 位濾波器／光圈輪，黑體源和512×512 NODDS陣列的桌面杜瓦瓶組件，使ASPS 增加測試功能和新的附屬室溫測試臺。

在ASPS的每一個室溫桌面試驗(yàn)系統(tǒng)都采用雙離軸拋物面（OAP），并行的投射準(zhǔn)直器可以生成包含點(diǎn)源黑體、高速的反射鏡以及NODDS電阻陣列的復(fù)雜環(huán)境。圖7是一個ASPS的一個投影系統(tǒng)。通過38cm 的高速偏轉(zhuǎn)鏡，采用點(diǎn)源黑體可以模擬飛機(jī)拋射的誘餌彈的運(yùn)動特性。飛機(jī)可由512×512NODDS陣列進(jìn)行模擬。最后通過ZnSe合束器合成精確的場景。多誘餌彈可以通過在光圈內(nèi)加入多個點(diǎn)源黑體完成模擬。模擬獨(dú)立運(yùn)動時(shí)，可以通過多點(diǎn)源黑體與置于OAP的聚光處的小轉(zhuǎn)向反射鏡、合束器實(shí)施。

圖7 一種ASPS投影系統(tǒng)

ASPS的探測器特性分析能力不局限于復(fù)雜環(huán)境的生成。通過NIST 定標(biāo)的盤狀和腔狀黑體的輻射譜溫可控制在-40 ℃～+3 000 ℃。光譜特性分析可以通過窄帶濾波器、單色儀、圓形可變?yōu)V波器和傅里葉變換干涉儀獲取。經(jīng)過多年積累，SES已配置了冷光圈擋片、幾何光圈、窄帶通濾波器以及其他試驗(yàn)室設(shè)備。其中，定標(biāo)的中波紅外和長波紅外相機(jī)可提供系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)和焦點(diǎn)信息標(biāo)定。

ASPS的每一個室溫桌面測試臺適用于一個特定的項(xiàng)目。準(zhǔn)直器的有效焦距、鏡面尺寸和黑體輻射源都經(jīng)過優(yōu)化以匹配UUT 的視場和光線軌跡。SES已經(jīng)開發(fā)出一種通用的激光校準(zhǔn)程序，確保UUT和黑體源在各種光學(xué)配置中的快速安放。為了滿足項(xiàng)目需求和適應(yīng)紅外傳感器技術(shù)發(fā)展，ASPS的能力將不斷提升［6］。

5 傳感器測試

SES能夠?yàn)榧t外成像導(dǎo)引頭提供組件級和系統(tǒng)級的仿真測試，定量評定影響紅外傳感器性能的因素，進(jìn)而為新概念導(dǎo)引頭的設(shè)計(jì)和研制提供驗(yàn)證平臺。根據(jù)影響傳感器性能的不同因素，測試工作可分為組件數(shù)學(xué)建模仿真、組件級測試和系統(tǒng)級測試等三大類。

數(shù)學(xué)建模仿真是根據(jù)組件本身具有的精確數(shù)學(xué)模型，結(jié)合組件設(shè)計(jì)或?qū)崪y數(shù)據(jù)對影響因素進(jìn)行定量評價(jià)。數(shù)學(xué)建模仿真涉及光譜透射反射、光譜輻射系數(shù)、采樣效率、光譜響應(yīng)特性等因素。這些因素相對獨(dú)立，對整個系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)比較固定，往往不需要進(jìn)行額外的測試。

組件級測試是針對沒有或者難以獲得精確數(shù)學(xué)模型的一類性能影響因素，對典型傳感器的測試數(shù)據(jù)獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行外推獲得傳感器系統(tǒng)的性能預(yù)測。涉及光學(xué)質(zhì)量、時(shí)間線性度、頻譜特性、吸收系數(shù)、均勻性、精度以及算法性能等因素。

系統(tǒng)級測試需要獲得大量的性能參數(shù)，它涉及光學(xué)均勻性、可操作性、閃爍效應(yīng)、探測器溢出、鬼像以及一些未知因素。整機(jī)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)往往只能提供傳感器性能邊界的數(shù)量級，準(zhǔn)確獲得傳感器模型還需要提供各個組件的實(shí)測數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確模型。根據(jù)傳感器應(yīng)用和測試的研究經(jīng)驗(yàn)，需要單獨(dú)測量的因素往往對系統(tǒng)性能具有重要影響［6］。

SES的測試樣本包括焦平面陣列、集成的杜瓦組件和整個傳感器系統(tǒng)。測定測試樣本性能的影響因素，有助于理解系統(tǒng)的臨界性能并指導(dǎo)后續(xù)的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。典型的性能改進(jìn)包括穩(wěn)健的定標(biāo)，非均勻校正程序，圖像增強(qiáng)算法，以及涉及遮光、熱隔離等方面的硬件升級。對于焦平面陣列和集成的杜瓦組件的測試，需要設(shè)計(jì)新的光學(xué)系統(tǒng)，以適應(yīng)CSPS和ASPS的組件測試。已經(jīng)成功地進(jìn)行定量評定的測試樣本包括標(biāo)準(zhǔn)-3 單色導(dǎo)引頭和THAAD 攔截彈。SES 通過測試標(biāo)準(zhǔn)-3紅外焦平面陣列的譜帶特性和參考電壓漂移，驗(yàn)證導(dǎo)引頭圖像處理方法，并向合同商Raytheon公司進(jìn)行了技術(shù)轉(zhuǎn)讓，用于標(biāo)準(zhǔn)-3 攔截彈改進(jìn)型。在對THAAD 的焦平面陣列測試中，發(fā)現(xiàn)探測器的非線性限制了傳感器精度極限。

除了紅外導(dǎo)引頭性能測試外，SES還支持先進(jìn)信號處理器測試。CASP是林肯實(shí)驗(yàn)室使用商業(yè)設(shè)備開發(fā)的一套具有實(shí)時(shí)的信號處理能力的驗(yàn)證平臺，可獲取導(dǎo)引頭輸出［6］。SES為CASP 提供一個終端到終端的測試途徑。將信號處理器放置在導(dǎo)引頭和CSPS投影系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)，就能夠?qū)崟r(shí)驗(yàn)證信號處理模塊的性能。

6 結(jié)束語

經(jīng)過多年的發(fā)展，SES已經(jīng)從一個標(biāo)準(zhǔn)桌面測試系統(tǒng)發(fā)展成為涵蓋完整的低溫到常溫動態(tài)場景生成的測試設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)進(jìn)行組件級和系統(tǒng)級的研制和試驗(yàn)。近年來的發(fā)展重點(diǎn)是復(fù)雜對象的室溫和低溫場景投影系統(tǒng)，以及導(dǎo)引頭信號處理結(jié)構(gòu)定量評定方法。SES將涵蓋雙色低溫動態(tài)場景投影，以支持復(fù)雜導(dǎo)引頭特性研究和算法驗(yàn)證。

SES的研發(fā)路徑及應(yīng)用前景，值得關(guān)注，以求提高我國紅外導(dǎo)引頭測試水平，為完善紅外導(dǎo)引頭的功能特性、拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

［1］ A.G.Hayes，G.Downs，A.Gabrielson，etc.The Seeker Experimental System at MIT Lincoln Laboratory［J］.Proceedings of SPIE，2006，6208：9-20.

［2］ M.Thomas，D.Newman，M.Froli，etc.Nonuniformity Correction of Cryogenic 512 Emitter Arrays：The 5 Minute 5% NUC Using FIESTA［J］.Proceedings of SPIE，2001，4366：465-474.

［3］ A.G.Hayes，F(xiàn).J.Caraco，D.C.Harrison，etc.Characterization and Comparison of 128×128Element Nuclear Optical Dynamic Display System（NODDS）Resistive Arrays［J］.Proceedings of SPIE，2006，6208：31-73.

［4］ K.Edwards，W.Kornegay.Measurements，Phenomenology，and Discrimination［J］.Lincoln Laboratory Journal，2002，13（1）：75-108.

［5］ D.R.Crow.Composite Hardbody and Missile Plume（CHAMP 98）IR Scene Generation Program［J］.Proceedings of SPIE，1998，3368：256-268.

［6］ D.Rabinkin，E.Rutledge，P.Monticciolo.Missile Signal Processing Common Computer Architecture for Rapid Technology Upgrade［J］.Proceedings of SPIE，2004，5559：131-145.