張 洋

(江蘇金陵機(jī)械制造總廠，南京 211100)

0 引言

機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)采用紅外波段進(jìn)行熱源目標(biāo)探測(cè)和激光測(cè)距，是利用目標(biāo)和背景之間的溫差進(jìn)行目標(biāo)搜索、識(shí)別、跟蹤和定位的光電探測(cè)系統(tǒng)。紅外靈敏度作為考核機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)目標(biāo)作用距離的重要指標(biāo)，其外場(chǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)估可通過(guò)載機(jī)在飛行狀態(tài)下對(duì)特定作戰(zhàn)目標(biāo)(如飛行器、地面裝甲、海面艦艇等紅外熱源)進(jìn)行實(shí)測(cè)的方式來(lái)完成[1-2]。為了在內(nèi)場(chǎng)條件下更直觀、實(shí)時(shí)、高效地檢測(cè)光電系統(tǒng)作用距離等戰(zhàn)技指標(biāo)和性能參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套可控可測(cè)的紅外輻照度模擬目標(biāo)源及配套電氣控制設(shè)備，用于光電系統(tǒng)紅外靈敏度的定量測(cè)試。

1 紅外靈敏度測(cè)試總體方案

1.1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

紅外靈敏度測(cè)試系統(tǒng)主要包括黑體及溫控系統(tǒng)、光闌、光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、紅外衰減器、精密測(cè)溫儀、固定及光學(xué)零位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、穩(wěn)壓電源和主控計(jì)算機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)紅外靈敏度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在內(nèi)場(chǎng)的條件下，將紅外目標(biāo)模擬器(如圖2所示)固定掛裝在光電系統(tǒng)整流罩外側(cè)，控制環(huán)境溫度為20 ℃±5 ℃，相對(duì)濕度為30%～80%，設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)黑體溫度、光闌孔徑、衰減器遮擋片位置，以模擬遠(yuǎn)距離紅外目標(biāo)輻射投射入光電系統(tǒng)。待黑體溫度穩(wěn)定后，精密測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)黑體真實(shí)溫度、背景環(huán)境溫度，并將溫差值送至主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)溫差變化值、光闌孔徑直徑、衰減器衰減系數(shù)控制目標(biāo)模擬器投射標(biāo)定的紅外輻照度。紅外輻照量在滿足光電系統(tǒng)搜索狀態(tài)下的目標(biāo)探測(cè)靈敏度和跟蹤狀態(tài)下的目標(biāo)跟蹤靈敏度條件下，光電系統(tǒng)對(duì)模擬目標(biāo)源進(jìn)行截獲跟蹤，并保持紅外光學(xué)瞄準(zhǔn)線指向測(cè)試系統(tǒng)光學(xué)零位。

圖2 紅外目標(biāo)模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 黑體設(shè)計(jì)

1.2.1 黑體腔體發(fā)射率計(jì)算

按照經(jīng)典發(fā)射率計(jì)算黑體腔體發(fā)射率為

(1)

式中：ε0為腔內(nèi)壁材料的發(fā)射率；S為腔內(nèi)壁面積(包括開(kāi)孔面積)；ΔS為開(kāi)口面積；ΔΩ為黑體開(kāi)孔面積ΔS所對(duì)應(yīng)的立體角。

黑體的腔型設(shè)計(jì)為圓柱和圓錐的結(jié)合體，圓柱腔長(zhǎng)度40 mm，圓柱直徑20 mm，圓錐角度50°，圓錐高度18.6 mm，圓錐開(kāi)口直徑10 mm。黑體腔內(nèi)壁面積S為圓錐體側(cè)面、圓柱體側(cè)面和前圓環(huán)面之和，計(jì)算S為3 306.8 mm2，黑體腔開(kāi)口面積ΔS為78.54 mm2，ΔS/S=23.75×10-3，黑體開(kāi)孔面積ΔS所對(duì)應(yīng)的立體角ΔΩ=ΔS/腔長(zhǎng)2=2.29×10-2sr。

選擇的鋁制腔體在氧化發(fā)黑后的紅外波段發(fā)射率ε0最低為0.78，計(jì)算得到黑體腔體發(fā)射率ε為0.997，超過(guò)了測(cè)試系統(tǒng)要求的發(fā)射率量值0.992，基本達(dá)到了常溫黑體發(fā)射率接近于1且受其腔體材料特性影響較小的要求。

1.2.2 黑體加熱功率設(shè)計(jì)

黑體熱功率設(shè)計(jì)采用電加熱條加熱黑體腔方式，黑體絕熱設(shè)計(jì)采用高檔保溫氈、絕緣保溫布、保溫膠合板等隔熱措施，由于熱絕緣、熱屏蔽措施得當(dāng)，黑體基本只能以光輻射形式從輻射出口向外散熱，黑體在高溫點(diǎn)向外輻射的光功率為

(2)

式中:ε為黑體腔體發(fā)射率，取值0.997；σ為5.67×10-12W/(cm2·K4)；TBB為黑體溫度，取值(100+273) K；TAtm為環(huán)境溫度，取值(20+273) K；Sφ為黑體輻射口面積，取值(3.14×1) cm2。將數(shù)值代入式(2)得到黑體在高溫點(diǎn)向外輻射的光功率為PBB=0.213 W。

因此，黑體輻射口的熱輻射可忽略不計(jì)，黑體尾部面積為3.14×13.42cm2，其散熱量為38 W。

黑體升溫速率快則容易超調(diào)，升溫速度適中則容易實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定，首先估算升溫速率需要的電加熱功率為

(3)

式中：m為腔體質(zhì)量(單位kg)；CAl為鋁的比熱，鋁的比熱容為0.88×103J/(kg·℃)；T2-T1為黑體溫度從T1加熱到T2的溫差，單位為℃；Δt為黑體溫度從T1加熱到T2所用時(shí)間，單位為min。根據(jù)升溫速率，計(jì)算黑體需要的電加熱功率為

(4)

根據(jù)式(4)計(jì)算黑體加熱功率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同升溫速率下黑體加熱功率表

1.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，紅外目標(biāo)模擬器總長(zhǎng)度不允許超過(guò)1500 mm，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距不小于1500 mm，因此,紅外準(zhǔn)直光管不能采用透射式系統(tǒng)，只能采用結(jié)構(gòu)緊湊的反射式光學(xué)系統(tǒng)。常用的光學(xué)反射式有離軸拋物系統(tǒng)和卡賽格林系統(tǒng)，而在同樣焦距的光路下,卡賽格林系統(tǒng)具有總長(zhǎng)度更短、無(wú)色差、容易裝調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。本文采用卡賽格林式光學(xué)系統(tǒng)，使用Code-V軟件設(shè)計(jì)光學(xué)結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，其中,主鏡口徑164 mm，次鏡口徑65 mm，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的像差、彌散斑等進(jìn)行嚴(yán)格控制，以減少像差對(duì)準(zhǔn)直光路的影響。

圖3 紅外準(zhǔn)直光管光學(xué)結(jié)構(gòu)

1.4 光闌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 光闌孔徑測(cè)算

由普朗克黑體輻射定律計(jì)算黑體光譜輻出度[3]為

(5)

式中：Wb為黑體的光譜輻出度；λ為波長(zhǎng)；T為黑體溫度；h為普朗克常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；c為真空中的光速。

黑體使用面源黑體，且為朗伯黑體源，對(duì)紅外波段λ1～λ2區(qū)域積分，得到黑體的輻射亮度[4-7]為

(6)

式中：Lb為黑體的輻射亮度；c1為第一輻射常數(shù)，即c1=2hc2；c2為第二輻射常數(shù),即c2=hc/k。則紅外目標(biāo)模擬器輻射的紅外輻照度為

(7)

式中：E為紅外目標(biāo)模擬器輻射到光電系統(tǒng)的紅外輻照度；f為光管焦距;S′為黑體出瞳光闌面積。

在光管焦距為1500 mm，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)反射率為82%，3 m行程的大氣透過(guò)率為97%，紅外輻照度下限值為1.2×10-10W/cm2，紅外輻照度上限值為4.0×10-10W/cm2，背景溫度為20 ℃條件下，根據(jù)式(7)測(cè)算光闌直徑，結(jié)果如表2所示[8]。

表2 光闌孔徑與目標(biāo)紅外輻射特性對(duì)應(yīng)關(guān)系表

1.4.2 模擬被探測(cè)/跟蹤目標(biāo)的光闌孔徑尺寸

測(cè)試系統(tǒng)光闌盤(pán)裝載6個(gè)圓孔光闌，光闌準(zhǔn)確定位在紅外準(zhǔn)直光管焦面上。光闌作為黑體輻射口徑，決定著紅外目標(biāo)模擬器輸出的紅外輻射功率，也直接影響光電系統(tǒng)接收到的紅外輻照度量值。以目標(biāo)迎頭面積3.50 m×3.50 m，對(duì)角長(zhǎng)度4.95 m，在5 km高空，距離5～100 km的不同探測(cè)、跟蹤距離下，測(cè)算得到光闌直徑如表3所示[9-10]。

表3 光闌孔徑與模擬目標(biāo)作用距離對(duì)應(yīng)關(guān)系表

1.5 紅外衰減系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外輻照度衰減器(如圖4所示)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿兩段為正/反螺紋。螺桿正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，衰減器兩扇遮光門(mén)向兩側(cè)分開(kāi)，通光面積增大，衰減比減小；螺桿反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，衰減器兩扇遮光門(mén)向中心匯合，通光面積減小，衰減比增大。衰減器的限位采用紅外光電開(kāi)關(guān)，以保證精度和可靠性。衰減器步進(jìn)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角為1.8°，螺桿的螺距為1 mm，從而使衰減器的張開(kāi)寬度最小增量?jī)H為0.01 mm，可保證衰減器的衰減精度要求。

圖4 紅外輻照度衰減器外形結(jié)構(gòu)

紅外衰減器的控制包括電動(dòng)、手動(dòng)兩種方式，安裝位置在紅外目標(biāo)模擬器的出光口，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)衰減器的遮擋片以一定步長(zhǎng)遮擋光路，最終實(shí)現(xiàn)紅外目標(biāo)輻照度的衰減，衰減量值范圍為69.39%～100%，衰減步長(zhǎng)為0.2%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選擇不同光闌孔徑移入光路，將黑體溫度調(diào)節(jié)至100 ℃，紅外衰減器處于完全打開(kāi)狀態(tài)(寬度96 mm)，利用精密測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)背景及黑體溫度，通過(guò)黑體溫控儀精確控制紅外熱源和背景溫差，使用紅外輻照計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量到達(dá)光電系統(tǒng)光學(xué)窗口的紅外輻照度，得出測(cè)試系統(tǒng)在不同光闌直徑和不同黑體發(fā)射光譜范圍內(nèi)輸出的紅外輻射照度(如表4所示)。

表4 不同光闌(模擬作用距離)對(duì)應(yīng)紅外輻照度標(biāo)定表

結(jié)合光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍，通過(guò)增大或減小表4中測(cè)試系統(tǒng)光闌直徑，使光電系統(tǒng)能夠有效探測(cè)和穩(wěn)定跟蹤紅外模擬目標(biāo)源。保持選擇的光闌孔徑，逐漸增加紅外衰減器的衰減比，直至光電系統(tǒng)剛好能夠響應(yīng)目標(biāo)截獲及搜索，此時(shí),衰減器的調(diào)節(jié)位置和孔徑光闌對(duì)應(yīng)的紅外輻照度即光電系統(tǒng)紅外靈敏度的臨界值，紅外輻射照度即被測(cè)光電系統(tǒng)的紅外靈敏度。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的紅外靈敏度測(cè)試系統(tǒng)可在內(nèi)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)多光譜光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的目標(biāo)作用距離進(jìn)行量化測(cè)試，可實(shí)時(shí)檢驗(yàn)、考核光電系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度、跟蹤靈敏度等戰(zhàn)績(jī)指標(biāo)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠有效模擬中遠(yuǎn)距離紅外熱源目標(biāo)，系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電氣控制信號(hào)不失真，工程應(yīng)用效果良好，對(duì)紅外搜索跟蹤類(lèi)光電探測(cè)系統(tǒng)的模擬目標(biāo)源設(shè)計(jì)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。