某型紅外光學(xué)導(dǎo)引系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

張宇飛 李文豪 王東振

摘要：為增強(qiáng)某型紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾性能，進(jìn)一步解決修理過程中備件不足及與國產(chǎn)化器件的性能匹配問題，在保持該型系統(tǒng)氣動(dòng)外形不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款紅外成像系統(tǒng)，理論上可以實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)源制導(dǎo)方式到成像制導(dǎo)方式的改變。該系統(tǒng)采用3片透射式結(jié)構(gòu)，工作波段3～5μm，瞬時(shí)視場角±3.5°。系統(tǒng)長度符合原系統(tǒng)空間及大旋轉(zhuǎn)角（≥60°）的要求，在空間頻率20lp/mm處的調(diào)制傳遞函數(shù)值大于0.7，并具備100%冷光闌效率，可滿足實(shí)際成像需求。

關(guān)鍵詞：紅外制導(dǎo)武器；紅外成像制導(dǎo)；光學(xué)設(shè)計(jì)

Keywords：infrared-guided weapon；infrared imaging guidance；optical design

0 引言

紅外制導(dǎo)武器的制導(dǎo)方式主要分為點(diǎn)源尋的制導(dǎo)和熱成像制導(dǎo)，這兩種方式都是利用制導(dǎo)武器中的光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測系統(tǒng)接收空間目標(biāo)的紅外輻射并轉(zhuǎn)換為電流電壓信號(hào)，使導(dǎo)彈完成搜索、截獲、攻擊目標(biāo)的工作。兩種制導(dǎo)方式的區(qū)別在于：點(diǎn)源尋的制導(dǎo)方式是將空間景物當(dāng)作點(diǎn)光源，通過特定幾何結(jié)構(gòu)（調(diào)制盤圖樣或多元探測器）對紅外信號(hào)進(jìn)行空間調(diào)制，從而識(shí)別目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)跟蹤打擊；熱成像制導(dǎo)則是將空間景物當(dāng)作面輻射源，利用背景與目標(biāo)之間及目標(biāo)本身不同位置的溫度差別，在凝視焦平面探測器（FPA）上形成具有明顯強(qiáng)弱對比的圖像，直觀顯示目標(biāo)與背景。

點(diǎn)源尋的制導(dǎo)武器大多采用調(diào)制盤或多元探測器處理紅外輻射信息，調(diào)制后的電信號(hào)需經(jīng)后續(xù)多種電路處理判斷，目標(biāo)識(shí)別過程中不易排除張角較小的空天背景和點(diǎn)源紅外干擾影響，容易被曳光彈、紅外誘餌和紅外激光干擾系統(tǒng)等誘惑而偏離甚至丟失目標(biāo)，區(qū)分多個(gè)目標(biāo)的能力較弱。熱成像制導(dǎo)不僅能在紅外圖像上分辨目標(biāo)與背景，甚至可以顯示目標(biāo)輪廓，有力克服了點(diǎn)源制導(dǎo)的不足，大大提高了抗干擾性能。目前，國內(nèi)外紅外制導(dǎo)武器的研究焦點(diǎn)與設(shè)計(jì)理念已向成像制導(dǎo)方式靠攏，這也是未來紅外制導(dǎo)武器發(fā)展的大方向[1，2]。

1 某型紅外制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)性能分析

某型紅外制導(dǎo)系統(tǒng)為點(diǎn)源尋的方式，其光學(xué)結(jié)構(gòu)較為簡單，原理如圖1所示，系統(tǒng)采用卡塞格林雙反鏡結(jié)構(gòu)，主反射鏡為凹形球面鏡，次反射鏡為平面鏡，且相對光軸有微小傾斜角，之后有1片會(huì)聚透鏡和“L”型二元探測器。系統(tǒng)工作時(shí)，陀螺電機(jī)帶動(dòng)次反射鏡高速旋轉(zhuǎn)，光學(xué)系統(tǒng)在保持定軸性的同時(shí)，會(huì)聚光點(diǎn)偏離光軸，并在探測器上形成掃描圓。當(dāng)跟蹤目標(biāo)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)通過電機(jī)跟蹤平臺(tái)帶動(dòng)，圍繞整流罩球心作大角度同心轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過測繪與仿真，該光學(xué)系統(tǒng)的光束遮攔比高達(dá)70%，且具有瞬時(shí)視場角小（≤2°）、大像差（中心光斑直徑≥400μm）和較大的能量損失，在多次抗干擾試驗(yàn)與實(shí)際演練中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空間同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)紅外信號(hào)，其中包括人工投放的紅外誘餌彈和激光定向干擾信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)對目標(biāo)的截獲、跟蹤性能大大降低，其抗干擾算法的優(yōu)勢在復(fù)雜環(huán)境中逐漸喪失。另外，隨著服役時(shí)間增加，系統(tǒng)暴露出各種故障問題，如諸多構(gòu)造獨(dú)特的組件、零部件損壞，使得維修中必須通過國產(chǎn)化定制或購買原備件進(jìn)行更換，由此帶來的組件性能匹配問題和采購周期長、成本高等問題嚴(yán)重影響了系統(tǒng)后期的維護(hù)使用。

針對以上難題，通過改變光學(xué)系統(tǒng)的制導(dǎo)方式，將點(diǎn)源制導(dǎo)改為成像制導(dǎo)，理論上可以大幅提高系統(tǒng)抗干擾性能，同時(shí)還能解決原備件不足和個(gè)別器件國產(chǎn)化引起的性能匹配問題。另外，該紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)在同類產(chǎn)品中設(shè)計(jì)較為獨(dú)特，使系統(tǒng)整體在使用時(shí)具有很大優(yōu)勢，但由于原制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能較差，直接用于成像是不可取的。本文旨在不改變系統(tǒng)氣動(dòng)外形的前提下，充分考慮大旋轉(zhuǎn)角（≥60°）性能，重新設(shè)計(jì)一款成像光學(xué)系統(tǒng)，研究紅外成像制導(dǎo)在該導(dǎo)引系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，從而進(jìn)一步提高該型紅外系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 設(shè)計(jì)要求及指標(biāo)

本文的目標(biāo)是將點(diǎn)源制導(dǎo)方式改為熱成像制導(dǎo)方式，在不改變系統(tǒng)外形尺寸的前提下，主要考慮系統(tǒng)以下幾方面參數(shù)的變化：

1）合適的視場角范圍，提高紅外圖像對比度；

2）設(shè)定有效通光孔徑，提高像面照度與像質(zhì)；

3）透鏡數(shù)量不宜過多，通過面型變化和材料色散校正像差。

目前，常用于紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)有反射式、透射式、折反射式。三種形式各有優(yōu)缺點(diǎn)：反射式系統(tǒng)具有無色差、無熱差、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，但視場小，一般成像系統(tǒng)不采用此類結(jié)構(gòu)；折反射式系統(tǒng)視場可適當(dāng)擴(kuò)大，系統(tǒng)長度也能相對縮短，但存在中心遮攔，降低了光通量和像質(zhì)需求，且在引入透射元件后帶來色差和熱差，增加了安裝和校準(zhǔn)的難度；透射式系統(tǒng)光路沒有中心遮攔，可獲得較高的通光效率，且可以通過選擇合適材料加工非球面，消除色差熱差，增大視場，提高像質(zhì)，但系統(tǒng)長度相對較長。

基于改進(jìn)要求，結(jié)合三種成像方式優(yōu)缺點(diǎn)，透射式結(jié)構(gòu)是較為合適的選擇。由于原位標(biāo)器具有大轉(zhuǎn)角的性能要求，新系統(tǒng)的長度不能超過整流罩外徑53mm，這樣才有能保證加裝制冷探測器后光學(xué)系統(tǒng)的擺動(dòng)角幅度≥60°。綜上，制定如表1所示的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析

根據(jù)上述設(shè)定參數(shù)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[3]，并考慮中波光學(xué)系統(tǒng)中熱效應(yīng)帶來的雜光影響，設(shè)計(jì)時(shí)將光闌位置定于制冷探測器前方冷屏處（約探測面前方10mm處），即將探測器冷屏作為光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌，使系統(tǒng)具有100%冷光闌效率。由于制導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部空間尺寸有嚴(yán)格限制，透射結(jié)構(gòu)只能采用一次成像方式。

該光學(xué)系統(tǒng)由3片透鏡構(gòu)成，材料為常用的鍺、硅[4，5]，除整流罩保留原有材料與面型尺寸外，光學(xué)鏡片的第一面、第六面透鏡采用非球面。光學(xué)系統(tǒng)（含整流罩）長度45mm，通光孔徑25mm，焦距33.4mm，像面直徑4.0mm，外形尺寸滿足要求，理論上可實(shí)現(xiàn)±90°大幅度擺動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖3所示為光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖，通過光線追跡得到的艾利斑半徑為6.46μm，不同視場角度光斑的均方根（RMS）半徑均小于系統(tǒng)艾里斑直徑，說明系統(tǒng)性能已達(dá)到衍射極限。

圖4所示為成像系統(tǒng)徑向能量分布曲線。從光斑能量集中角度衡量，圓圍能量曲線在25μm（1個(gè)像元）處包含了光斑95%以上的能量，與點(diǎn)列圖顯示的幾何光斑尺寸相當(dāng)，說明與探測器匹配良好。

光學(xué)傳遞函數(shù)是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)劣的較為客觀、全面的指標(biāo)。圖5所示為光學(xué)系統(tǒng)像調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線，縱坐標(biāo)為傳遞函數(shù)值，橫坐標(biāo)為空間頻率。按照探測器的指標(biāo)要求，取空間頻率為20lp/mm，此時(shí)該系統(tǒng)的全視場MTF均大于0.7，其中在常溫環(huán)境中，系統(tǒng)MTF值達(dá)到衍射極限；在高低溫的極限溫度情況下，系統(tǒng)MTF值有所下降，但也滿足高質(zhì)量成像要求，說明光學(xué)透鏡選材和面型合適，環(huán)境溫度變化引起的像差在可接受范圍內(nèi)。

像面畸變雖然不影響畫面分辨率，但會(huì)使圖像中某些景物變形，影響后期的圖像識(shí)別，因此在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮圖像在邊緣視場的畸變情況。在該紅外成像系統(tǒng)中，瞬時(shí)視場角為±3.5°，通過系統(tǒng)仿真計(jì)算（計(jì)算結(jié)果見圖6），在極限高低溫情況下，系統(tǒng)邊緣視場的畸變量均不超過0.02%，說明系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果良好，邊緣視場的畸變可忽略，沒有對圖像識(shí)別帶來影響。

圖7所示為空天背景中的飛機(jī)目標(biāo)通過紅外系統(tǒng)成像后的模擬灰度圖像。圖像顯示清晰，對原目標(biāo)還原度較高，邊緣視場也未見明顯變形或模糊，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果可行。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于系統(tǒng)內(nèi)部空間長度嚴(yán)格受限，將折反式點(diǎn)源制導(dǎo)改變?yōu)橥干涫匠上裰茖?dǎo)方式時(shí)需滿足光機(jī)系統(tǒng)大角度（≥60°）擺動(dòng)要求。利用非球面鏡所具有的有效減小像差和縮短系統(tǒng)長度的優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了上述問題。與原光學(xué)系統(tǒng)相比，透射式系統(tǒng)無中心遮攔，有效提高了像面照度與像質(zhì)；視場角擴(kuò)大至±3.5°，可收集更多空天背景輻射，這些輻射在像面上作為基頻信息，加強(qiáng)了與目標(biāo)信息的對比，且不至于視場過大而干擾過多；在材料與面型上，該系統(tǒng)使用了3片透鏡，2個(gè)面采用非球面，并將孔徑設(shè)置在冷屏上，材料選用廉價(jià)的鍺和硅，裝調(diào)難度小，且具有100%冷光闌效率。各項(xiàng)性能參數(shù)均表明，該系統(tǒng)可用于某型紅外制導(dǎo)系統(tǒng)，理論上實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)源制導(dǎo)向熱成像制導(dǎo)方式的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)

[1] 張紅梅.紅外制導(dǎo)系統(tǒng)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015：15-57.

[2] 葉本志，蔡希昌，邱娜.紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展[J].紅外與激光工程， 2007，36（z2）：39-42.

[3] 丁學(xué)專，王欣，楊波.熱紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)[C]//小衛(wèi)星技術(shù)交流會(huì).2011.

[4] 張龍，陳雷，范有余.中紅外玻璃材料發(fā)展及前沿應(yīng)用[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（9）.

[5] 張以謨.應(yīng)用光學(xué)（第4版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：466-476.

作者簡介

張宇飛，助理工程師，研究方向?yàn)榧t外制導(dǎo)系統(tǒng)與裝備維修。