機載光電瞄準系統(tǒng)紅外靈敏度測試技術(shù)

張 洋

(江蘇金陵機械制造總廠，南京 211100)

0 引言

機載光電瞄準系統(tǒng)采用紅外波段進行熱源目標探測和激光測距，是利用目標和背景之間的溫差進行目標搜索、識別、跟蹤和定位的光電探測系統(tǒng)。紅外靈敏度作為考核機載光電瞄準系統(tǒng)目標作用距離的重要指標，其外場動態(tài)評估可通過載機在飛行狀態(tài)下對特定作戰(zhàn)目標(如飛行器、地面裝甲、海面艦艇等紅外熱源)進行實測的方式來完成[1-2]。為了在內(nèi)場條件下更直觀、實時、高效地檢測光電系統(tǒng)作用距離等戰(zhàn)技指標和性能參數(shù)，本文設(shè)計了一套可控可測的紅外輻照度模擬目標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試。

1 紅外靈敏度測試總體方案

1.1 測試系統(tǒng)設(shè)計原理

紅外靈敏度測試系統(tǒng)主要包括黑體及溫控系統(tǒng)、光闌、光學(xué)準直系統(tǒng)、紅外衰減器、精密測溫儀、固定及光學(xué)零位調(diào)節(jié)機構(gòu)、穩(wěn)壓電源和主控計算機，測試系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 機載光電瞄準系統(tǒng)紅外靈敏度測試系統(tǒng)設(shè)計原理

在內(nèi)場的條件下，將紅外目標模擬器(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 ℃，相對濕度為30%～80%，設(shè)置測試系統(tǒng)黑體溫度、光闌孔徑、衰減器遮擋片位置，以模擬遠距離紅外目標輻射投射入光電系統(tǒng)。待黑體溫度穩(wěn)定后，精密測溫儀監(jiān)測黑體真實溫度、背景環(huán)境溫度，并將溫差值送至主控計算機，計算機系統(tǒng)根據(jù)溫差變化值、光闌孔徑直徑、衰減器衰減系數(shù)控制目標模擬器投射標定的紅外輻照度。紅外輻照量在滿足光電系統(tǒng)搜索狀態(tài)下的目標探測靈敏度和跟蹤狀態(tài)下的目標跟蹤靈敏度條件下，光電系統(tǒng)對模擬目標源進行截獲跟蹤，并保持紅外光學(xué)瞄準線指向測試系統(tǒng)光學(xué)零位。

圖2 紅外目標模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 黑體設(shè)計

1.2.1 黑體腔體發(fā)射率計算

按照經(jīng)典發(fā)射率計算黑體腔體發(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(包括開孔面積)；ΔS為開口面積；ΔΩ為黑體開孔面積ΔS所對應(yīng)的立體角。

黑體的腔型設(shè)計為圓柱和圓錐的結(jié)合體，圓柱腔長度40 mm，圓柱直徑20 mm，圓錐角度50°，圓錐高度18.6 mm，圓錐開口直徑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，計算S為3 306.8 mm2，黑體腔開口面積ΔS為78.54 mm2，ΔS/S=23.75×10-3，黑體開孔面積ΔS所對應(yīng)的立體角ΔΩ=ΔS/腔長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，計算得到黑體腔體發(fā)射率ε為0.997，超過了測試系統(tǒng)要求的發(fā)射率量值0.992，基本達到了常溫黑體發(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

黑體熱功率設(shè)計采用電加熱條加熱黑體腔方式，黑體絕熱設(shè)計采用高檔保溫氈、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，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所用時間，單位為min。根據(jù)升溫速率，計算黑體需要的電加熱功率為

(4)

根據(jù)式(4)計算黑體加熱功率，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

按照光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，紅外目標模擬器總長度不允許超過1500 mm，光學(xué)準直系統(tǒng)焦距不小于1500 mm，因此,紅外準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)具有總長度更短、無色差、容易裝調(diào)等優(yōu)點。本文采用卡賽格林式光學(xué)系統(tǒng)，使用Code-V軟件設(shè)計光學(xué)結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，其中,主鏡口徑164 mm，次鏡口徑65 mm，同時對系統(tǒng)的像差、彌散斑等進行嚴格控制，以減少像差對準直光路的影響。

圖3 紅外準直光管光學(xué)結(jié)構(gòu)

1.4 光闌系統(tǒng)設(shè)計

1.4.1 光闌孔徑測算

由普朗克黑體輻射定律計算黑體光譜輻出度[3]為

(5)

式中：Wb為黑體的光譜輻出度；λ為波長；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。則紅外目標模擬器輻射的紅外輻照度為

(7)

式中：E為紅外目標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)準直系統(tǒng)反射率為82%，3 m行程的大氣透過率為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)測算光闌直徑，結(jié)果如表2所示[8]。

表2 光闌孔徑與目標紅外輻射特性對應(yīng)關(guān)系表

1.4.2 模擬被探測/跟蹤目標的光闌孔徑尺寸

測試系統(tǒng)光闌盤裝載6個圓孔光闌，光闌準確定位在紅外準直光管焦面上。光闌作為黑體輻射口徑，決定著紅外目標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。以目標迎頭面積3.50 m×3.50 m，對角長度4.95 m，在5 km高空，距離5～100 km的不同探測、跟蹤距離下，測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作用距離對應(yīng)關(guān)系表

1.5 紅外衰減系統(tǒng)設(shè)計

紅外輻照度衰減器(如圖4所示)采用步進電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿兩段為正/反螺紋。螺桿正向旋轉(zhuǎn)時，衰減器兩扇遮光門向兩側(cè)分開，通光面積增大，衰減比減小；螺桿反向旋轉(zhuǎn)時，衰減器兩扇遮光門向中心匯合，通光面積減小，衰減比增大。衰減器的限位采用紅外光電開關(guān)，以保證精度和可靠性。衰減器步進電機的最小轉(zhuǎn)角為1.8°，螺桿的螺距為1 mm，從而使衰減器的張開寬度最小增量僅為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、手動兩種方式，安裝位置在紅外目標模擬器的出光口，步進電機帶動衰減器的遮擋片以一定步長遮擋光路，最終實現(xiàn)紅外目標輻照度的衰減，衰減量值范圍為69.39%～100%，衰減步長為0.2%。

2 實驗結(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狀態(tài)(寬度96 mm)，利用精密測溫儀實時監(jiān)測背景及黑體溫度，通過黑體溫控儀精確控制紅外熱源和背景溫差，使用紅外輻照計實時測量到達光電系統(tǒng)光學(xué)窗口的紅外輻照度，得出測試系統(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)對應(yīng)紅外輻照度標定表

結(jié)合光電瞄準系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍，通過增大或減小表4中測試系統(tǒng)光闌直徑，使光電系統(tǒng)能夠有效探測和穩(wěn)定跟蹤紅外模擬目標源。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)目標截獲及搜索，此時,衰減器的調(diào)節(jié)位置和孔徑光闌對應(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光電系統(tǒng)的紅外靈敏度。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的紅外靈敏度測試系統(tǒng)可在內(nèi)場環(huán)境下對多光譜光電瞄準系統(tǒng)的目標作用距離進行量化測試，可實時檢驗、考核光電系統(tǒng)的探測靈敏度、跟蹤靈敏度等戰(zhàn)績指標。經(jīng)測試驗證，該系統(tǒng)能夠有效模擬中遠距離紅外熱源目標，系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電氣控制信號不失真，工程應(yīng)用效果良好，對紅外搜索跟蹤類光電探測系統(tǒng)的模擬目標源設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。