非制冷型640×512面陣紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫愛平，龔楊云，浦恩昌，李澤民，雷旭峰

非制冷型640×512面陣紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫愛平，龔楊云，浦恩昌，李澤民，雷旭峰

（北方夜視科技研究院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650223）

為了增大視場角、提高探測距離，本文設(shè)計(jì)了一款采用640×512面陣非制冷機(jī)芯的紅外成像導(dǎo)引頭。首先分析了紅外成像導(dǎo)引頭多種結(jié)構(gòu)型式，結(jié)合本文設(shè)計(jì)要求的特點(diǎn)，選擇了萬向支架式的結(jié)構(gòu)型式；其次對(duì)紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)優(yōu)化，并對(duì)框架角及盲區(qū)的滿足情況開展分析；最后以實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)情況，說明此紅外成像導(dǎo)引頭成像質(zhì)量良好，能滿足搜索、跟蹤目標(biāo)的要求。

導(dǎo)引頭；紅外；框架角；盲區(qū)

0 引言

現(xiàn)代導(dǎo)彈的制導(dǎo)模式多種多樣，具有單模、雙模和多模3種制導(dǎo)模式，每種制導(dǎo)模式主要使用雷達(dá)、毫米波、主動(dòng)/半主動(dòng)激光、電視、紅外等制導(dǎo)技術(shù)，各種制導(dǎo)技術(shù)根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)具有特定的使用范圍。紅外制導(dǎo)技術(shù)具有精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、能晝夜作戰(zhàn)，在精確制導(dǎo)武器中備受青睞[1]。紅外導(dǎo)引頭分為熱點(diǎn)式導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭[2]。紅外成像導(dǎo)引頭是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的關(guān)鍵部件之一，而紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)是紅外成像導(dǎo)引頭的“眼睛”[3]。紅外成像導(dǎo)引頭技術(shù)從單像元、線陣發(fā)展到面陣成像，其空間分辨率和抗干擾能力得到不斷提高[4-5]。

制冷型紅外探測器由于具有較高的靈敏度和較短的熱響應(yīng)時(shí)間，在早期的紅外成像導(dǎo)引頭中得到廣泛的應(yīng)用。隨著非制冷型紅外探測器制造技術(shù)的快速發(fā)展，熱響應(yīng)時(shí)間和靈敏度性能的不斷提升，非制冷型紅外探測器在紅外成像導(dǎo)引頭中逐漸得到應(yīng)用。非制冷型紅外成像導(dǎo)引頭由于摒棄了體積大、重量重且價(jià)格昂貴的制冷機(jī)，與制冷型紅外成像導(dǎo)引頭相比具有體積小、重量輕、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，可大大地減小導(dǎo)引頭的尺寸和重量，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引頭的小型化，并且已成為紅外成像導(dǎo)引頭的重要成員之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，非制冷型紅外成像導(dǎo)引頭已廣泛用于反坦克導(dǎo)彈、精確攻擊導(dǎo)彈、小直徑炸彈、反艦導(dǎo)彈等[6]。

基于以上分析，本文設(shè)計(jì)了一款適用于152mm中口徑彈徑的非制冷型、紅外導(dǎo)引頭的光學(xué)系統(tǒng)，并以仿真及試驗(yàn)結(jié)果說明此款紅外成像導(dǎo)引頭的性能。

1 紅外導(dǎo)引頭系統(tǒng)組成

紅外成像導(dǎo)引頭主要由位標(biāo)器及電子艙所組成，位標(biāo)器主要包含紅外成像組及伺服系統(tǒng)；電子艙主要包含伺服控制電路及圖像處理電路。根據(jù)紅外成像組與彈體耦合方式的不同，位標(biāo)器可分為捷聯(lián)式、萬向支架式及陀螺式。捷聯(lián)式位標(biāo)器的紅外成像組與彈體直接固定，不具備視場掃描能力；萬向支架式位標(biāo)器的紅外成像組固定在萬向支架上，可隨萬向支架轉(zhuǎn)動(dòng)形成掃描視場；陀螺式位標(biāo)器的紅外成像組全部或部分隨陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)形成掃描視場。捷聯(lián)式紅外成像導(dǎo)引頭不具備視場掃描能力，只能跟蹤固定大型目標(biāo)或者運(yùn)動(dòng)速度較慢的目標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制導(dǎo)精度低；萬向支架式紅外成像導(dǎo)引頭具備視場掃描能力，可跟蹤中速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、制導(dǎo)精度較高；陀螺式紅外成像導(dǎo)引頭也具備視場掃描能力，可跟蹤速度高的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、制導(dǎo)精度高。

成都鼎屹信息技術(shù)有限公司已經(jīng)開發(fā)出采用384×288非制冷型長波紅外機(jī)芯的萬向支架式紅外成像導(dǎo)引頭，此款導(dǎo)引頭在保證探測距離的條件下，瞬時(shí)視場比較小，需要輔助一定的框架角以提高搜索、跟蹤的視場范圍。紅外成像導(dǎo)引頭為了得到更遠(yuǎn)的探測距離、更大的瞬時(shí)視場，需要采用更長的光學(xué)焦距、更高分辨率的紅外機(jī)芯，例如常用的640×512非制冷型長波紅外機(jī)芯。

本文所設(shè)計(jì)的用于152mm中口徑彈徑紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)要求跟蹤移動(dòng)的中型坦克目標(biāo)，其速度中等，可選用萬向支架式的結(jié)構(gòu)型式，此結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜度中等，精度也能滿足要求，同時(shí)可降低制造的成本。

2 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

為了提高紅外成像導(dǎo)引頭的搜索、跟蹤距離及瞬時(shí)視場，本文采用640×512非制冷型長波紅外機(jī)芯；為了提高紅外成像導(dǎo)引頭的搜索、跟蹤能力，采取了萬向支架式的結(jié)構(gòu)型式。紅外成像導(dǎo)引頭著重于搜索、跟蹤遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，此目標(biāo)所成圖像為一個(gè)具有一定尺寸、一定對(duì)比度的熱點(diǎn)圖像。通過增大紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的有效口徑（減小光學(xué)系統(tǒng)的F/#），可增加接收的目標(biāo)輻射能量，增大目標(biāo)成像對(duì)比度及探測概率。640×512面陣、非制冷型紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.2 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)性能優(yōu)化分析

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)由整流罩及紅外成像組所組成。整流罩的面型大小及外形尺寸受紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性及框架角的大小所決定。整流罩材料選用透過率高、工藝性比較好的熱壓ZnS材料。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈在飛行過程中需要搜索、跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，紅外成像組在俯仰及偏航方向具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)角量。為了保證轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光學(xué)成像特性不變，則整流罩需要做成同心、等厚的球冠，并且使紅外成像組的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與整流罩的球心相重合。本文所設(shè)計(jì)的整流罩內(nèi)、外半徑分別為72mm、76mm，厚度為4mm，外徑為126mm。

表1 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈在發(fā)射前隨季節(jié)及地理位置的變化環(huán)境溫度變化較大，發(fā)射后飛行段彈體的溫度也會(huì)發(fā)生比較大的變化，工作溫度的變化使紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的焦面發(fā)生一定量的位移并且不易人為調(diào)節(jié)補(bǔ)償，造成成像模糊、不利于搜索、跟蹤，因此紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)需要進(jìn)行光學(xué)被動(dòng)式消熱差設(shè)計(jì)。

光學(xué)被動(dòng)式消熱差光學(xué)設(shè)計(jì)的基本原理在孫愛平[7]等相關(guān)論文中已有詳細(xì)論述。紅外成像組采取三片式設(shè)計(jì)型式，配合整流罩進(jìn)行像差優(yōu)化。在設(shè)計(jì)過程中加入衍射面，衍射光學(xué)元件其特殊的光學(xué)特性可單獨(dú)作為一種特殊的光學(xué)材料參與像差優(yōu)化。紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)選用線膨脹系數(shù)較小的Ge材料（＝5.8×10－6/K）、線膨脹系數(shù)較大的IG6材料（＝21.2×10－6/K）、整流罩熱壓ZnS材料（＝6.6×10－6/K）及衍射元件配合鏡筒Al材料（＝23.6×10－6/K）進(jìn)行光學(xué)被動(dòng)式消熱差設(shè)計(jì)。根據(jù)光學(xué)被動(dòng)式消熱差的基本原理，需要3種以上的紅外材料進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì)，本文采用3種光學(xué)材料及一種特殊的光學(xué)材料——衍射光學(xué)元件，足以滿足光學(xué)被動(dòng)式消熱差設(shè)計(jì)的要求。紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)為大孔徑光學(xué)系統(tǒng)（F/#＝0.9），相應(yīng)的孔徑像差比較難校正，它需要校正軸向球差、垂軸球差、軸向色差、垂軸色差、慧差、場曲、畸變7種像差及對(duì)應(yīng)的高級(jí)像差。由于紅外材料比較昂貴，在設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循使用最少透鏡的原則。本文4個(gè)透鏡所提供的變量不足以校正7種像差及對(duì)應(yīng)的高級(jí)像差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)加入非球面以增加變量個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)比較好的像差校正效果。

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的衍射元件為基諾衍射光學(xué)元件，此衍射面理論上可放置在除球罩外的任何表面上，經(jīng)過光學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果比對(duì)，衍射面放置在第一透鏡的第二表面上，像質(zhì)效果最優(yōu)。

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)衍射面的基底面型為偶次非球面，對(duì)應(yīng)衍射效率計(jì)算公式如下：

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)衍射面衍射級(jí)次為第一級(jí)（＝1），中心波長為9.6mm，基底材料為IRG206（對(duì)應(yīng)9.6mm波長的折射率為2.77908），對(duì)應(yīng)刻蝕深度計(jì)算如下：

則中心波長處的衍射效率為100%。

基諾衍射面可由金剛石車床車削加工，基底可為平面、球面及非球面，其最小尺寸受刀具半徑的限制。此衍射面的最小環(huán)帶半徑D間隔為1.055953mm，能滿足加工廠家最小刀具的要求?；Z衍射面加工的理想面型如圖1所示。衍射面可使用輪廓儀進(jìn)行檢測，由峰-谷值和均方根值來判斷衍射面的加工質(zhì)量?；Z衍射面檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)布局型式如圖3所示。使用ZEMAX軟件進(jìn)行像質(zhì)優(yōu)化，在常溫（20℃）、低溫（－40℃）、高溫（60℃）特定工作條件下，中心頻率點(diǎn)30lp/mm處的MTF曲線對(duì)比度大部分在0.5以上；通過判讀點(diǎn)列圖及能量包圍曲線，約有85%的能量集中在一個(gè)像素內(nèi)；通過場曲及畸變曲線可知畸變值均小于0.4%。通過以上分析，紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)消熱差效果好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。圖4、圖5、圖6分別為常溫（20℃）、低溫（－40℃）、高溫（60℃）條件下的MTF曲線、點(diǎn)列圖、能量包圍曲線、場曲與畸變曲線。

圖1 基諾衍射面理想面型

圖2 基諾衍射面檢測結(jié)果

圖3 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)布局型式圖

圖4 在20℃工作條件下紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線、點(diǎn)列圖、能量包圍曲線、場曲與畸變曲線

圖5 在－40℃工作條件下紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線、點(diǎn)列圖、能量包圍曲線、場曲與畸變曲線

圖6 在60℃工作條件下紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線、點(diǎn)列圖、能量包圍曲線、場曲與畸變曲線

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的焦深為±2(F/#)＝±2×9.6mm×0.92≈±17.7mm，所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)工作在－40℃～60℃范圍內(nèi)時(shí)，離焦量在一個(gè)焦深以內(nèi)，如表2所示，則此光學(xué)被動(dòng)消熱差系統(tǒng)在整個(gè)工作溫度內(nèi)均能清晰成像。

表2 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)離焦量表

2.3 框架角分析

隨著紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度的不同，在導(dǎo)彈飛行過程中出現(xiàn)目標(biāo)移出瞬時(shí)視場的現(xiàn)象，造成目標(biāo)丟失，此時(shí)需要紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)隨目標(biāo)移動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)形成一定的掃描視場，使目標(biāo)始終處于紅外導(dǎo)引頭的瞬時(shí)視場內(nèi)。紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角量對(duì)應(yīng)著框架角值。

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角量為0°時(shí)，此時(shí)上邊緣光線與球罩的交點(diǎn)到光軸的距離為1，對(duì)應(yīng)圓心角為；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為時(shí)，上邊緣光線與球罩最外邊緣相重合，并且與光軸距離為2，此時(shí)對(duì)應(yīng)圓心角為；為球罩外圓半徑，如圖7所示。則框架角計(jì)算如下：

本文所設(shè)計(jì)紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的1＝29.5mm、2＝63mm、＝76mm，代入上式可得＝33.1°，如圖8所示。由于紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)為球?qū)ΨQ系統(tǒng)，故其框架角能夠滿足俯仰±30°、偏航±20°的要求。

圖7 框架角計(jì)算示意圖

Fig.7 Schematic diagram of frame angle calculation

2.4 盲區(qū)分析

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈是依據(jù)目標(biāo)所成圖像的輪廓特征實(shí)現(xiàn)搜索、跟蹤。當(dāng)目標(biāo)充滿成像機(jī)芯任意一個(gè)方向時(shí)，形成跟蹤盲區(qū)，后續(xù)階段依據(jù)導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo)攻擊目標(biāo)。盲區(qū)距離越小，慣性制導(dǎo)段越短，攻擊成功率就越高。

成像機(jī)芯分辨率為640×512，像元間距為17mm，對(duì)應(yīng)的靶面尺寸為10.88mm×8.704mm，2.3m×2.3m的中型坦克目標(biāo)充滿水平、豎直向的條件下對(duì)應(yīng)的盲區(qū)距離計(jì)算如下：

水平向盲區(qū)距離計(jì)算：

豎直向盲區(qū)距離計(jì)算：

圖8 導(dǎo)引頭框架角在0°、33.1°工作時(shí)光學(xué)位置示意圖

Fig.8 Optical schematic diagram when seeker frame angle is 0°and 33.1°

綜上所述，2.3m×2.3m的中型坦克目標(biāo)充滿成像機(jī)芯的短邊時(shí)，盲區(qū)距離最遠(yuǎn)（13.2m），此距離值小于50m的要求。

2.5 公差分析

紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)按表3分配零件公差，焦面位移作為補(bǔ)償，以平均概率分布方式分配實(shí)際裝配及加工時(shí)的公差值，并采用蒙特卡羅分析方法模擬加工裝配后的虛擬鏡頭的MTF變化，依此判斷實(shí)際鏡頭的成像效果。表4的蒙特卡羅分析結(jié)果表明90%的鏡頭在奈奎斯特頻率處具有不小于0.239的MTF值，焦面補(bǔ)償在±0.5mm以內(nèi)。此鏡頭加工及裝配工藝比較成熟，且整個(gè)鏡頭的成像質(zhì)量較好，即公差分配合理。

表3 零件公差表

表4 蒙特卡羅虛擬鏡頭分析結(jié)果

3 紅外成像導(dǎo)引頭實(shí)際效果

圖9是調(diào)試時(shí)截取觀察到的高架橋上的私家車輛的圖片，可清晰分辨出小尺寸的私家車輛目標(biāo)；圖10是紅外成像導(dǎo)引頭外場打靶試驗(yàn)視頻截圖。通過以上試驗(yàn)可得出此紅外成像導(dǎo)引頭成像質(zhì)量好，跟蹤捕捉精度高，能夠滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款適用于152mm彈徑的非制冷型、紅外導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了紅外導(dǎo)引頭各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，提出使用萬向支架式的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)此方案對(duì)紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)優(yōu)化及分析，得到比較好的成像效果，并對(duì)框架角及盲區(qū)開展分析計(jì)算。通過紅外成像導(dǎo)引頭調(diào)試試驗(yàn)截圖、外場調(diào)試試驗(yàn)截圖及掛飛試驗(yàn)截圖的分析，得出成像質(zhì)量良好，能夠?qū)崿F(xiàn)搜索、跟蹤目標(biāo)的功能。此紅外導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以后類似系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

圖9 紅外成像導(dǎo)引頭調(diào)試時(shí)截圖

圖10 打靶試驗(yàn)截圖

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Optical System Design of Uncooled 640×512 Infrared Seeker

SUN Aiping，GONG Yangyun，PU Enchang，LI Zemin，LEI Xufeng

(,650223,)

In order to increase the angle of field and the detection distance, we designed an infrared imaging seeker using an 640×512 uncooled FPA. Firstly, we analyzed various structural types of infrared imaging seeker. Based on the characteristics of the design requirements, the universal support type structural type is selected. Secondly, we optimized the image quality of the infrared seeker optical system and analyzed the satisfaction of the frame angle and blind area. Finally, the test results of the real prototype show that the infrared imaging seeker has good imaging quality and can meet the requirements of searching and tracking targets.

seeker, infrared, frame angle, blind area

TN219

A

1001-8891(2021)08-0736-07

2019-12-11；

2021-01-19.

孫愛平（1980-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：50973525@qq.com。