紅外目標模擬器光束不平行度測量與補償方法研究

朱斐越，李艷紅，楊 揚，王超峰，田 義

（上海機電工程研究所，上海201109）

1 引言

紅外目標模擬器在實驗室中用來模擬無窮遠處的紅外輻射，其出射光束的平行程度是紅外探測與制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真試驗的重要指標之一。紅外目標模擬器光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要可分為反射式、折反式和折射式3 種。目前，面向紅外目標模擬器光束不平行度的測試，主要應(yīng)用于反射式紅外目標模擬器，用45°棱鏡或五棱鏡將光束轉(zhuǎn)折90°后，借助自準直儀、經(jīng)緯儀或可見光CCD 進行測試［1-6］。如1 064 nm 近紅外波段的紅外系統(tǒng)光束不平行度采用五棱鏡和光電探測器的方法進行測量［7］；QJ 2942-97《紅外目標模擬器檢定規(guī)程》中輻射出射光不平行度的測量，是用可見光源來代替紅外目標模擬器的紅外光源，用五棱鏡和光學自準直儀進行測量［8］。在紅外制導(dǎo)半實物仿真應(yīng)用領(lǐng)域，紅外成像目標模擬器或成像／點源復(fù)合目標模擬器大多采用非反射式光學系統(tǒng)［9，10］，由于光學系統(tǒng)工作波段的限制，目前無法實現(xiàn)這類紅外目標模擬器光束不平行度的測量。鑒于一般紅外目標模擬器光束不平行度要求≤1′，提出基于五棱鏡檢測光束不平行度的方法，研制紅外五棱鏡，利用紅外焦平面探測器開展基于非反射式光學系統(tǒng)的紅外目標模擬器光束不平行度的測量研究。

2 紅外目標模擬器光束不平行度產(chǎn)生機理

折射式紅外目標模擬器的光學系統(tǒng)可以認為是成像光學系統(tǒng)的反向應(yīng)用，因此設(shè)計時可以通過反向的思路進行設(shè)計［11］。

以基于電阻陣列的紅外目標模擬器為例，電阻陣列的芯片位置可以看作傳統(tǒng)成像光學系統(tǒng)的焦平面位置，因此紅外目標模擬器出射光束的不平行度是電阻陣列芯片位置與焦平面位置不一致造成的。在目標模擬器出瞳處（產(chǎn)品探測系統(tǒng)接收端入瞳）本應(yīng)平行出射的兩條邊緣光束有一夾角，將此夾角2θ定義為光束不平行度，如圖1所示，為示意起見圖中光束發(fā)散程度較大，引起目標模擬器首片透鏡通光口徑差異較大，實際小角度下差異較小。

圖1 兩種平行光束不平行（發(fā)散或匯聚）導(dǎo)致離焦誤差示意圖Fig.1 Schematic diagram of defocus blur caused by two different unparallel beam（divergent beam or convergent beam）

由于光束不平行度相對較小，因此可認為出瞳邊緣處兩條光線或其反向延長線的重合點（對應(yīng)圖1 中的兩種情況光線發(fā)散或匯聚）到出瞳的距離為探測端光學系統(tǒng)的物距l(xiāng)，可計算像距l(xiāng)′為：

在像面上的理想光斑大小x為：

推導(dǎo)得到：

式中：l′——像距；l——物距；f′——探測系統(tǒng)焦距；D——探測系統(tǒng)入瞳直徑；x——探測系統(tǒng)光斑大小。

按照探測端光學系統(tǒng)可接受的最小彌散斑為探測器1 個像元尺寸計算，即由于模擬器光束不平行度引起的光斑彌散，應(yīng)不大于探測器芯片1 個像元的大小。

根據(jù)探測器視場角2ω、光學系統(tǒng)焦距f′以及探測器像面高度h的關(guān)系為：

式中：px——像元尺寸；N——探測器像素數(shù)。

將式（4）代入式（3），令x為單個像元尺寸，可以得到：

因此，有光束發(fā)散角為：

可知，當光束不平行引起的光斑擴散大小等于1 個像元大小時，光束發(fā)散角近似等于探測光學系統(tǒng)瞬時視場角（IFOV），即單個像元對應(yīng)的視場角。目前，常用紅外探測光學系統(tǒng)瞬時視場角為1′左右。

3 紅外目標模擬器光束不平行度測量

3.1 五棱鏡測量方法原理

五棱鏡具有入射光與出射光垂直的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的光束轉(zhuǎn)向。依據(jù)以上特性，通過橫向?qū)蕦崿F(xiàn)了縱向調(diào)焦，光束不平行度得到了進一步提高。五棱鏡固定在待檢平行光束前的平移臺上，平移臺可以沿正交于待檢光束光軸方向平移。利用五棱鏡法檢測平行度的原理如圖2所示。使用高精度自準直儀進行探測，得到經(jīng)五棱鏡分割后的待檢光束分劃像，使其對準自準直儀的刻度線。將五棱鏡沿垂直于光束光軸方向移動，若待檢光束嚴格平行，像點在自準直儀上固定不動，如圖2（b）所示。否則，五棱鏡從光瞳上側(cè)移到下側(cè)，如圖2（a）和圖2（c）所示，自準直儀成的像將會有橫向移動，自準直儀讀數(shù)即為光束的不平行度誤差［12］。

圖2 五棱鏡法檢測平行度原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of principle of pentaprism method

3.2 紅外目標模擬器光束不平行度測量方法改進

提出一種基于紅外五棱鏡檢測折射式紅外目標模擬器光束不平行度的方法，研制紅外五棱鏡，利用紅外焦平面探測器進行亞像素擬合提取光點中心位置［13］，根據(jù)光點中心位置的變化實現(xiàn)紅外目標模擬器光束不平行度的測量。

研制的紅外五棱鏡為Si 材料，在（3.7～4.8）μm波段范圍內(nèi)，鍍金表面反射率＞97 %，透光表面透過率＞98 %，如圖3所示。經(jīng)測試，五棱鏡角度加工誤差小于6.9 ″。加工面形光圈N＝2，局部光圈ΔN＝0.4。

圖3 五棱鏡表面反射率和透過率曲線圖Fig.3 Reflective curve and transmission curve by pentaprism surface

紅外光束不平行度的測試方法如圖4所示，紅外五棱鏡放置于待檢模擬器前的一維線性導(dǎo)軌上，沿垂直于模擬器出射光束光軸的方向平移。在紅外探測器采集分析軟件中，沿光點中心做一條橫線標記，根據(jù)光點沿線上像素的溫度分布，得到光點中心位置。為減小紅外中心點的測量誤差，將紅外目標模擬器生成的光點控制為最小圓形光點。

圖4 五棱鏡法測試原理框圖（五棱鏡在出瞳中心位置）Fig.4 Block diagram of measurement by pentaprism method（at the center of the exit pupil）

首先，需要左右移動一維線性導(dǎo)軌，根據(jù)紅外焦平面探測器實時采集光點的溫度變化情況，找到出瞳光束的中心位置。當五棱鏡在光束中心位置時，光點中心位置對應(yīng)的像素溫度最高，如圖5所示，并保持圖中所示A 線條位置不動。

圖5 出瞳中心處采集圖Fig.5 Received image at the center of the exit pupil by IR imaging detector

接著根據(jù)所測紅外目標模擬器的出瞳直徑范圍，以光束中心位置為零點，分別向左、向右移動紅外五棱鏡，讀取紅外光點中心位置的橫向位移。這里所測紅外目標模擬器的出瞳直徑為100 mm。紅外焦平面探測器采集到在出瞳-50 mm，50 mm 處的光點像素分布如圖6所示。由于在出瞳邊界位置，光點的溫度急劇下降。以溫度峰值的70 %為邊界，進行光點大小提取，再根據(jù)圓形目標得到中心點所在位置的像素。

圖6 出瞳-50 mm 和50 mm 位置處采集圖Fig.6 Received image at the exit pupil -50 mm and 50 mm position by IR imaging detector

從出瞳直徑范圍內(nèi)的一端移至另一端，光點中心所在像素位置的差值即為光束不平行度誤差。重復(fù)6 次，測量結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。6 次測量結(jié)果求平均，得到出射光束的不平行度誤差為0.567 ′。

表1 不平行度測試數(shù)據(jù)Tab.1 Results of unparallelism test

3.3 紅外光束不平行度測量不確定度分析

紅外目標模擬器光束不平行度的測量不確定度主要包括重復(fù)測量引入的標準不確定度分量、紅外五棱鏡加工面形誤差引入的標準不確定度分量，以及紅外焦平面探測器分辨率引入的不確定度分量。

1）對紅外目標模擬器光束不平行度進行測量，測量6 次，測量結(jié)果的最佳估計值通過平均值表征，則有，實驗標準差s（θ）＝0．129′，則此測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u（θ1）＝s（θ）＝0．129′；

2）由理論分析可知，五棱鏡的角度誤差僅會導(dǎo)致光束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，不會對光束結(jié)構(gòu)和不平行度測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而加工面形對光束偏角的影響較大，反射面的面型誤差帶來的光束偏角是折射面的3 倍，且隨著通光口徑的增大，光束偏角相應(yīng)地增大［9］。研制的紅外五棱鏡加工面形光圈N＝2，局部光圈ΔN＝0.4，該面形誤差引起的光束偏角誤差估計值為1 ″，服從均勻分布（k＝ 3），則紅外五棱鏡加工面形誤差引入的標準不確定度分量u（θ2）＝0．01′；

3）所用紅外焦平面探測器采用MCT 320 ×256焦平面探測器，視場角5.5 ° ×4.4 °。利用紅外焦平面探測器參數(shù)校準裝置進行MRTD 測試的方法，該焦平面探測器可清晰分辨1.67 cycles／mrad 的線對靶標，如圖7所示，此時對應(yīng)該探測器的瞬時視場角為1 ′，即1 個像素對應(yīng)的空間角為1 ′。在讀取像素點溫度分布時，按照像素內(nèi)線性差值的方法，將像素值讀取到0.1 個像素，記為0.1 ′。因此，紅外焦平面探測器分辨率引入的不確定度分量u（θ3）＝0．06′。

圖7 紅外焦平面探測器視場采集靶標圖Fig.7 Target image received by IR imaging detector

綜上，各不確定度分量相互獨立不相關(guān)，因此合成標準不確定度＝0．143′，擴展不確定度U（Δθ）＝0．29′，k＝2。

4 紅外光束不平行度補償

通過機理分析，紅外目標模擬器出射光束的不平行主要是由于焦面發(fā)生了偏移［14，15］。由于紅外目標模擬器需要安裝在轉(zhuǎn)臺上使用，其工作力學環(huán)境較為苛刻，因此有必要對光束不平行度進行定期測試與補償，并采用配備調(diào)焦墊片的方式進行補償。

根據(jù)高斯公式推導(dǎo)出調(diào)焦墊片的精度要求Δl1為：

式中：f′m——目標模擬器光學系統(tǒng)焦距；D′——模擬器的出瞳直徑。

實際操作中，應(yīng)從理論焦面位置開始調(diào)整。首先增加或減少相同厚度的墊片，觀察經(jīng)過五棱鏡法測量后，光點在探測器上位移的大小，位移較小的一方即為正確的調(diào)整方向；接下來繼續(xù)重復(fù)上一步操作，直至增加或減少墊片后位移大小相同；減小墊片的厚度，重復(fù)上述操作，直至墊片厚度減小至Δl1，此時可以認為完成紅外目標模擬器光束不平行度的補償。

5 結(jié)束語

提出一種基于五棱鏡檢測光束不平行度的方法，分析了紅外目標模擬器光束不平行度產(chǎn)生機理，在研制紅外五棱鏡的基礎(chǔ)上，利用紅外焦平面探測器進行亞像素擬合提取光點中心位置，根據(jù)光點中心位置的變化實現(xiàn)了紅外目標模擬器出射光束不平行度的現(xiàn)場測試，并提出使用調(diào)焦墊片實現(xiàn)光束不平行度補償?shù)姆椒?。根?jù)本論文的光束不平行度測量方法，其測量誤差主要來源于紅外焦平面探測器瞬時視場角。利用此設(shè)備及補償方法實現(xiàn)被測設(shè)備的光束不平行度在1 ′以內(nèi)，可以滿足半實物仿真的應(yīng)用需求。后續(xù)可采用高精度瞬時視場角的紅外焦平面探測器，提高測量光束不平行度的精確度。