紅外與可見光雙模導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 陽，辛宏偉，康玉思，賀玉坤，陳長征

紅外與可見光雙模導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 陽1,2，辛宏偉1，康玉思1，賀玉坤1,2，陳長征1

（1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為了提升導(dǎo)彈在復(fù)雜環(huán)境下的尋的制導(dǎo)能力，設(shè)計(jì)了一種紅外與可見光雙模式導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)。該方案中采用分光鏡透射紅外光反射可見光，使結(jié)構(gòu)布局更加緊湊，實(shí)現(xiàn)紅外與可見光共口徑，同時配合紅外材料選取，實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動消熱差設(shè)計(jì)。中紅外模式視場角3°×2.3°，可見光模式視場角5°×4°，工作溫度20℃條件下，雙模式在截止頻率處，MTF（Modulation Transfer Function）值均大于0.4。紅外與可見光雙模式光學(xué)系統(tǒng)適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的導(dǎo)彈制導(dǎo)，對溫度有良好的適應(yīng)性，具有較好的成像質(zhì)量，滿足系統(tǒng)的性能要求。

光學(xué)系統(tǒng)；可見光；長波紅外；消熱差

0 引言

國際間紛爭摩擦不斷，武器裝備是國防的重中之重，各種光學(xué)鏡頭、武器導(dǎo)引頭作為各種大型裝備的“眼睛”更是不容忽視，其主要作用是完成對目標(biāo)的探測、識別、跟蹤等功能。導(dǎo)引頭采用的制導(dǎo)方式主要包括：半主動雷達(dá)制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)[1]、電視探測制導(dǎo)等[2]。但隨著戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，對抗形式的升級，單一的制導(dǎo)模式已經(jīng)無法滿足使用要求。紅外與可見光雙模制導(dǎo)，可以充分發(fā)揮各個子模式的優(yōu)勢，且提高復(fù)合抗干擾能力。光具有波粒二象性，可見光的波長較短，主要表現(xiàn)出粒子性，所以可見光分辨率較高，有利于制導(dǎo)精度的提升，在光線充足，天氣較好時可以發(fā)揮其優(yōu)勢；紅外光主要表現(xiàn)為波動性，所以其穿透性較強(qiáng)，有利于在夜間和能見度較低的天氣下工作[3]。

本文以某導(dǎo)彈紅外與可見光雙模式導(dǎo)引頭為研究對象，采取光學(xué)被動無熱化，設(shè)計(jì)并優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，并使用MTF曲線、點(diǎn)列圖、畸變圖進(jìn)行像質(zhì)評價(jià)。

1 總體方案

紅外與可見光系統(tǒng)采用共口徑光學(xué)系統(tǒng)，其能夠避免純反射式系統(tǒng)視場小的問題，同時具有結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[4]。光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，包括紅外光學(xué)系統(tǒng)和可見光光學(xué)系統(tǒng)兩部分。共8片透鏡，1片分光鏡以及1片反射鏡，其中反射鏡材料為微晶玻璃，表面鍍?nèi)ǘ畏瓷淠?，分光鏡材料為硫化鋅，表面鍍分光膜，反射可見光，透射長波紅外。光學(xué)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)幾何尺寸為230mm×110mm×150mm，具體參數(shù)如表1、表2所示。

圖1 導(dǎo)引頭雙模式光學(xué)系統(tǒng)

表1 紅外光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

表2 可見光光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于紅外透鏡材料的溫度折射率系數(shù)較大，對溫度較敏感[5]，且導(dǎo)引頭工作溫度范圍較大，會造成透鏡尺寸、折射率以及透鏡間隔的變化，所以需要對系統(tǒng)進(jìn)行無熱化處理。常用的無熱化處理方法有3種：被動機(jī)械式無熱化、主動機(jī)電式無熱化和被動光學(xué)無熱化[6]，由于前兩種方法會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，本紅外光學(xué)系統(tǒng)采用被動光學(xué)無熱化設(shè)計(jì)，在－45℃～＋55℃溫度范圍內(nèi)保證成像質(zhì)量。紅外探測器選用15mm，320×240焦平面非制冷型探測器，工作波段為8～12mm長波紅外，并要求裝調(diào)后MTF大于0.32。

紅外系統(tǒng)主鏡材料為鍺，次鏡材料為單晶硅，其余紅外鏡片為硫化鋅，其主要優(yōu)點(diǎn)是這些材料有較高的透射率以及成熟的制造工藝。為避免熱脹冷縮作用對系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，鏡筒材料選用膨脹系數(shù)較低的殷鋼材料。利用Code V軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后，紅外光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的紅外光學(xué)系統(tǒng)

2.1.1 紅外系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)

紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后在－45℃、＋20℃、＋55℃的調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）如圖3所示。從圖中可以看出，在－45℃、＋20℃、＋55℃溫度下，均具有較高的傳遞函數(shù)，且相對于＋20℃的MTF曲線，在－45℃和＋55℃溫度下的MTF曲線無明顯變化，說明系統(tǒng)具有良好的溫度適應(yīng)性，滿足溫度要求。在截止頻率35cycle/mm處，各個視場的MTF值均在0.4以上，接近衍射極限，具備良好的成像質(zhì)量，滿足總體所提成像要求。

＋20℃溫度時，各視場的點(diǎn)列圖如圖4所示，點(diǎn)列圖中點(diǎn)的分布可以近似地代表像點(diǎn)的能量分布，利用這些點(diǎn)的密集程度能夠衡量光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞[7]。從圖中可知，最大RMS（Root Mean Square）彌散斑直徑小于探測器的像元尺寸15mm，各視場范圍內(nèi)光斑尺寸基本一致，全視場內(nèi)光斑分布均勻，表明此光學(xué)系統(tǒng)可以很好地聚焦成像。

圖4 +20℃紅外系統(tǒng)點(diǎn)列圖

2.1.2 公差分析

導(dǎo)引頭紅外系統(tǒng)處理器公差主要考慮技術(shù)指標(biāo)以及加工能力，本紅外系統(tǒng)選擇在35cycles/mm空間頻率處，以允許下降量為準(zhǔn)則制定光學(xué)系統(tǒng)誤差，紅外光學(xué)系統(tǒng)公差分析如圖5所示。

圖5 紅外光學(xué)系統(tǒng)公差分析圖

由圖5公差分析圖可知，在截止頻率處，均有超過90%的概率裝調(diào)至MTF值大于0.38，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 可見光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可見光系統(tǒng)探測器選用像元尺寸6.8mm，1280×1024類型的焦平面探測器，工作波段為480～680nm。要求5km高度觀察幅寬435m×350m，可分辨40cm；1km高度觀察幅寬87m×67m，可分辨10cm；100m高度觀察幅寬4.5m×3.4m，可分辨5cm。透鏡材料選用k9玻璃，可見光光學(xué)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 可見光光學(xué)系統(tǒng)

2.2.1 可見光系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)

可見光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，在－20℃、＋20℃、＋40℃的調(diào)制傳遞函數(shù)如圖7所示。從圖可知，在＋20℃、＋40℃溫度下，在截止頻率70cycle/mm處，MTF值均大于0.4，在－20℃溫度下，截止頻率略低，為0.2左右。綜上所知，相對于高溫，可見光系統(tǒng)對低溫更敏感，但滿足成像要求。

圖7 可見光系統(tǒng)不同溫度下的傳遞函數(shù)曲線

2.2.2 畸變曲線

圖8的畸變曲線表明，在全視場范圍內(nèi)畸變小于3%，滿足總體所提的設(shè)計(jì)要求。

圖8 可見光系統(tǒng)在20℃下的畸變曲線

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種滿足技術(shù)要求的紅外與可見光雙模式導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)，分別對兩個子系統(tǒng)分別進(jìn)行溫度適應(yīng)性分析。紅外模式采用被動光學(xué)無熱化技術(shù)，具有良好的溫度適應(yīng)性。紅外模式和可見光模式在工作溫度范圍內(nèi)都滿足成像要求。分光鏡實(shí)現(xiàn)了分光效果，使整體結(jié)構(gòu)更加小巧、緊湊，可為彈體保留更多空間。此外，該系統(tǒng)中所用材料均為常用材料，加工工藝成熟，便于裝調(diào)，具有一定的參考價(jià)值。

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Infrared and Visible Light Dual-Mode Seeker Optical System Design

LYU Yang1,2，XIN Hongwei1，KANG Yusi1，HE Yukun1,2，CHEN Changzheng1

(1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A folding anti-infrared and visible-light double-pattern optical guidance system was designed to improve the guidance of a missile in complex environments. In this scheme, the system layout for infrared and visible light is produced by spectroscopic optical visible light reflection, realizing dual-mode infrared and visible light, and optical passive heat reduction is implemented. In the mid-infrared mode, the field of view of the infrared mode is 3°×2.3°, the angle of view of the visible light mode is 5°×4°, the working temperature is 20℃, and the dual mode MTF is greater than 0.4 in the cup-frequency. Infrared and visible-light dual-mode optical systems are suitable for missile guidance in complex environments, have good adaptability to temperature, and have good imaging quality and performance.

optical systems, visible light, medium wave infrared, heat separation

TN214

A

1001-8891(2024)01-0026-04

2022-01-06；

2022-03-18.

呂陽（1995-），男，碩士研究生，主要從事空天載荷光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析。E-mail: lvyangchn@163.com。

辛宏偉（1970-），男，博士，研究員，主要從事空間相機(jī)等光機(jī)結(jié)構(gòu)反面研究。E-mail: xinhongweiciomp@163.com。