國防光學(xué)計量技術(shù)的發(fā)展與展望

俞 兵

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

國防計量的目的，在于保證國防科技和軍工產(chǎn)品在研制、試驗、生產(chǎn)和使用過程中量值準(zhǔn)確一致。國防光學(xué)計量的特點主要源于武器裝備的特殊性，取決于武器裝備對光學(xué)計量保障的特殊需求。在新一代武器裝備系統(tǒng)中，光學(xué)儀器已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)敵人、瞄準(zhǔn)敵人、攻擊敵人的高級傳感系統(tǒng)。如微光夜視技術(shù)[1-4]、紅外成像技術(shù)[5-7]、光電火控技術(shù)、光電對抗技術(shù)、精確制導(dǎo)技術(shù)、激光雷達技術(shù)，以及太赫茲波段[8-9]、紅外波段、可見光波段到紫外波段的整個光譜波段光纖特性、光學(xué)材料特性[10-11]等，這些技術(shù)在國防建設(shè)中都發(fā)揮了巨大作用。

隨著信息時代的到來，戰(zhàn)爭的主要形態(tài)也轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒瘧?zhàn)爭，而我國當(dāng)前武器裝備的發(fā)展正進一步向機械化與信息化戰(zhàn)爭復(fù)合的方向轉(zhuǎn)變。未來高科技信息化戰(zhàn)爭是各種高技術(shù)武器裝備高度配合下的諸兵種聯(lián)合作戰(zhàn)，要求各個環(huán)節(jié)都要協(xié)調(diào)一致，而高技術(shù)武器裝備是由若干子系統(tǒng)組成的龐大復(fù)雜系統(tǒng)。如果高技術(shù)武器裝備沒有計量作為保障，參數(shù)量值就會失準(zhǔn)，進而導(dǎo)致戰(zhàn)爭失敗。國防計量工作涉及軍事裝備的各個環(huán)節(jié)，涵蓋了海、陸、空、火箭軍等各個軍兵種的主戰(zhàn)裝備和保障裝備，滲透到軍事裝備檢測、維修和管理的各個方面。面對全球化的軍事變革，我國在軍事技術(shù)和武器裝備的發(fā)展中，必須開展和建立與武器裝備研制并行發(fā)展的國防計量保障體系。

近年來，國防科技工業(yè)光學(xué)一級計量站（以下簡稱“國防光學(xué)一級計量站”）針對裝備發(fā)展對光學(xué)計量保障的需求，主要開展了以下幾個方面的研究工作，分別是國防光學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)計量技術(shù)、武器型號整機綜合參數(shù)計量技術(shù)、前沿光學(xué)計量技術(shù)、軍用光電測試儀器研制技術(shù)。其中，國防光學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)計量技術(shù)主要圍繞紅外、紫外、激光、成像、光譜光度、光學(xué)材料、微光夜視等8 個專業(yè)展開研究；武器型號整機綜合參數(shù)計量技術(shù)主要圍繞裝備光電系統(tǒng)整機的計量保障，進行光軸一致性、紅外輻射等現(xiàn)場、動態(tài)和專用計量校準(zhǔn)技術(shù)研究[12]；前沿光學(xué)計量技術(shù)主要圍繞納米材料、太赫茲波段[13]、量子光學(xué)、飛秒激光等先進光學(xué)計量技術(shù)展開研究[14]；軍用光電測試儀器研制技術(shù)主要圍繞武器光電系統(tǒng)性能參數(shù)測試與評估的需求[15]，開展性能參數(shù)測試、評估技術(shù)研究，研制相應(yīng)的光電測試儀器。這些工作為開展國防光學(xué)量值傳遞工作奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，解決了國防軍工及軍隊系統(tǒng)成員在武器裝備的研制、定型、生產(chǎn)和使用等過程中對光學(xué)計量的迫切需求。

1 國防基礎(chǔ)光學(xué)計量技術(shù)研究成果

1.1 成像專業(yè)光學(xué)計量技術(shù)

成像光學(xué)計量主要是指針對光學(xué)元件、光學(xué)系統(tǒng)和光電整機的幾何參數(shù)、基本成像參數(shù)和成像質(zhì)量參數(shù)的計量?，F(xiàn)已具備光學(xué)元件曲率半徑、角度、焦距、視場、視度及出瞳距離等幾何光學(xué)參數(shù)計量能力，還建有光學(xué)傳遞函數(shù)和平面平晶2 項國防最高標(biāo)準(zhǔn)。

光學(xué)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置主要完成對光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)（調(diào)制傳遞函數(shù)modulation transfer function,MTF 和相位傳遞函數(shù)phase transfer function,PTF）的測量，同時具有測量光學(xué)系統(tǒng)焦距和透射比等功能。技術(shù)指標(biāo)為光譜范圍：可見，3 μm～5 μm，8 μm～12 μm；視場角：±35°；MTF 測量不確定度：軸上0.03，軸外0.06。

平面平晶標(biāo)準(zhǔn)裝置主要完成對平晶、平面平晶、平行平晶等光學(xué)元件面形和波像差的檢測、檢定（校準(zhǔn)）以及對球面干涉儀、平面干涉儀的檢測、檢定（校準(zhǔn)）。技術(shù)指標(biāo)為小于Φ100 mm：測量不確定度0.02 μm；Φ100 mm～Φ200 mm：測量不確定度0.03 μm；Φ200 mm～Φ400 mm：測量不確定度0.06 μm。

近年來，成像材料組正在擴展光電整機性能參數(shù)計量能力，突破過采樣的斜狹縫數(shù)字掃描FFT/MTF 測量技術(shù)、畸變亞像素圖像定位精度、大視場/大動態(tài)范圍積分球均勻光源制作/校準(zhǔn)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)[15]，建成了光電整機最小可分辨對比度（minimum recognizable contrast,MRC）、畸變、像面均勻性以及信號傳遞函數(shù)的校準(zhǔn)和檢測能力，為多種型號的光電、成像系統(tǒng)的成像參數(shù)進行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置實物如圖1 和圖2 所示。

圖 1 可見光分辨力傳遞函數(shù)對比度畸變校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.1 Physical photo of calibration device of contrast distortion for visible light resolution transfer function

圖 2 可見光像面均勻性校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.2 Physical photo of calibration device for visible light image plane uniformity

達到的主要指標(biāo)為空間頻率范圍：0～100 mm-1；空間分辨力：2"；傳遞函數(shù)測量不確定度：0.03～0.07；畸變測量不確定度0.5%～2%；均勻性測量不確定度：2%～5%。

1.2 紅外輻射專業(yè)光學(xué)計量技術(shù)

紅外輻射計量專業(yè)組主要從事紅外輻射參數(shù)和成像參數(shù)的檢定、校準(zhǔn)和檢測，以及紅外計量儀器和測試儀器的研發(fā)[12]。擁有國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)裝置2 套，具有較強的檢測能力，其中測試設(shè)備達數(shù)10 項，具有常溫黑體、面源黑體、紅外成像儀、成像測溫儀、測溫?zé)嵯駜x、動態(tài)目標(biāo)模擬器等設(shè)備的檢測能力，同時具有飛機、裝甲等野外目標(biāo)的紅外特性參數(shù)測試能力。

紅外輻射計量專業(yè)組擁有323 K～1 273 K 黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置國防最高標(biāo)準(zhǔn)，主要用于腔黑體溫度和發(fā)射率檢定和校準(zhǔn)，其主要技術(shù)指標(biāo)為范圍：323 K～1 273 K，溫度測量不確定度：0.4 K（k=2），發(fā)射率測量不確定度：0.5%（k=2）。該裝置每年使用超過30 次，為紅外武器系統(tǒng)的研制提供準(zhǔn)確輻射量，確保輻射參數(shù)量傳的準(zhǔn)確可靠。

近年來，紅外輻射計量專業(yè)組新建了國防最高標(biāo)準(zhǔn)50℃～400℃面源黑體檢定裝置，主要技術(shù)指標(biāo)為溫度示值誤差測量不確定度：50℃～100℃，U=0.030℃（k=2）；100℃～400℃，U=0.06℃（k=2）；溫度穩(wěn)定性測量不確定度：50℃～100℃，U=0.025℃（k=2）；100℃～400℃，U=0.03℃（k=2）；輻射等效溫度均勻性測量不確定度：U=0.2℃（k=2）；發(fā)射率測量不確定度：Urel=0.8%（k=2），為武器系統(tǒng)的外場定標(biāo)提供了輻射參考。

紅外輻射計量專業(yè)組具有很強的檢測能力，典型測試裝置為紅外熱像儀主要參數(shù)校準(zhǔn)裝置，主要用于紅外熱像儀噪聲等效溫差（noise equivalent temperature difference,NETD）、信號傳遞函數(shù)（signal transfer function,SITF）、最小可分辨溫差（minimum resolvable temperature difference,MRTD）和最小可探測溫差（minimum detectable temperature difference,MDTD）等成像參數(shù)的校準(zhǔn)。紅外輻射計量專業(yè)組近年來拓展了外場測試，主要開展紅外隱身測試技術(shù)評估，參與過多次飛機發(fā)動機現(xiàn)場測試任務(wù)，涉及范圍包括飛機發(fā)動機、紅外誘餌彈、紅外增強器、無人機等領(lǐng)域，為我國隱身武器系統(tǒng)研制提供測試保障，圖3 是某型飛機發(fā)動機紅外輻射現(xiàn)場測試圖。

圖 3 發(fā)動機紅外輻射外場實驗圖Fig.3 Field experiment of infrared radiation of engine

1.3 激光參數(shù)專業(yè)光學(xué)計量技術(shù)

激光參數(shù)計量專業(yè)組主要從事激光功率/能量參數(shù)、激光空域參數(shù)、激光時域參數(shù)以及光電系統(tǒng)整機性能參數(shù)檢定、校準(zhǔn)和測試研究工作[7-9]。國防光學(xué)一級計量站在激光參數(shù)計量方面建立了重復(fù)脈沖激光峰值功率標(biāo)準(zhǔn)裝置、單脈沖激光峰值功率標(biāo)準(zhǔn)裝置、激光小能量標(biāo)準(zhǔn)裝置、激光小功率標(biāo)準(zhǔn)裝置、激光能量標(biāo)準(zhǔn)裝置等6 項國防最高標(biāo)準(zhǔn)，通過國家、國防實驗室認(rèn)可的校準(zhǔn)能力有10 余項，達到的主要指標(biāo)如表1 所示。

表 1 激光參數(shù)計量專業(yè)組國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一覽表Table 1 Highest metrological standard indexes of national defense for laser parameter metrology major

在激光功率/能量參數(shù)測量方面，開展了皮瓦皮焦量級激光功率/能量測量校準(zhǔn)、千瓦量級激光功率/能量測量校準(zhǔn)、短脈沖高功率激光能量及峰值功率測量校準(zhǔn)等技術(shù)研究，具備了皮瓦皮焦量級微弱光輻射以及千瓦/千焦量級以上強激光功率/能量的測量校準(zhǔn)能力。

在激光空域參數(shù)測量方面，開展了激光近場及遠(yuǎn)場空域參數(shù)測量校準(zhǔn)技術(shù)研究，具備了可見至近紅外激光M2因子、β因子、BQ因子等參數(shù)的測量校準(zhǔn)能力。

在激光時域參數(shù)測量方面，開展了飛秒激光脈沖波形測量和脈沖寬度校準(zhǔn)、皮秒-納秒激光脈沖波形測量和脈沖寬度校準(zhǔn)技術(shù)研究，具備了10 fs激光脈沖寬度的測量校準(zhǔn)能力。

在光電系統(tǒng)整機性能參數(shù)測量方面，開展了空間激光通信系統(tǒng)性能參數(shù)、大口徑光學(xué)元件透過率/反射率和吸收系數(shù)、連續(xù)激光和納秒脈沖激光損傷閾值、光電系統(tǒng)穩(wěn)定精度等測量校準(zhǔn)技術(shù)研究，具備了0.01%～99.99%范圍內(nèi)激光透反比、納秒脈沖激光損傷閾值等參數(shù)的測量校準(zhǔn)能力。

1.4 光學(xué)材料專業(yè)光學(xué)計量技術(shù)

光學(xué)材料計量專業(yè)組主要從事光學(xué)薄膜、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體以及光電功能材料性能參數(shù)的計量，目前已經(jīng)具備了光學(xué)材料透反射、折射率、應(yīng)力雙折射、消光比、偏振度等參數(shù)校準(zhǔn)檢測能力[11]，并且建立了光纖幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置國防最高標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，光學(xué)材料組正在開展高精度紫外-可見-紅外波段折射率測量和校準(zhǔn)技術(shù)研究、光學(xué)薄膜折射率厚度測量和校準(zhǔn)技術(shù)研究。折射率測量達到的主要指標(biāo)為光譜范圍：253 nm～12 μm；折射率測量不確定度：5×10-6（紫外～可見），2×10-4（紅外）。光學(xué)薄膜折射率測量光譜范圍：200 nm～1 700 nm，測量不確定度：0.5 nm；應(yīng)力雙折射測量光譜范圍：0.633 μm、3.39 μm，測量不確定度：0.5 nm。

1.5 光譜光度色度專業(yè)光學(xué)計量技術(shù)

光譜光度色度計量專業(yè)組主要針對瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)強弱光源、光譜輻射類測試儀器、光度計、物體色測色儀器等方向，研究波長、光譜輻射亮度、亮度、照度、色品坐標(biāo)、相對光譜功率分布、色溫、光譜透射比和光譜漫反射比等參數(shù)的計量測試技術(shù)[16-17]?，F(xiàn)已具備光源亮度、發(fā)光強度、光通量、強弱照度、光譜透射比、光譜漫反射比、光譜輻亮度等7 項國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)，達到的主要指標(biāo)如表2 所示。

表 2 光譜光度色度計量專業(yè)組國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一覽表Table 2 Highest metrological standard indexes of national defense for spectral photometric chromaticity metrology major

1.6 微光計量技術(shù)

微光夜視測量針對微光像增強器等微光器件和微光夜視儀，研究微光夜視參數(shù)的計量保障能力[1-4]。國防光學(xué)一級計量站的微光夜視計量室是國內(nèi)唯一一家關(guān)于微光夜視計量的專門機構(gòu)，已建立了“紫外像增強器參數(shù)測量裝置”、“微光像增強器參數(shù)測量裝置”、“微光夜視儀參數(shù)測量裝置”和“微光ICCD 參數(shù)測量裝置”等，為部隊、基地、武警、公安邊防等研制、生產(chǎn)、使用單位進行了微光器件及微光夜視儀方面的計量校準(zhǔn)和第三方檢測工作。近年來，開展了新型固態(tài)微光夜視儀、弱光光子計數(shù)方面的計量新技術(shù)研究工作，并依托核心計量能力開展了新型固態(tài)微光夜視儀測試儀器的研制工作。

1.7 空間光學(xué)和紫外計量技術(shù)

在空間光學(xué)計量方面，開展了“空間激光通信系統(tǒng)性能參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)”項目研究，通過對激光發(fā)射/接收分系統(tǒng)性能參數(shù)校準(zhǔn)、空間衛(wèi)星振動及相對運動的地面模擬、激光光束遠(yuǎn)距離傳輸模擬等技術(shù)研究，實現(xiàn)了超低頻范圍帶寬、大范圍跟蹤精度校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)，初步解決了空間激光通信系統(tǒng)跟蹤瞄準(zhǔn)分系統(tǒng)跟蹤精度、帶寬等參數(shù)測量校準(zhǔn)難題，滿足了星地、星間測試需求，為我國空間激光通信系統(tǒng)的研制提供了計量保障。

還開展了高分辨率相機動靜態(tài)成像特性參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究，攻克了600 mm 大口徑10 m 長焦距的高像質(zhì)光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)研制與調(diào)校技術(shù)、動態(tài)圖像匹配與動態(tài)傳遞函數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，研制出了高分辨率相機動靜態(tài)成像特性參數(shù)校準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)了對動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)的測量范圍0.10～0.99，動態(tài)測量不確定度達到0.05，動態(tài)最小可分辨對比度測量不確定度達到5%。為國家重大工程高分專項的光學(xué)載荷提供了成像參數(shù)的計量測試服務(wù)，并為實驗室和發(fā)射場提供了動態(tài)景物模擬裝置的校準(zhǔn)服務(wù)，取得了良好效果。

2 前沿光學(xué)計量技術(shù)

前沿光學(xué)計量技術(shù)主要針對前沿科技領(lǐng)域新出現(xiàn)的計量問題或者隨著科技發(fā)展已有計量方法和技術(shù)表現(xiàn)出的不足，開展基于新原理和新方法的光學(xué)計量技術(shù)研究及能力建設(shè)，解決前沿科研領(lǐng)域遇到的新參量計量問題，提高已有參量的測量精度，擴展可測量和可校準(zhǔn)的范圍，完善現(xiàn)有的光學(xué)計量體系，為我軍未來信息化武器裝備的快速發(fā)展以及建設(shè)先進國防科技工業(yè)急需的新材料、新器件、新設(shè)備的研制提供計量保障能力。國防光學(xué)一級計量站在前沿光學(xué)計量技術(shù)方面開展的工作主要涉及太赫茲、量子光學(xué)、納米光學(xué)等先進光學(xué)計量技術(shù)。

2.1 太赫茲計量技術(shù)

太赫茲技術(shù)指頻率為0.1 THz～10 THz（波長30 μm～3 mm）電磁輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)[4-5]。太赫茲波段位于紅外和微波之間，太赫茲技術(shù)是國際上重點研究的交叉性前沿技術(shù)。太赫茲技術(shù)主要用于特種作戰(zhàn)（惡劣戰(zhàn)場）環(huán)境下隱蔽目標(biāo)偵查、戰(zhàn)術(shù)保密通信、深空探測和通信、特種材料無損檢測、爆炸物檢測和反恐探雷等國防領(lǐng)域。太赫茲光學(xué)計量主要為太赫茲輻射源、太赫茲光學(xué)元件、太赫茲傳感器的研制以及太赫茲通信系統(tǒng)、太赫茲成像探測系統(tǒng)等武器系統(tǒng)的研制提供計量保障。

太赫茲前沿計量技術(shù)方面，突破基于窄帶光譜濾光法和低溫真空屏蔽的太赫茲輻射量校準(zhǔn)技術(shù)、太赫茲波和飛秒激光時空同步聚焦調(diào)試技術(shù)、基于光錐耦合的太赫茲探測器響應(yīng)度自校準(zhǔn)技術(shù)、太赫茲光譜儀線性度和頻率校準(zhǔn)技術(shù)、太赫茲多光束分波段高精度干涉測量等核心關(guān)鍵技術(shù)。研制了太赫茲源輻射參數(shù)校準(zhǔn)裝置和太赫茲時域光譜儀線性度和波長校準(zhǔn)裝置，為國內(nèi)太赫茲源和太赫茲系統(tǒng)的研制及應(yīng)用提供了計量保障，如圖4 和圖5 所示。

圖 4 太赫茲源輻射參數(shù)校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.4 Physical photo of calibration device of terahertz source radiation parameters

圖 5 太赫茲時域光譜儀線性度和波長校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.5 Physical photo of calibration device of linearity and wavelength of terahertz time-domain spectrometer

2.2 納米光學(xué)計量技術(shù)

納米技術(shù)指研究0.1 nm～100 nm 尺度范圍的物質(zhì)世界，操縱原子和分子并直接用原子和分子制造具有特定功能產(chǎn)品的技術(shù)。納米技術(shù)產(chǎn)品主要有納米器件（大規(guī)模集成電路、量子器件）、納米機構(gòu)（MEMS）、納米激光器、納米材料、納米光子器件（納米波導(dǎo)、微納光纖）等。納米科技的發(fā)展影響社會發(fā)展的諸多方面，包括材料、制造業(yè)、通信、能源、航空航天等。在國防領(lǐng)域，納米技術(shù)主要用于光學(xué)精密加工與制造，新型光電元器件、新型光學(xué)材料加工等。納米光學(xué)計量主要解決納米尺寸、納米輪廓面形、納米器件和納米材料光學(xué)參數(shù)的測量校準(zhǔn)問題，為納米技術(shù)的發(fā)展及其在國防領(lǐng)域的應(yīng)用提供計量保障。在該領(lǐng)域開展了微納米結(jié)構(gòu)材料空間透反射比測量技術(shù)研究，如圖6 所示。

圖 6 微納結(jié)構(gòu)空間透反射比測量裝置原理圖Fig.6 Schematic diagram of transmittance-reflection ratio measuring device of micro-nano structure space

達到的主要指標(biāo)為工作波長：532 nm、808 nm；入射角度測量范圍：0°～70°；反射角度測量范圍：5°～85°；透反射比測量不確定度：0.5%。

2.3 量子光學(xué)計量技術(shù)

量子光學(xué)技術(shù)指應(yīng)用輻射的量子理論研究光輻射的產(chǎn)生、傳輸與測量的技術(shù)。量子光學(xué)技術(shù)主要用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測、保密通信等國防領(lǐng)域。量子光學(xué)計量是利用微觀和宏觀量子效應(yīng)，支撐光輻射量子基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、量傳及應(yīng)用的計量技術(shù)，涉及光輻射基本量（坎德拉）復(fù)現(xiàn)、雙光子相關(guān)、單光子成像探測、量子信息與通信等計量技術(shù)，為紅外輻射功率、光電探測器量子效率提供絕對校準(zhǔn)方法，為單光子微弱光源、單光子探測器以及量子成像探測系統(tǒng)、量子計算與通信系統(tǒng)等的研制提供計量保障。

在量子光學(xué)計量研究方面，研究了一種不依賴于高精度基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈的新型定標(biāo)理論和方法，采用相關(guān)光子技術(shù)實現(xiàn)了模擬探測器絕對光譜相應(yīng)度、紅外黑體輻射源輻亮度的高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)，突破了不同功率下光子速率測量等關(guān)鍵技術(shù)，研制了InSb 紅外探測器量子效率校準(zhǔn)裝置和黑體輻射源輻亮度校準(zhǔn)裝置，利用相關(guān)光子定標(biāo)技術(shù)實現(xiàn)探測器量子效率的定標(biāo)方法，為空間光學(xué)相關(guān)有效載荷的輻射定標(biāo)提供了計量技術(shù)保障。

3 武器型號保障光學(xué)計量技術(shù)

現(xiàn)代武器光電偵察感知系統(tǒng)主要以光電搜索跟蹤、光電隱身、精確制導(dǎo)、光電預(yù)警4 個領(lǐng)域的光電產(chǎn)品為代表。目前這些光電產(chǎn)品在國防尖端武器系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，已成為實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知、全源信息獲取、晝夜戰(zhàn)場監(jiān)視、目標(biāo)捕獲跟蹤、武器火力控制、精確打擊、光電對抗、毀傷評價等信息化裝備的核心光電產(chǎn)品。

國防科技工業(yè)光學(xué)一級計量站根據(jù)武器光電系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的特點和功能，圍繞武器光電系統(tǒng)在研制、定型、生產(chǎn)、外場及戰(zhàn)場環(huán)境下使用時存在的試驗及測試校準(zhǔn)問題，突破系列主戰(zhàn)裝備光電產(chǎn)品中多光譜、多傳感器、多功能、多專業(yè)、多模塊的復(fù)雜光電設(shè)備的綜合計量測試技術(shù)，研制建立了光電搜索跟蹤、光電隱身、光學(xué)導(dǎo)引、光電預(yù)警等領(lǐng)域的計量保障技術(shù)體系。

3.1 光電搜索跟蹤領(lǐng)域

在光電系統(tǒng)跟蹤精度測試技術(shù)研究中，突破了高幀頻CCD 動態(tài)高速圖像采集和信息處理技術(shù)，實現(xiàn)了穩(wěn)像平臺漂移曲線自動擬合，解決了光斑質(zhì)心的計算、亞像素圖像處理等問題，校準(zhǔn)裝置總體設(shè)計如圖7 所示，主要由大型動態(tài)模擬源、典型運動軌跡控制系統(tǒng)、搖擺臺、計算機控制及測量軟件等組成。其中大型動態(tài)模擬源采用拱形檢測架的形式，用于模擬無限遠(yuǎn)動目標(biāo)。通過典型運動軌跡控制系統(tǒng)控制平行光管發(fā)光，實現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)的模擬，并采用光電探測單元對各個運動軌跡進行準(zhǔn)確測試、補償、校正和分析；搖擺轉(zhuǎn)臺主要用于模擬武器光電平臺的運動特性。

圖 7 跟蹤精度校準(zhǔn)裝置總體設(shè)計圖Fig.7 Overall design diagram of tracking accuracy calibration device

達到的主要指標(biāo)為跟蹤精度測量范圍：0.05 mrad～0.5 mrad；跟蹤精度測量不確定度：U=0.05 mrad（k=2）。

3.2 光電隱身領(lǐng)域

在光電隱身領(lǐng)域，采用比較法測量原理，通過研究多光譜隱身技術(shù)、色度及其對比度校準(zhǔn)測試技術(shù)，攻克了可見到遠(yuǎn)紅外分光技術(shù)、圖譜信息提取與處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)探測器與數(shù)據(jù)采集設(shè)計技術(shù)等系列關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了可見到紅外波段隱身目標(biāo)的高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)測試，測量不確定度達到國際先進水平，為武器的隱身性能評估提供了計量保障和計量技術(shù)支持，裝置實物如圖8 所示。

圖 8 武器系統(tǒng)多光譜隱身校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.8 Physical photo of calibration device of missile system multi-spectral stealth

3.3 光學(xué)導(dǎo)引領(lǐng)域

在光電導(dǎo)引領(lǐng)域開展了成像導(dǎo)引頭校準(zhǔn)技術(shù)研究，解決了紅外微弱輻射信號探測、273 K～373 K黑體溫度精密控制、紅外動態(tài)目標(biāo)模擬器時間特性校準(zhǔn)、紅外動態(tài)目標(biāo)模擬器空間分辨率評價方法等多項關(guān)鍵技術(shù)。研制出了可見光動態(tài)目標(biāo)模擬器時間特性校準(zhǔn)裝置、紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源、紅外輻射傳遞標(biāo)準(zhǔn)、光源光軸校準(zhǔn)裝置、紅外動態(tài)目標(biāo)模擬器時間特性校準(zhǔn)裝置等。波段覆蓋可見至近紅外、中波紅外和長波紅外，紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源溫度范圍為280 K～570 K，溫度穩(wěn)定性達到0.02 K～0.1 K，傳遞標(biāo)準(zhǔn)的最小可分辨溫差達到0.01 K，可見光標(biāo)準(zhǔn)輻射源光源穩(wěn)定性達到1%，光軸校準(zhǔn)誤差達到±0.5 mrad，時間分辨力測量范圍為0.5 ms～100 ms。解決了當(dāng)前我軍多型導(dǎo)彈紅外和電視導(dǎo)引頭光電檢測設(shè)備輻射溫度、光照度、目標(biāo)模擬器時間特性、目標(biāo)模擬器空間分辨率等參數(shù)校準(zhǔn)難題，校準(zhǔn)裝置實物如圖9 所示。

圖 9 成像導(dǎo)引頭光電檢測設(shè)備校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.9 Physical photo of calibration device of imaging seeker photoelectric detection equipment

3.4 多光譜光軸一致性領(lǐng)域

在光電系統(tǒng)光軸平行性計量測試方面，突破無色差的便攜式卡塞格林光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了對激光、紅外、可見光光軸校準(zhǔn)。光軸平行性校準(zhǔn)裝置由目標(biāo)發(fā)生模塊、圖像采集處理模塊2 部分組成。前者包括便攜式準(zhǔn)直箱、綜合測試分劃組件和調(diào)整平臺，后者包括光斑位置探測電路模塊，以及計算機、圖像卡、多軸平行性測量軟件。其中，綜合測試分劃組件又包括激光發(fā)射軸接收靶、可見光與紅外光目標(biāo)發(fā)生器等組件。光軸校準(zhǔn)裝置實物圖如圖10 所示，光軸一致性校準(zhǔn)測量不確定度為0.05 mrad。

圖 10 多光軸光電系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置實物圖Fig.10 Physical photo of calibration device of multi-axial photoelectric system

4 測試儀器研制

目前，軍用光電技術(shù)及其系統(tǒng)發(fā)展迅猛，它們已廣泛應(yīng)用于偵察、火控、制導(dǎo)、訓(xùn)練模擬及光電對抗等軍事領(lǐng)域，由可見光、激光、微光、紅外等光電傳感器構(gòu)成的軍用光電裝備在新一代型號裝備中得到了廣泛和大量應(yīng)用，并在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，涉及艦載光電裝備、機載光電裝備、星載光電裝備、彈載光電裝備、單兵裝備及坦克、步兵戰(zhàn)車光電裝備等。為了滿足武器光電系統(tǒng)發(fā)展的需求，需要研制現(xiàn)役武器光電系統(tǒng)、新概念武器、激光點火工程及高清對地觀測等重大科技工程，以及前沿新技術(shù)裝備性能參數(shù)測試與評價所需的測試儀器。由于武器光電系統(tǒng)種類多，因此要求用于軍用光電裝備性能參數(shù)測量的軍用光電測試儀器精度更高、穩(wěn)定性更好、種類更全。

國防光學(xué)一級計量站逐步建立了以高新武器光電測試體系、重大工程/專項測試體系、前沿光學(xué)技術(shù)測試體系等組成的軍用光電測試儀器體系，光學(xué)測試儀器對武器裝備的支撐技術(shù)體系如圖11 所示。測試對象包括了光源、光電探測器、光學(xué)材料及元器件、光學(xué)系統(tǒng)、光電整機等；測試參數(shù)包括了光譜特性、功率能量、輻射特性、成像特性等。

圖 11 軍用測試儀器支撐技術(shù)體系Fig.11 Support technology system of military test instruments

針對激光特性測量，具備激光偏振度測量儀、皮瓦皮焦量級激光功率計、熱釋電型高重復(fù)頻率激光功率能量計、量熱型激光功率能量計、飛秒激光自相關(guān)儀、激光光斑分析儀、激光M2因子測量儀、激光β因子/BQ因子測量儀、激光自準(zhǔn)直儀、大口徑光學(xué)元件透過率/反射率測量儀、強激光遠(yuǎn)場空間分布測量儀等測試儀器的研發(fā)能力。

針對紅外輻射測量，研制了紅外掃描輻射計、大口徑面源黑體發(fā)生器、紅外材料發(fā)射率測量儀和測溫?zé)嵯駜x等測試儀器，其中紅外材料發(fā)射率測量儀主要用于測量不同溫度、不同觀察方向下紅外材料和涂層光譜發(fā)射率的光學(xué)測量儀器，主要用在紅外隱身技術(shù)、紅外目標(biāo)特性研究和紅外輻射測量等領(lǐng)域。

針對可見光成像測量，研制了光學(xué)材料折射率測量儀、寬光譜橢偏儀、雙波段光學(xué)元件中心偏測量儀、電視成像系統(tǒng)MRC 測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀、光電跟蹤性能測量儀等，實現(xiàn)了光學(xué)材料、光學(xué)元件到光電整機的全方位性能參數(shù)測試。

代表性測試儀器產(chǎn)品有激光偏振度測量儀，基本原理為待測光依次通過勻速旋轉(zhuǎn)的1/4 波片和1 個固定偏振方向的線偏振片，波片的角速度為ωQWP，用光電探測器連續(xù)采集并測量輸出透過線偏振器的光信號，探測器接收到的光強I(t)既包括2 倍頻分量，也包含4 倍頻分量以及直流分量。光強I(t)與待測光的斯托克參數(shù)S0、S1、S2、S4以及1/4 波片調(diào)制頻率之間滿足：

通過探測器輸出信號進行傅里葉變換分析，從而獲得待測光的偏振度、偏振方位角以及橢偏率值。達到的主要指標(biāo)為工作波長：400 nm～1 700 nm；偏振度測量不確定度：0.5%；偏振方位角和橢偏率測量不確定度：0.5°。產(chǎn)品三維模型圖如圖12所示。

圖 12 激光偏振度測量儀測量原理及三維模型Fig.12 Measuring principle of laser polarization measuring instrument and its 3D model

紅外材料發(fā)射率測量儀，如圖13 所示，主要由樣品爐、參考黑體、光譜分光裝置及光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器等組成。相同溫度的樣品和參考黑體發(fā)出的輻射，通過切換進入探測光路，其中孔徑光闌限制能量，光譜分光裝置分光后，最后被光學(xué)系統(tǒng)收集到紅外探測器上。黑體的發(fā)射率可以經(jīng)過計量校準(zhǔn)得到，樣品和黑體的光譜輻射相比較即可得到被測樣品的法向光譜發(fā)射率。

圖 13 紅外材料發(fā)射率測量儀實物圖Fig.13 Physical photo of infrared materials emissivity measuring instrument

雙波段光學(xué)元件中心偏測量儀的三維模型如圖14 所示。

圖 14 雙波段光學(xué)元件中心偏測量儀Fig.14 Center deviation measuring instrument for dualband optical elements

利用光學(xué)測量頭發(fā)出一束與空氣軸承旋轉(zhuǎn)軸精確對心的聚焦激光光束，光束經(jīng)空氣軸承帶動旋轉(zhuǎn)的測量樣品上表面反射。如果被測透鏡的光軸恰好與旋轉(zhuǎn)軸重合，反射的光束在觀察界面產(chǎn)生一個在中心位置固定的圓斑；若被測透鏡的光軸與旋轉(zhuǎn)軸略有偏差，反射光束在觀察界面上的反射光就會形成一個不斷旋轉(zhuǎn)的光斑。通過調(diào)整反射光斑的位置，使反射光束的光軸與旋轉(zhuǎn)軸夾角最小，達到高精密鏡頭組裝定心的目的。達到的主要指標(biāo)為光源波長：0.633 μm、3.39 μm；最大可測樣品直徑：200 mm；TIR 分辨率：0.2 μm；角度分辨率：1"；可測樣品曲率半徑范圍：20 mm～5 000 mm。

電視成像系統(tǒng)性能參數(shù)測量儀如圖15 所示。由目標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生均勻照明的測試目標(biāo)，包括：分辨率目標(biāo)、十字目標(biāo)、狹縫目標(biāo)及星點目標(biāo)，經(jīng)過光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)將光束整形為平行光后入射到被測電視成像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過采集電視成像系統(tǒng)輸出視頻信號。通過對視頻圖像進行判讀、分析、計算，得到電視成像系統(tǒng)分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)、畸變、視場等主要性能參數(shù)的測量結(jié)果[10]。

圖 15 電視成像性能參數(shù)測量儀三維設(shè)計圖Fig.15 Three-dimensional design diagram of TV imaging performance parameter measuring instrument

達到的主要指標(biāo)為光譜范圍：400 nm～2 000 nm；光源照度范圍：3×10-5lx～3×104lx；口徑：Ф150 mm；視場測量范圍：±15°；視場測量不確定度：0.05°；分辨率測量不確定度：2″；畸變測量不確定度：0.3%；MTF 測量不確定度：0.05。

紅外掃描輻射計組成原理圖如圖16 所示。其基本原理是目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射經(jīng)過輻射計主機的光學(xué)系統(tǒng)后，在斬波片的作用下與輻射計內(nèi)參考黑體的輻射光交替進入探測器組件，探測器的輸出信號和同步參考信號經(jīng)過數(shù)字化處理后，傳輸給計算機，由計算機內(nèi)的操作控制軟件，作為“軟件鎖相放大器”對這些信號處理，得到目標(biāo)的輻射溫度和輻射亮度。

圖 16 紅外掃描輻射計組成原理圖Fig.16 Schematic diagram of infrared scanning radiometer composition

皮瓦激光功率和皮焦激光能量計三維模型如圖17 所示。

圖 17 皮瓦激光功率和皮焦能量計樣機外型結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Structure diagram of picowatt laser power and energy meter prototype

采用光電二極管（Si 或InGaAs 光電二極管）將待測微弱激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，對電信號進行放大、處理和標(biāo)校，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得待測激光功率值或能量值。達到的主要指標(biāo)為：光譜響應(yīng)范圍：0.18 μm～1.10 μm/0.7 μm～1.80 μm；功率測量范圍：3 nW～3 mW/3 nW～3 mW；能量測量范圍：1 pJ～300 nJ/30 pJ～3 μJ ；最高脈沖測量頻率：2 kHz/200 Hz；測量精度：±5%。

超短激光脈寬測試儀三維模型如圖18 所示。采用自相關(guān)法測量飛秒及皮秒激光脈沖寬度，即通過測量超短激光脈沖自掃描相關(guān)二次諧波曲線（自相關(guān)曲線）的半寬度來獲得飛秒激光的脈沖寬度。待測超短激光脈沖經(jīng)過分束鏡分成2 束光，2 束光分別經(jīng)延遲單元角反射鏡反射后由透鏡聚焦于非線性倍頻晶體，非線性倍頻晶體處2 束入射光合成波矢量滿足相位匹配條件將產(chǎn)生二次倍頻信號（自相關(guān)曲線），倍頻信號僅與2 束光強和時間延遲量（相位延遲量）有關(guān)。倍頻信號通過濾光片和光闌后被光電探測模塊接收，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得待測激光脈沖寬度。

圖 18 超短激光脈寬測試儀三維模型Fig.18 Three-dimensional model of ultrashort laser pulse width tester

紫外可見光高分辨率影像校正光譜儀工作原理如圖19 所示。

圖 19 紫外可見光高分辨率影像校正光譜儀工作原理圖Fig.19 Working principle diagram of UV visible light highresolution image correction spectrometer

達到的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為光譜范圍：185 nm～1 000 nm；光譜分辨率：0.018 nm（@2 400 l/mm）；波長準(zhǔn)確度：±0.05 nm；波長重復(fù)測量精度：±0.005 nm；所測瞬態(tài)光源脈寬范圍：100 ns～1 s。

5 未來發(fā)展方向

現(xiàn)代武器裝備所需的高準(zhǔn)確度、高靈敏度、光電對抗、光學(xué)隱身等要求，使其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的光學(xué)計量涉及極寬的測量范圍和相當(dāng)小的測量不確定度。同時為保障武器裝備在各種情況下的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，對光學(xué)計量也提出了實時動態(tài)、綜合集成計量、不同環(huán)境適應(yīng)下計量等更高的要求。

我國武器系統(tǒng)的光學(xué)計量體系龐大復(fù)雜，武器光電系統(tǒng)、分系統(tǒng)、傳感器等涉及的科技領(lǐng)域廣、技術(shù)難度高，要求計量的參數(shù)多、精度高、量程大、頻帶寬。未來國防光學(xué)計量的發(fā)展趨勢和特點主要有：

1）量值向兩端延伸，計量測試由常態(tài)到非常態(tài)甚至極端態(tài)。

隨著武器裝備的發(fā)展，目前要滿足新一代高科技武器裝備的需求，量限必須向兩端大大延伸，向“微小、超大、極強、甚弱”方向發(fā)展。如：波段變寬，從200 nm 的紫外變?yōu)?0 μm 遠(yuǎn)紅外，甚至THz輻射的亞毫米波；量程增大，激光能量增至10-15J～106J，光照度增至10-7lx～106lx，光脈沖寬度從10-15s 增至連續(xù)波。

2）室內(nèi)、靜態(tài)測量向外場、動態(tài)測量發(fā)展。

隨時間變化的外場真實環(huán)境的動態(tài)測量更接近實際，在武器裝備研制和使用中，經(jīng)常會遇到各種外場、動態(tài)測量問題。

3）單參數(shù)計量向多參數(shù)，以及武器型號光電系統(tǒng)、分系統(tǒng)、整機綜合參數(shù)計量測試轉(zhuǎn)變，同時更加強調(diào)光學(xué)計量的體系化發(fā)展。現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭的特點是戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)，武器裝備向集成化和信息化發(fā)展，一體化的綜合電子信息系統(tǒng)是體系建設(shè)的重點，武器裝備技術(shù)保障也必須向著系統(tǒng)、綜合、多參數(shù)的計量和校準(zhǔn)方向發(fā)展。

4）由建立標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)器具檢測為主向為武器裝備重點型號科研生產(chǎn)及重大科技專項提供全過程、全系統(tǒng)計量測試保障服務(wù)轉(zhuǎn)變。

科技要發(fā)展，計量需先行。展望未來，國防光學(xué)計量應(yīng)堅持體系化發(fā)展的原則，逐步建立較為完善的國防軍工光學(xué)計量技術(shù)體系、研發(fā)體系、支撐保障體系、標(biāo)準(zhǔn)體系等，滿足高新光電武器裝備、國家/軍事重大工程、光學(xué)前沿技術(shù)對光學(xué)計量的的迫切需求。