紅外激光雙模復(fù)合導(dǎo)引頭分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)性能研究

范 俊，李冬梅，魏靖彪，黃 海，陳 策

(1 陸軍航空兵研究所，北京 101121；2 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

0 引言

當(dāng)前,國內(nèi)外空面導(dǎo)彈末制導(dǎo)體制通常采用激光、紅外成像、毫米波雷達(dá)等單模體制,或上述體制復(fù)合形成雙模及三模體制[1],如美國AGM-114地獄火導(dǎo)彈可根據(jù)目標(biāo)選擇激光半主動(dòng)、紅外成像、激光紅外復(fù)合三種導(dǎo)引方式[2]。從需求看,為提高通用化程度、降低經(jīng)濟(jì)性成本,空面導(dǎo)彈需打擊目標(biāo)種類日趨增多。車輛、艦船和建筑等目標(biāo)特性差異較大,對末制導(dǎo)探測體制要求不同,單純依靠一種單模探測體制難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多類目標(biāo)有效探測、識別和跟蹤[3]。此外,單模制導(dǎo)效果受惡劣戰(zhàn)場環(huán)境影響較大。單一激光半主動(dòng)制導(dǎo)雖然精度較高,但需要持續(xù)提供目標(biāo)照射保障,且易受戰(zhàn)場煙霧、沙塵等環(huán)境影響。多模復(fù)合導(dǎo)引體制具有更好的戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)能力、抗干擾能力和作戰(zhàn)使用靈活性等,從而成為導(dǎo)引頭的發(fā)展趨勢之一[4]。毫米波雷達(dá)體制雖然具有較好的抗背景干擾能力,但其成本較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5];半主動(dòng)激光體制具有命中精度高、作用距離較遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢[6];紅外被動(dòng)成像體制能夠通過人工點(diǎn)選或目標(biāo)識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物關(guān)鍵部位的精確打擊[7]。因此,將激光半主動(dòng)體制與紅外成像體制結(jié)合,成為提升制導(dǎo)導(dǎo)引頭性能的一個(gè)重要途徑。

1 分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外激光雙模復(fù)合導(dǎo)引頭包含光學(xué)系統(tǒng)(含頭罩)、紅外成像單元組件、信息處理器,激光探測器、激光探測器驅(qū)動(dòng)板、激光信號處理板、融合控制平臺、電源功放模塊、電氣及結(jié)構(gòu)等部件[8-11]。光學(xué)系統(tǒng)由紅外、激光光學(xué)分系統(tǒng)組成,按照光學(xué)布置方式可分為共孔徑式和分離孔徑式兩類[12-14],其中共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)激光光軸和紅外光軸重合,位于光學(xué)系統(tǒng)幾何中心;分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)紅外光軸位于光學(xué)系統(tǒng)幾何中心,激光光軸和紅外光軸平行,位于紅外光軸俯仰向正上方,如圖1所示。

在同一機(jī)械口徑、相同球形頭罩面積、跟蹤距離和搜索范圍約束下,設(shè)計(jì)的共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)、分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)光路布置如圖2所示。其中,紅外鏡頭口徑為99 mm,長度為92 mm,激光鏡頭口徑為37 mm,長度為50 mm。激光與紅外口徑比例為1∶3.7。在共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)中,紅外激光信號透過頭罩,通過共孔徑物鏡收縮口徑,由分光鏡組反射激光,透射紅外,分別由紅外探測器和激光探測器完成信號探測。在分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)中,紅外與激光分別由各自的光路進(jìn)入探測器完成信號探測。

圖2 導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng) Fig.2 Optical system of seeker

從光學(xué)系統(tǒng)總體方案看,共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了激光、紅外光軸重合,降低了裝調(diào)難度,但是激光探測系統(tǒng)位于紅外光學(xué)正中間,對紅外光學(xué)部件和紅外成像質(zhì)量影響較大。激光探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件受熱或遇冷產(chǎn)生的應(yīng)變會壓迫紅外透鏡,從而增大場曲等像差;其次,激光探測系統(tǒng)在工作中散熱會影響到紅外成像質(zhì)量。分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)將激光、紅外光路分開布置,雖一定程度上會增大裝調(diào)難度,但其光路設(shè)計(jì)簡單,可有效降低激光光學(xué)系統(tǒng)對紅外光學(xué)系統(tǒng)遮擋程度以及激光探測系統(tǒng)散熱對紅外的影響,提高紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量。

2 紅外光學(xué)參數(shù)對比分析

為進(jìn)一步量化對比分析兩類光學(xué)系統(tǒng)紅外分系統(tǒng)性能,在相同約束條件下,選取調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、漸暈、最小可分辨溫差(MRTD)和噪聲等效溫差(NETD)等四個(gè)紅外主要性能參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試,結(jié)果表明,分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)紅外特性要優(yōu)于共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)。

2.1 調(diào)制傳遞函數(shù)

MTF是空間分辨率的函數(shù),定量描述了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)分辨率和對比度,MTF越大,光學(xué)系統(tǒng)性能越好。其公式為:

(1)

式中:φ=arcsin(ξ/ξc),ξc=1/λ。ξ代表空間分辨率,ξc代表截止頻率。在實(shí)際研制中,因?yàn)橄癫罨蜱R片間的耦合影響,MTF會有降低或升高。

所有成像元件,對分辨率板成像時(shí),線條邊緣會在一定程度上變得模糊,高分辨率圖像模糊較小,低分辨率圖像模糊較大。實(shí)驗(yàn)采用15 μm像元傳感器,則極限分辨線對數(shù)Lc可表示為:

(2)

由此得出其極限分辨線對數(shù)為33(即33 lp/mm),此時(shí)根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)和測試經(jīng)驗(yàn)表示,當(dāng)MTF>0.3時(shí),光學(xué)系統(tǒng)良好。

對于常溫中的15 μm像元傳感器,MTF仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 MTF(常溫)仿真曲線Fig.3 MTF simulation curve (normal temperature)

圖4 漸暈仿真曲線Fig.4 Vignetting simulation curve

結(jié)果表明,共孔徑系統(tǒng)的MTF曲線顯著低于分離孔徑系統(tǒng)的MTF曲線。當(dāng)極限分辨線對數(shù)為33時(shí),共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)的MTF值為0.2,而分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)的MTF值為0.35,相對于前者提高了75%。因?yàn)橹行拈_孔遮擋等效于增大了系統(tǒng)F數(shù),導(dǎo)致衍射極限降低,而側(cè)邊開孔只是對部分視場進(jìn)行了遮擋,整體的分辨能力沒有下降。因此側(cè)邊開孔分辨能力更強(qiáng),從而提升紅外成像分系統(tǒng)的空間分辨率。

2.2 漸暈

激光光學(xué)分系統(tǒng)嵌入紅外光學(xué)分系統(tǒng),不可避免會對紅外產(chǎn)生遮擋。漸暈表征了軸外光束被攔截的程度,被攔截的能量越多,光學(xué)系統(tǒng)作用距離就越近,成像質(zhì)量也較差。離軸越遠(yuǎn)的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的有效孔徑越小,其在離軸像面上的光強(qiáng)度就越弱,形成了由中心軸向離軸暈開的影像。漸暈使得圖像傳感器成像邊界的亮度低于成像中心。

對于共孔徑式和分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng),在常溫條件下漸暈系數(shù)仿真結(jié)果表明,分離孔徑式系統(tǒng)的漸暈系數(shù)沒有隨光入射角度而發(fā)生下降,而共孔徑式系統(tǒng)在視場邊緣漸暈系數(shù)有明顯下降,圖像均勻性變差。

此外,分離孔徑式系統(tǒng)側(cè)邊開孔僅有15%的光線受到遮擋,而共孔徑式中心開孔使得40%以上的光線被遮擋,比前者高25%。激光光學(xué)分系統(tǒng)位于紅外光學(xué)分系統(tǒng)中心時(shí),紅外被遮擋的能量值要高于其位于紅外光學(xué)分系統(tǒng)邊界時(shí)被遮擋的能量值。因此,分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)能夠接收更多的能量,從而提升紅外成像分系統(tǒng)的作用距離。

2.3 最小可分辨溫差

最小可分辨溫差(MRTD)表征了紅外成像分系統(tǒng)目標(biāo)背景區(qū)分能力大小。其值越小,紅外成像分系統(tǒng)對溫差敏感度越高,區(qū)分目標(biāo)背景能力也就越強(qiáng)。MRTD計(jì)算公式為:

(3)

式中:ΔTp是灰度可分辨的高溫條紋溫度值;ΔTn為灰度可分辨的低溫條紋溫度值;f是空間頻率。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用黑體、平行光管、標(biāo)準(zhǔn)四條靶標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對兩種系統(tǒng)的MRTD值進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)用的四桿靶空間頻率為3.54 cy/mrad,如圖5所示。

圖5 MRTD測試用四桿靶Fig.5 4-Bar Target for MRTD experiments

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 MRTD測試結(jié)果Table 1 Experimental results of MRTD

從測試結(jié)果可以看出,分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)可以分辨溫差0.7 K的相鄰物體。共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)只能分辨溫差2 K的相鄰物體。分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)的最小可分辨溫差更小,易于區(qū)分與背景溫度差異小的目標(biāo)。

2.4 噪聲等效溫差

NETD主要用于表征紅外成像系統(tǒng)中噪聲對溫度值探測的影響程度。NETD越小,噪聲對紅外圖像的影響就越小。

在常溫環(huán)境下,利用黑體、平行光管、標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對兩種光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測試。首先利用紅外熱成像系統(tǒng)對恒溫均勻黑體進(jìn)行多次成像,之后對多幅圖像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì),如圖6所示。直方圖分布接近高斯分布,該分布的標(biāo)準(zhǔn)差(Std)即可換算為該紅外成像系統(tǒng)的NETD值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 NETD測試結(jié)果Table 2 Experimental result of NETD

圖6 紅外相機(jī)對恒溫均勻黑體表面成像灰度直方圖分布Fig.6 The gray histogram distribution of infrared camera image of the constant temperature homogeneous blackbody surface

結(jié)果表明,分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)NETD達(dá)到22.2 mK,共孔徑式光學(xué)系統(tǒng)NTED值為56.9 mK,前者比后者降低了61%。分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)具有更低的熱噪聲干擾,以及更高的目標(biāo)圖像清晰度。

3 分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)激光光學(xué)參數(shù)分析

在分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)中,由于頭罩的影響,激光光斑零位會發(fā)生偏移,如圖7所示。為研究零位偏移對激光偏角特性影響,在常溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,利用平行光管、激光目標(biāo)模擬器等設(shè)備,在對零位進(jìn)行定值補(bǔ)償前提下,對分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)全視場下的激光光斑位移進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析。

圖7 激光光路Fig.7 Laser light path diagram

設(shè)激光四象限探測器感光面的能量分布分別為I1,I2,I3,I4,如圖8所示。實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)心在水平向和俯仰向的相對偏移量作為激光偏角特性評價(jià)準(zhǔn)則。質(zhì)心相對偏移量的計(jì)算公式如式(4)所示。

圖8 激光四象限探測器感光面的能量分布Fig.8 Energy distribution on the light-sensitive surface of the laser four-quadrant sensor

(4)

實(shí)驗(yàn)分別對水平和俯仰瞬時(shí)視場進(jìn)行測試。水平和俯仰瞬時(shí)視場范圍都為(-3°, 3°)。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 分離孔徑式激光光斑俯仰和偏航角度變化圖Fig.9 Pitch and yaw angle trend of laser facula in separated-aperture optics

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,非共軸光學(xué)條件下光斑的偏移量基本滿足線性變化。使用非共軸光學(xué)不會增加激光測角解算的計(jì)算負(fù)擔(dān)和降低測角精度。

4 結(jié)論

從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析可知,當(dāng)激光光學(xué)口徑與紅外光學(xué)口徑比例約為1∶3.7時(shí),分離孔徑式在MTF、漸暈、MRTD、NETD等指標(biāo)上比共孔徑式有較大提升。這是因?yàn)楣部讖绞焦鈱W(xué)系統(tǒng)中激光探測模組位于紅外光學(xué)中心,遮擋了較多的紅外信號,影響到紅外成像效果。當(dāng)兩者口徑比例繼續(xù)增大時(shí),共孔徑式光學(xué)的性能會急劇下降。分離孔徑式光學(xué)系統(tǒng)將中心位置讓給紅外成像分系統(tǒng),有效降低了激光探測模組散熱對紅外圖像質(zhì)量的影響,提高了紅外成像質(zhì)量和探測距離,且并未增加激光角度測量的計(jì)算開銷和算法復(fù)雜度。在解決厚度不均勻透鏡邊緣打孔工藝、振動(dòng)隔離等難題后,對激光紅外口徑比較高,系統(tǒng)體積較大、作用距離要求較遠(yuǎn)的激光紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈,分離孔徑式設(shè)計(jì)不失為一個(gè)可行的選擇方案。