某型紅外光學導引系統(tǒng)改進設計研究

張宇飛 李文豪 王東振

摘要：為增強某型紅外制導系統(tǒng)的抗干擾性能，進一步解決修理過程中備件不足及與國產化器件的性能匹配問題，在保持該型系統(tǒng)氣動外形不變的基礎上，設計了一款紅外成像系統(tǒng)，理論上可以實現(xiàn)從點源制導方式到成像制導方式的改變。該系統(tǒng)采用3片透射式結構，工作波段3～5μm，瞬時視場角±3.5°。系統(tǒng)長度符合原系統(tǒng)空間及大旋轉角（≥60°）的要求，在空間頻率20lp/mm處的調制傳遞函數(shù)值大于0.7，并具備100%冷光闌效率，可滿足實際成像需求。

關鍵詞：紅外制導武器；紅外成像制導；光學設計

Keywords：infrared-guided weapon；infrared imaging guidance；optical design

0 引言

紅外制導武器的制導方式主要分為點源尋的制導和熱成像制導，這兩種方式都是利用制導武器中的光學系統(tǒng)和紅外探測系統(tǒng)接收空間目標的紅外輻射并轉換為電流電壓信號，使導彈完成搜索、截獲、攻擊目標的工作。兩種制導方式的區(qū)別在于：點源尋的制導方式是將空間景物當作點光源，通過特定幾何結構（調制盤圖樣或多元探測器）對紅外信號進行空間調制，從而識別目標并實現(xiàn)跟蹤打擊；熱成像制導則是將空間景物當作面輻射源，利用背景與目標之間及目標本身不同位置的溫度差別，在凝視焦平面探測器（FPA）上形成具有明顯強弱對比的圖像，直觀顯示目標與背景。

點源尋的制導武器大多采用調制盤或多元探測器處理紅外輻射信息，調制后的電信號需經后續(xù)多種電路處理判斷，目標識別過程中不易排除張角較小的空天背景和點源紅外干擾影響，容易被曳光彈、紅外誘餌和紅外激光干擾系統(tǒng)等誘惑而偏離甚至丟失目標，區(qū)分多個目標的能力較弱。熱成像制導不僅能在紅外圖像上分辨目標與背景，甚至可以顯示目標輪廓，有力克服了點源制導的不足，大大提高了抗干擾性能。目前，國內外紅外制導武器的研究焦點與設計理念已向成像制導方式靠攏，這也是未來紅外制導武器發(fā)展的大方向[1，2]。

1 某型紅外制導光學系統(tǒng)性能分析

某型紅外制導系統(tǒng)為點源尋的方式，其光學結構較為簡單，原理如圖1所示，系統(tǒng)采用卡塞格林雙反鏡結構，主反射鏡為凹形球面鏡，次反射鏡為平面鏡，且相對光軸有微小傾斜角，之后有1片會聚透鏡和“L”型二元探測器。系統(tǒng)工作時，陀螺電機帶動次反射鏡高速旋轉，光學系統(tǒng)在保持定軸性的同時，會聚光點偏離光軸，并在探測器上形成掃描圓。當跟蹤目標時，光學系統(tǒng)通過電機跟蹤平臺帶動，圍繞整流罩球心作大角度同心轉動。

通過測繪與仿真，該光學系統(tǒng)的光束遮攔比高達70%，且具有瞬時視場角小（≤2°）、大像差（中心光斑直徑≥400μm）和較大的能量損失，在多次抗干擾試驗與實際演練中發(fā)現(xiàn)，當空間同時出現(xiàn)多個紅外信號，其中包括人工投放的紅外誘餌彈和激光定向干擾信號時，系統(tǒng)對目標的截獲、跟蹤性能大大降低，其抗干擾算法的優(yōu)勢在復雜環(huán)境中逐漸喪失。另外，隨著服役時間增加，系統(tǒng)暴露出各種故障問題，如諸多構造獨特的組件、零部件損壞，使得維修中必須通過國產化定制或購買原備件進行更換，由此帶來的組件性能匹配問題和采購周期長、成本高等問題嚴重影響了系統(tǒng)后期的維護使用。

針對以上難題，通過改變光學系統(tǒng)的制導方式，將點源制導改為成像制導，理論上可以大幅提高系統(tǒng)抗干擾性能，同時還能解決原備件不足和個別器件國產化引起的性能匹配問題。另外，該紅外制導系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)在同類產品中設計較為獨特，使系統(tǒng)整體在使用時具有很大優(yōu)勢，但由于原制導光學系統(tǒng)的結構性能較差，直接用于成像是不可取的。本文旨在不改變系統(tǒng)氣動外形的前提下，充分考慮大旋轉角（≥60°）性能，重新設計一款成像光學系統(tǒng)，研究紅外成像制導在該導引系統(tǒng)中應用的可行性，從而進一步提高該型紅外系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 設計要求及指標

本文的目標是將點源制導方式改為熱成像制導方式，在不改變系統(tǒng)外形尺寸的前提下，主要考慮系統(tǒng)以下幾方面參數(shù)的變化：

1）合適的視場角范圍，提高紅外圖像對比度；

2）設定有效通光孔徑，提高像面照度與像質；

3）透鏡數(shù)量不宜過多，通過面型變化和材料色散校正像差。

目前，常用于紅外成像系統(tǒng)的光學結構有反射式、透射式、折反射式。三種形式各有優(yōu)缺點：反射式系統(tǒng)具有無色差、無熱差、質量輕等優(yōu)勢，但視場小，一般成像系統(tǒng)不采用此類結構；折反射式系統(tǒng)視場可適當擴大，系統(tǒng)長度也能相對縮短，但存在中心遮攔，降低了光通量和像質需求，且在引入透射元件后帶來色差和熱差，增加了安裝和校準的難度；透射式系統(tǒng)光路沒有中心遮攔，可獲得較高的通光效率，且可以通過選擇合適材料加工非球面，消除色差熱差，增大視場，提高像質，但系統(tǒng)長度相對較長。

基于改進要求，結合三種成像方式優(yōu)缺點，透射式結構是較為合適的選擇。由于原位標器具有大轉角的性能要求，新系統(tǒng)的長度不能超過整流罩外徑53mm，這樣才有能保證加裝制冷探測器后光學系統(tǒng)的擺動角幅度≥60°。綜上，制定如表1所示的設計指標要求。

3 成像系統(tǒng)結構與性能分析

根據(jù)上述設定參數(shù)，結合相關文獻[3]，并考慮中波光學系統(tǒng)中熱效應帶來的雜光影響，設計時將光闌位置定于制冷探測器前方冷屏處（約探測面前方10mm處），即將探測器冷屏作為光學系統(tǒng)孔徑光闌，使系統(tǒng)具有100%冷光闌效率。由于制導系統(tǒng)內部空間尺寸有嚴格限制，透射結構只能采用一次成像方式。

該光學系統(tǒng)由3片透鏡構成，材料為常用的鍺、硅[4，5]，除整流罩保留原有材料與面型尺寸外，光學鏡片的第一面、第六面透鏡采用非球面。光學系統(tǒng)（含整流罩）長度45mm，通光孔徑25mm，焦距33.4mm，像面直徑4.0mm，外形尺寸滿足要求，理論上可實現(xiàn)±90°大幅度擺動，系統(tǒng)設計如圖2所示。

圖3所示為光學系統(tǒng)點列圖，通過光線追跡得到的艾利斑半徑為6.46μm，不同視場角度光斑的均方根（RMS）半徑均小于系統(tǒng)艾里斑直徑，說明系統(tǒng)性能已達到衍射極限。

圖4所示為成像系統(tǒng)徑向能量分布曲線。從光斑能量集中角度衡量，圓圍能量曲線在25μm（1個像元）處包含了光斑95%以上的能量，與點列圖顯示的幾何光斑尺寸相當，說明與探測器匹配良好。

光學傳遞函數(shù)是評價光學系統(tǒng)成像質量優(yōu)劣的較為客觀、全面的指標。圖5所示為光學系統(tǒng)像調制傳遞函數(shù)（MTF）曲線，縱坐標為傳遞函數(shù)值，橫坐標為空間頻率。按照探測器的指標要求，取空間頻率為20lp/mm，此時該系統(tǒng)的全視場MTF均大于0.7，其中在常溫環(huán)境中，系統(tǒng)MTF值達到衍射極限；在高低溫的極限溫度情況下，系統(tǒng)MTF值有所下降，但也滿足高質量成像要求，說明光學透鏡選材和面型合適，環(huán)境溫度變化引起的像差在可接受范圍內。

像面畸變雖然不影響畫面分辨率，但會使圖像中某些景物變形，影響后期的圖像識別，因此在光學系統(tǒng)設計時要充分考慮圖像在邊緣視場的畸變情況。在該紅外成像系統(tǒng)中，瞬時視場角為±3.5°，通過系統(tǒng)仿真計算（計算結果見圖6），在極限高低溫情況下，系統(tǒng)邊緣視場的畸變量均不超過0.02%，說明系統(tǒng)優(yōu)化結果良好，邊緣視場的畸變可忽略，沒有對圖像識別帶來影響。

圖7所示為空天背景中的飛機目標通過紅外系統(tǒng)成像后的模擬灰度圖像。圖像顯示清晰，對原目標還原度較高，邊緣視場也未見明顯變形或模糊，說明系統(tǒng)設計及優(yōu)化結果可行。

4 結束語

該系統(tǒng)設計的難點在于系統(tǒng)內部空間長度嚴格受限，將折反式點源制導改變?yōu)橥干涫匠上裰茖Х绞綍r需滿足光機系統(tǒng)大角度（≥60°）擺動要求。利用非球面鏡所具有的有效減小像差和縮短系統(tǒng)長度的優(yōu)點，很好地解決了上述問題。與原光學系統(tǒng)相比，透射式系統(tǒng)無中心遮攔，有效提高了像面照度與像質；視場角擴大至±3.5°，可收集更多空天背景輻射，這些輻射在像面上作為基頻信息，加強了與目標信息的對比，且不至于視場過大而干擾過多；在材料與面型上，該系統(tǒng)使用了3片透鏡，2個面采用非球面，并將孔徑設置在冷屏上，材料選用廉價的鍺和硅，裝調難度小，且具有100%冷光闌效率。各項性能參數(shù)均表明，該系統(tǒng)可用于某型紅外制導系統(tǒng)，理論上實現(xiàn)了從點源制導向熱成像制導方式的轉變。

參考文獻

[1] 張紅梅.紅外制導系統(tǒng)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015：15-57.

[2] 葉本志，蔡希昌，邱娜.紅外制導技術的發(fā)展[J].紅外與激光工程， 2007，36（z2）：39-42.

[3] 丁學專，王欣，楊波.熱紅外成像系統(tǒng)的光學設計[C]//小衛(wèi)星技術交流會.2011.

[4] 張龍，陳雷，范有余.中紅外玻璃材料發(fā)展及前沿應用[J].光學學報，2011，31（9）.

[5] 張以謨.應用光學（第4版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：466-476.

作者簡介

張宇飛，助理工程師，研究方向為紅外制導系統(tǒng)與裝備維修。