紅外激光雙模復合導引頭分離孔徑式光學系統性能研究

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 中國科學院半導體研究所，北京 100083)

0 引言

當前,國內外空面導彈末制導體制通常采用激光、紅外成像、毫米波雷達等單模體制,或上述體制復合形成雙模及三模體制[1],如美國AGM-114地獄火導彈可根據目標選擇激光半主動、紅外成像、激光紅外復合三種導引方式[2]。從需求看,為提高通用化程度、降低經濟性成本,空面導彈需打擊目標種類日趨增多。車輛、艦船和建筑等目標特性差異較大,對末制導探測體制要求不同,單純依靠一種單模探測體制難以同時實現多類目標有效探測、識別和跟蹤[3]。此外,單模制導效果受惡劣戰場環境影響較大。單一激光半主動制導雖然精度較高,但需要持續提供目標照射保障,且易受戰場煙霧、沙塵等環境影響。多模復合導引體制具有更好的戰場環境適應能力、抗干擾能力和作戰使用靈活性等,從而成為導引頭的發展趨勢之一[4]。毫米波雷達體制雖然具有較好的抗背景干擾能力,但其成本較高,結構復雜[5];半主動激光體制具有命中精度高、作用距離較遠、穩定性高等優勢[6];紅外被動成像體制能夠通過人工點選或目標識別技術實現對目標物關鍵部位的精確打擊[7]。因此,將激光半主動體制與紅外成像體制結合,成為提升制導導引頭性能的一個重要途徑。

1 分離孔徑式光學系統設計

紅外激光雙模復合導引頭包含光學系統(含頭罩)、紅外成像單元組件、信息處理器,激光探測器、激光探測器驅動板、激光信號處理板、融合控制平臺、電源功放模塊、電氣及結構等部件[8-11]。光學系統由紅外、激光光學分系統組成,按照光學布置方式可分為共孔徑式和分離孔徑式兩類[12-14],其中共孔徑式光學系統激光光軸和紅外光軸重合,位于光學系統幾何中心;分離孔徑式光學系統紅外光軸位于光學系統幾何中心,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。

在同一機械口徑、相同球形頭罩面積、跟蹤距離和搜索范圍約束下,設計的共孔徑式光學系統、分離孔徑式光學系統光路布置如圖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。在共孔徑式光學系統中,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。在分離孔徑式光學系統中,紅外與激光分別由各自的光路進入探測器完成信號探測。

圖2 導引頭光學系統 Fig.2 Optical system of seeker

從光學系統總體方案看,共孔徑式光學系統雖然實現了激光、紅外光軸重合,降低了裝調難度,但是激光探測系統位于紅外光學正中間,對紅外光學部件和紅外成像質量影響較大。激光探測系統結構件受熱或遇冷產生的應變會壓迫紅外透鏡,從而增大場曲等像差;其次,激光探測系統在工作中散熱會影響到紅外成像質量。分離孔徑式光學系統將激光、紅外光路分開布置,雖一定程度上會增大裝調難度,但其光路設計簡單,可有效降低激光光學系統對紅外光學系統遮擋程度以及激光探測系統散熱對紅外的影響,提高紅外系統成像質量。

2 紅外光學參數對比分析

為進一步量化對比分析兩類光學系統紅外分系統性能,在相同約束條件下,選取調制傳遞函數(MTF)、漸暈、最小可分辨溫差(MRTD)和噪聲等效溫差(NETD)等四個紅外主要性能參數進行仿真計算和實驗測試,結果表明,分離孔徑式光學系統紅外特性要優于共孔徑式光學系統。

2.1 調制傳遞函數

MTF是空間分辨率的函數,定量描述了一個光學系統分辨率和對比度,MTF越大,光學系統性能越好。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。在實際研制中,因為像差或鏡片間的耦合影響,MTF會有降低或升高。

所有成像元件,對分辨率板成像時,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。實驗采用15 μm像元傳感器,則極限分辨線對數Lc可表示為:

(2)

由此得出其極限分辨線對數為33(即33 lp/mm),此時根據光學設計和測試經驗表示,當MTF>0.3時,光學系統良好。

對于常溫中的15 μm像元傳感器,MTF仿真結果如圖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

結果表明,共孔徑系統的MTF曲線顯著低于分離孔徑系統的MTF曲線。當極限分辨線對數為33時,共孔徑式光學系統的MTF值為0.2,而分離孔徑式光學系統的MTF值為0.35,相對于前者提高了75%。因為中心開孔遮擋等效于增大了系統F數,導致衍射極限降低,而側邊開孔只是對部分視場進行了遮擋,整體的分辨能力沒有下降。因此側邊開孔分辨能力更強,從而提升紅外成像分系統的空間分辨率。

2.2 漸暈

激光光學分系統嵌入紅外光學分系統,不可避免會對紅外產生遮擋。漸暈表征了軸外光束被攔截的程度,被攔截的能量越多,光學系統作用距離就越近,成像質量也較差。離軸越遠的光線經過光學系統的有效孔徑越小,其在離軸像面上的光強度就越弱,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系統,在常溫條件下漸暈系數仿真結果表明,分離孔徑式系統的漸暈系數沒有隨光入射角度而發生下降,而共孔徑式系統在視場邊緣漸暈系數有明顯下降,圖像均勻性變差。

此外,分離孔徑式系統側邊開孔僅有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%。激光光學分系統位于紅外光學分系統中心時,紅外被遮擋的能量值要高于其位于紅外光學分系統邊界時被遮擋的能量值。因此,分離孔徑式光學系統能夠接收更多的能量,從而提升紅外成像分系統的作用距離。

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目標背景區分能力大小。其值越小,紅外成像分系統對溫差敏感度越高,區分目標背景能力也就越強。MRTD計算公式為:

(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。

在實驗室環境下采用黑體、平行光管、標準四條靶標等標準設備對兩種系統的MRTD值進行測試。實驗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

實驗結果如表1所示。

表1 MRTD測試結果Table 1 Experimental results of MRTD

從測試結果可以看出,分離孔徑式光學系統可以分辨溫差0.7 K的相鄰物體。共孔徑式光學系統只能分辨溫差2 K的相鄰物體。分離孔徑式光學系統的最小可分辨溫差更小,易于區分與背景溫度差異小的目標。

2.4 噪聲等效溫差

NETD主要用于表征紅外成像系統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。

在常溫環境下,利用黑體、平行光管、標準靶標等標準設備對兩種光學系統進行測試。首先利用紅外熱成像系統對恒溫均勻黑體進行多次成像,之后對多幅圖像進行直方圖統計,如圖6所示。直方圖分布接近高斯分布,該分布的標準差(Std)即可換算為該紅外成像系統的NETD值。實驗結果如表2所示。

表2 NETD測試結果Table 2 Experimental result of NETD

圖6 紅外相機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

結果表明,分離孔徑式光學系統NETD達到22.2 mK,共孔徑式光學系統NTED值為56.9 mK,前者比后者降低了61%。分離孔徑式光學系統具有更低的熱噪聲干擾,以及更高的目標圖像清晰度。

3 分離孔徑式光學系統激光光學參數分析

在分離孔徑式光學系統中,由于頭罩的影響,激光光斑零位會發生偏移,如圖7所示。為研究零位偏移對激光偏角特性影響,在常溫實驗室環境中,利用平行光管、激光目標模擬器等設備,在對零位進行定值補償前提下,對分離孔徑式光學系統全視場下的激光光斑位移進行仿真和實驗分析。

圖7 激光光路Fig.7 Laser light path diagram

設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。實驗采用質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準則。質心相對偏移量的計算公式如式(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)

實驗分別對水平和俯仰瞬時視場進行測試。水平和俯仰瞬時視場范圍都為(-3°, 3°)。測試結果如圖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

實驗結果表明,非共軸光學條件下光斑的偏移量基本滿足線性變化。使用非共軸光學不會增加激光測角解算的計算負擔和降低測角精度。

4 結論

從理論計算和實驗分析可知,當激光光學口徑與紅外光學口徑比例約為1∶3.7時,分離孔徑式在MTF、漸暈、MRTD、NETD等指標上比共孔徑式有較大提升。這是因為共孔徑式光學系統中激光探測模組位于紅外光學中心,遮擋了較多的紅外信號,影響到紅外成像效果。當兩者口徑比例繼續增大時,共孔徑式光學的性能會急劇下降。分離孔徑式光學系統將中心位置讓給紅外成像分系統,有效降低了激光探測模組散熱對紅外圖像質量的影響,提高了紅外成像質量和探測距離,且并未增加激光角度測量的計算開銷和算法復雜度。在解決厚度不均勻透鏡邊緣打孔工藝、振動隔離等難題后,對激光紅外口徑比較高,系統體積較大、作用距離要求較遠的激光紅外復合制導導彈,分離孔徑式設計不失為一個可行的選擇方案。