SES红外成像导引头仿真系统和技术的发展

杜艳伟， 吴俊海， 程华奇， 龙华保

（1.上海航天控制技术研究所，上海201109；2.中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心，上海201109；3.第二炮兵驻上海地区军事代表室，上海200090）

0 引言

红外成像仿真技术在红外成像系统设计、性能评估等方面起着重要的作用。在导弹系统研发过程中，采用仿真技术可以大幅度地减少实弹试验次数，节约研制经费，缩短研制周期。上世纪70年代末，美国和欧洲已经发展了多种红外成像仿真系统，成功应用于导弹半实物仿真和红外导引头设计、试验和评估。在这些红外仿真系统中，美国林肯试验室的导引头试验系统（Seeker Ex-perimental System，SES）具有一定的先进性，处于红外成像仿真技术发展的前沿。

SES是在20世纪90年代中期发展起来的，主要用于承接林肯实验室参与的美国陆军和海军拦截器项目的中波红外焦平面阵列和算法测试，评估可供选择的焦平面阵列技术及其在仿真环境中的工作性能。SES可定量评估短波红外、中波红外和中波红外传感器的性能特性。除了用于导引头技术性能定量评定外，SES还可以用于任务仿真、算法开发和先进技术（如先进的信号处理器、大规格焦平面阵列和新的读出集成电路设计）验证。通过采用红外投影技术，SES能够验证在软件环境中开发和测试的算法。导引头试验系统已经成为实弹试验前用于开发和验证识别的反馈回路。SES已被用来验证多种拦截弹红外导引头系统的性能特性，并用于试验新算法和信号处理结构［1］。本文综述了SES的发展情况，着重阐述动态场景投影、复杂场景生成、低温场景投影、环境场景生成以及传感器测试等主要功能中涉及到的系统结构和技术特点。

1 动态红外场景投影

SES能够在室温和低温环境中生成静态和动态场景。完成场景生成的设备包括核光学动态显示系统（NODDS）、黑体辐射源和高速转向镜。一般情况下，NODDS能够独立完成场景生成；特殊境况下，NODDS 阵列与黑体电源通过合束器可以生成复杂场景。NODDS阵列嵌于桌面杜瓦组件进行工作。室温和低温场景投影系统各装有由核防御局开发的两个NODDS电阻阵列，阵列的规格为128×128和512×512，如图1所示。

NODDS电阻阵列有15%和53%两种不同填充率，每个发射单元采用像素间隔为50.9μm的阻抗微桥法设计［2］，单像素结构如图2所示。

图1 NODDS阻抗阵列照片

图2 NODDS 发射单元

NODDS的发射单元由MOSFET 产生的电流加热实现输出，芯片的最高物理温度达到700 K。按15%填充率设计的阵列能够实现300K 的长波红外和600K 的中波红外辐射。具有53%填充率的阵列额定输出是15%阵列的三倍，而在速度上是后者的三分之一。尽管每个单元的上升时间、下降时间和单元最大辐射量具有温度依赖性，NODDS可以达到100Hz（15%填充率）和33 Hz（53%填充率）的刷新率。

FIESTA 系统用于NODDS 阵列的驱动控制，将16bit的视频画面转变成电压为0.86V～3.65V 的电压信号。FIESTA 系统的核心是一台VME机箱，它内置11块电路板：1块PC 板驱动、2块调速电路板、4块PC 电源控制板、4块八通道数字／模拟转换板。系统配备了数模遥控盒和电源，并为数模转换器的每个通道配备了RAID 驱动电路。FIESTA 系统将生成视频存储在容量400 GB 的RAID 存储器中，并且以240 Hz的速率播放原始图像。FIESTA 支持实时和非实时两种模式的非均匀校正（NUC）。通过采用差分电压信号允许阻抗阵列和控制电路之间的物理间隔长达30m。在导入阻抗阵列之前，差分信号通过数模电路转化为模拟信号。在视频显示之前，内嵌的数字处理器将电压偏移量限定在1mV 之内，有效消除电路的DAC 频移。FIESTA 目前支持32个模拟通道，每个通道驱动电阻阵列中的16个单元。FIESTA 的32个模拟通道能够用来驱动一个512×512动态显示阻抗阵列或者同步驱动4个128×128动态显示阵列。加入调速电路板可以形成异步驱动2 个512×512动态显示阵列的能力。

NODDS阵列传输函数具有非线性，如图3（a）所示。非均匀校正程序可在设定的工作电压范围内以1%的非均匀残差重复校正阻抗阵列［3］，如图3（b）所示。SES 正在研究提高场景生成能力的措施，包括迭代非均匀校正技术、新场景生成电子学、更大面阵的阻抗阵列和硬件回路设计。

图3 NODDS阵列的辐射传递函数及非均匀校正效果

2 复杂场景的生成

准确模拟目标和背景辐射度的复杂场景仿真对导引头试验系统是一个挑战。通过多年实验测量和飞行试验数据校核，SES已经形成了一系列针对复杂场景的仿真模型［4］。复杂场景包括多个对象和不同背景，每个对象包括目标本身和辐射流场（火箭或者飞机发动机的烟羽）。在复杂环境中的每个对象必须经过建模和转换形成场景生成信号。仿真结果包含观测距离和目标视线几何学的数据，对象的运动轨迹通常通过数字模型描述。

对象本体的建模通过标准的光学特征仿真程序实现，仿真程序可以进行从可见光到长波红外的辐射强度计算。光学信号程序根据气动加热、辐射冷却、太阳加热、地球反照和分子碰撞等效应计算获得辐射数据文件。飞机和地面车辆的建模是通过目标与环境光谱和带内辐射成像（SPIRITS）程序实现。SPIRITS 是一款基于第一性原理的红外光谱成像信号建模软件，用于固定翼和旋转翼飞行器、轮船和地面车辆。

导弹烟羽模型的建立可通过两种方式：一种是针对高飞行高度的高海拔辐射组合模型（CHARM）；另一种是针对低飞行高度的标准烟羽流场（SPF）程序。两种程序都能够模拟液体或者固体火箭烟羽。CHARM 模拟的辐射图实例如图4所示。CHARM 和SPF 的模拟结果与自测信息结合生成逼真的对象特征模型。为了合并OSC和CHARM 的输出结果，MIT LL开展了复合本体和导弹羽烟仿真（CHAMP）项目［5］，软件模型由位于佛罗里达州埃格林空军基地的动力杀伤武器半实物仿真设备研究室完成。

图4 通过CHARM 获得的导弹烟羽分布示意图

复杂环境生成的最后一步是合并辐射文件和运动观测文件，获取观测视场中的辐射过程，把它转变成数字信号发送到环境生成器。通过调整传感器或算法改变场景模式，可以更深入地了解传感器参数和工艺的稳健性。

3 低温环境生成系统

SES创建了低温环境生成系统（CSPS），用于空间环境下的长波导引头测试。系统内装有350 mm 直径、768 mm 有效焦距的投射准直器和512×512的元件NODDS 电阻阵列。投影准直器的光学回路上安装了空腔黑体源，通过NODDS光路实现复合投影。准直光学系统充分考虑了视场的优化设计，实现对100 mm ～200mm光学焦距导引头的测试。CSPS 内部结构图如图5 所示。近年来，采用两个128×128 NODDS阵列替代单个512×512 阵列，CSPS 可以实现对双波段红外场景的投影。结合双NODDS阵列，采用更大焦距的准直器，CSPS 能够优化双色导引头和先进算法的测试条件，实现超分辨率和多色识别的验证。

图5 CSPS的内部布局

CSPS的内部光学器件和辐射源周围设置了液氮冷却导流罩。通过液氮冷却使CSPS的内部温度维持在80K，比深空背景高3K。在运行环境中，导引头光学系统温度保持在发射前的环境温度。然而，导引头本身的辐射强度比80K 高几个数量级。为了模拟运行环境，导引头放置在一个预热室以维持在环境温度附近。当试验准备开始时，预燃室和液氮冷却的投影系统组件之间的闸阀会自动打开。当对投影准直器观测时，导引头冷却至深空环境温度。为了进行低压环境（＜0.2Pa）的传感器测试，预热室可以通过一个大镉窗 与 主 室 隔 离。待 测 单 元（unit under test，UUT）置于可转动倾斜平台上，通过平台转动使投影视场位于其视场之内。尽管NODDS阵列覆盖的视场为0.22°，投影准直器的视场为1.4°。0.001 7°的一个小单元间距可以允许待测单元的高度过采样。

除了准直器和投影阵列等器件升级外，CSPS还改进了冷屏和光学设计，实现更好的冷反射控制。新腔的冷背景下半锥角为5.6°。在焦平面中心3mrad的范围内，背景辐射量占环境辐射量的比重小于0.01%，背景辐射梯度的比重小于0.001%。改进后的CSPS 结构图如图6 所示。焦平面与系统的光轴成一定角度以减少冷反射效应；在整个光学链路中加入锯齿状的冷阱来减少镜面反射；NODDS 阵列放置在3 自由度支架上以允许精确定位；辐射源的安装采用了可插拔方式以便于试验操作；发射阵列插槽可兼容512×512或1 024×1 024 甚至于更高辐射元辐射阵列；滤波器／光圈轮放置在变焦驱动器上，以允许的孔径光阑移入和移出焦平面（取决于是否在使用光阑或滤波器）。

图6 改进后的CSPS结构图

4 环境场景生成

环境场景生成系统（ASPS）能够提供可重构的测试环境，用于对工作在室温环境中的短波、中波和长波红外传感器的特性分析。前期ASPS由光学平台、准直器、黑体源、滤波器／光圈轮、转向镜和动态环境生成器组成。经过升级换代，增加了38cm 高速转向镜［60（°）／s］，UUT 两轴支架，20 位滤波器／光圈轮，黑体源和512×512 NODDS阵列的桌面杜瓦瓶组件，使ASPS 增加测试功能和新的附属室温测试台。

在ASPS的每一个室温桌面试验系统都采用双离轴抛物面（OAP），并行的投射准直器可以生成包含点源黑体、高速的反射镜以及NODDS电阻阵列的复杂环境。图7是一个ASPS的一个投影系统。通过38cm 的高速偏转镜，采用点源黑体可以模拟飞机抛射的诱饵弹的运动特性。飞机可由512×512NODDS阵列进行模拟。最后通过ZnSe合束器合成精确的场景。多诱饵弹可以通过在光圈内加入多个点源黑体完成模拟。模拟独立运动时，可以通过多点源黑体与置于OAP的聚光处的小转向反射镜、合束器实施。

图7 一种ASPS投影系统

ASPS的探测器特性分析能力不局限于复杂环境的生成。通过NIST 定标的盘状和腔状黑体的辐射谱温可控制在-40 ℃～+3 000 ℃。光谱特性分析可以通过窄带滤波器、单色仪、圆形可变滤波器和傅里叶变换干涉仪获取。经过多年积累，SES已配置了冷光圈挡片、几何光圈、窄带通滤波器以及其他试验室设备。其中，定标的中波红外和长波红外相机可提供系统的控制数据和焦点信息标定。

ASPS的每一个室温桌面测试台适用于一个特定的项目。准直器的有效焦距、镜面尺寸和黑体辐射源都经过优化以匹配UUT 的视场和光线轨迹。SES已经开发出一种通用的激光校准程序，确保UUT和黑体源在各种光学配置中的快速安放。为了满足项目需求和适应红外传感器技术发展，ASPS的能力将不断提升［6］。

5 传感器测试

SES能够为红外成像导引头提供组件级和系统级的仿真测试，定量评定影响红外传感器性能的因素，进而为新概念导引头的设计和研制提供验证平台。根据影响传感器性能的不同因素，测试工作可分为组件数学建模仿真、组件级测试和系统级测试等三大类。

数学建模仿真是根据组件本身具有的精确数学模型，结合组件设计或实测数据对影响因素进行定量评价。数学建模仿真涉及光谱透射反射、光谱辐射系数、采样效率、光谱响应特性等因素。这些因素相对独立，对整个系统性能的贡献比较固定，往往不需要进行额外的测试。

组件级测试是针对没有或者难以获得精确数学模型的一类性能影响因素，对典型传感器的测试数据获得经验模型进行外推获得传感器系统的性能预测。涉及光学质量、时间线性度、频谱特性、吸收系数、均匀性、精度以及算法性能等因素。

系统级测试需要获得大量的性能参数，它涉及光学均匀性、可操作性、闪烁效应、探测器溢出、鬼像以及一些未知因素。整机系统测试数据往往只能提供传感器性能边界的数量级，准确获得传感器模型还需要提供各个组件的实测数据和准确模型。根据传感器应用和测试的研究经验，需要单独测量的因素往往对系统性能具有重要影响［6］。

SES的测试样本包括焦平面阵列、集成的杜瓦组件和整个传感器系统。测定测试样本性能的影响因素，有助于理解系统的临界性能并指导后续的方案优化设计。典型的性能改进包括稳健的定标，非均匀校正程序，图像增强算法，以及涉及遮光、热隔离等方面的硬件升级。对于焦平面阵列和集成的杜瓦组件的测试，需要设计新的光学系统，以适应CSPS和ASPS的组件测试。已经成功地进行定量评定的测试样本包括标准-3 单色导引头和THAAD 拦截弹。SES 通过测试标准-3红外焦平面阵列的谱带特性和参考电压漂移，验证导引头图像处理方法，并向合同商Raytheon公司进行了技术转让，用于标准-3 拦截弹改进型。在对THAAD 的焦平面阵列测试中，发现探测器的非线性限制了传感器精度极限。

除了红外导引头性能测试外，SES还支持先进信号处理器测试。CASP是林肯实验室使用商业设备开发的一套具有实时的信号处理能力的验证平台，可获取导引头输出［6］。SES为CASP 提供一个终端到终端的测试途径。将信号处理器放置在导引头和CSPS投影系统环路内，就能够实时验证信号处理模块的性能。

6 结束语

经过多年的发展，SES已经从一个标准桌面测试系统发展成为涵盖完整的低温到常温动态场景生成的测试设施，实现对红外成像导引头设计进行组件级和系统级的研制和试验。近年来的发展重点是复杂对象的室温和低温场景投影系统，以及导引头信号处理结构定量评定方法。SES将涵盖双色低温动态场景投影，以支持复杂导引头特性研究和算法验证。

SES的研发路径及应用前景，值得关注，以求提高我国红外导引头测试水平，为完善红外导引头的功能特性、拓展新的应用领域奠定基础。

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