气动光学效应内涵及其对成像探测的影响机理*

熊晓月，费锦东，陈澄，肖昊苏

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854;2.航天系统仿真重点试验室，北京 100854)

气动光学效应内涵及其对成像探测的影响机理*

熊晓月1，费锦东2，陈澄2，肖昊苏1

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854;2.航天系统仿真重点试验室，北京 100854)

带有红外成像探测系统的飞行器在大气层内高速飞行时，光学头罩与大气层之间发生剧烈的相互作用，产生气动光学效应。该效应将引起像偏移、像模糊、像抖动，使得红外成像探测系统对目标的成像探测威力下降、探测精度降低。研究了高速动平台下气动光学效应的内涵及其对红外成像探测系统探测威力、探测精度的影响机理，对典型飞行状态下产生的气动光学效应进行了数学仿真计算，得到了仿真计算结果，并对仿真结果进行了分析。

红外成像探测；气动光学效应；像偏移；像模糊；像抖动；探测威力；探测精度

0 引言

随着飞行空域增大，机动性能增强，种类增多，光电、电磁环境越来越复杂，新型高速飞行器具有大气层内外高速飞行、高精度成像探测等特点[1]。在此背景下，利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射能量来实现寻的制导的红外制导技术，已成为当今世界精确打击技术的研究重点。红外成像制导系统，具有灵敏度高、精度高、轻小型、隐蔽性好等优点，已成为新一代精确制导武器的重要发展方向之一。典型代表有美国“战区高空区域防御系统”(terminal high-altitude area defense，THAAD)的拦截弹、美以合作研制的“箭2”(Arrow-2)防空导弹。

美国的THAAD系统[2-4]是当今世界先进的末段高层反导武器系统，能够在大气层内外以高精度直接碰撞动能杀伤方式拦截来袭弹道导弹。末段高空区域防御THAAD系统是美陆军现役最先进的第4代地空导弹装备，在美军全球反导体系中，担负地基末段高层反导任务，用于拦截近程和中程弹道导弹，最大拦截高度为150～200 km，最大拦截距离为200 km。为了降低气动热对红外传感器的影响，THAAD系统不仅选用了受此影响较小的中红外波段，而且采用了光学侧窗探测体制。

美以合作研制的Arrow-2导弹系统[5]一开始就是为导弹防御而设计的。它是世界上第一个用于同温层摧毁或拦截中近程导弹的反弹道导弹系统。Arrow-2导弹采用外冷侧窗红外探测体制，解决了红外成像探测技术在高热环境下应用的难题，并成功地进行了拦截飞行试验。

然而，带有光学成像探测制导系统的飞行器在稠密的大气层内高速飞行时，会产生气动光学效应[6-7]。

由气动光学效应引起的像偏移、像模糊、像抖动，使得红外成像探测系统对目标的成像探测精度降低、探测威力下降，严重影响了对目标的捕获与跟踪[8]。因此，需要在认识气动光学效应机理的基础上，寻找气动光学效应校正与抑制方法，解决高速动平台上采用光学成像探测技术的应用问题。

1 高速动平台下气动光学效应内涵

带有光学系统的飞行器在大气层内长时间高速飞行，头罩与来流甚至还有喷流相互作用、剪切混合，形成高热环境和复杂流场，对光学成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，引起目标图像偏移、抖动、模糊，这种效应称为气动光学效应[9-10]，如图1所示。

飞行器的飞行参数一般用飞行马赫数Ma、飞行高度h、攻角α、侧滑角γ等来描述。其在大气层内高速飞行时，来流与光学头罩相互作用，产生高热环境，导致光学头罩(窗口)温升、热应力应变。当有喷流冷却时，来流、喷流与光学头罩相互作用，形成动态变组分、多相混合、多尺度结构的复杂混合流场，如图2所示。

图1 气动光学效应产生示意图Fig.1 Schematic diagram of aero-optical effect

图2 气动光学效应内涵Fig.2 Connotation of the aero-optical effect

由气动光学效应带来的光学传输效应与辐射效应，作用在红外成像系统上，将导致系统的探测威力下降、探测精度降低。

归纳起来，产生气动光学效应的两大介质是高速复杂流场、不均匀气动热力作用下的光学窗口(头罩)，而这两类动态不稳定不均匀介质将带来气动光学传输和气动光学辐射2种效应，如图3所示。

气动光学传输效应[11-12]是飞行器在大气层中高速飞行时产生的高热环境和复杂流场对传输经过的光波产生扰动的现象，主要包括流场光学传输效应和窗口光学传输效应。流场光学传输效应是指，从目标发出的光波经过不稳定脉动流场后，在飞行器成像探测系统入瞳面产生的失真波前或像面上产生的目标图像偏移、抖动和模糊的现象；窗口光学传输效应是指，光学窗口受气动热、力作用，产生应力、应变，窗口外形发生变化，内部出现温度梯度，原本均匀的介质变成了非均匀时变介质，光束的传播路径和成像特性偏离了在均匀介质中光线直线传播的轨迹，光束传播方向偏折，使得光波波面发生畸变，引起像偏移和像模糊的现象。

气动光学辐射效应[13]包含流场热辐射效应和窗口热辐射效应。流场热辐射效应是指，光学头罩周围的高温激波气体辐射，这种辐射遵从分子辐射原理，不同气体不同温度下其光谱辐射机制不同；窗口热辐射效应是指，因气动加热窗口温度升高，产生红外热辐射。

2 气动光学效应对光学成像探测系统的影响机理

气动光学效应使光学探测制导系统对目标探测信噪比降低，从而减小了对目标的探测距离，严重时甚至形成“热障”而淹没需探测的目标信号；对目标的检测识别概率降低，严重时甚至无法检测识别目标；对目标的视线角位置测量发生偏折，视线角速率发生抖动，而引起探测制导精度急剧下降；产生的气动热环境影响光学头罩工作性能，严重时甚至对光学头罩产生热破坏作用。气动光学效应对红外成像探测系统的影响主要是使其探测精度降低、探测威力下降，其机理如图4所示。

气动光学效应的主要特征参数包括：像偏移、像模糊、像抖动和失真图像等[14-15]。

像偏移由流场密度、密度梯度、流场结构产生的相当于偏心的透镜效应。

像模糊由层流流场和相对成像帧积分时间而言密度脉动功率谱处于高频段的湍流部分产生，用点扩散函数、光学调制传递函数或Strehl比来衡量。

像抖动目标光线穿过高速流场后成像位置在探测器平面上的运动，它由相对成像帧积分时间而言密度脉动功率谱处于低频段的湍流部分产生，用成像位置的抖动范围、抖动概率分布和抖动频率等作为参数衡量。

图3 气动光学效应分类及描述Fig.3 Classification and description of the aero-optical effects

图4 气动光学效应对红外成像探测系统的影响机理Fig.4 Influencing mechanism on the infrared imaging detecting system

失真图像是观察成像畸变程度最直观的方法。如图5所示分别为无失真图像以及流场气动光学传输效应、头罩气动光学传输效应、流场与头罩传输效应、头罩窗口气动热辐射效应、光传输与辐射的综合效应对成像探测系统带来的失真图像。图6所示为在气动光学效应下的波像差(光程差OPD)以及点扩散函数(PSF)。

由图5可见，目标图像的失真程度很直观地显示出来了。根据图6的计算结果可得，图像的信噪比为3.258 7，点扩散函数最大值对应的坐标为(0.021 69，-0.032 54)，像偏移角偏差为：δx=0.148 56 mrad，δy=-0.222 88 mrad。由此可见，在气动光传输以及辐射效应的综合影响下，导致图像的信噪比降低，引起了成像模糊，并出现了成像偏移现象。

2.1 气动光学效应对光学成像探测威力的影响机理

为了表征气动光学效应对光学成像探测系统的探测威力的影响，这里引入“气动光学能量集中度”概念，它定义为光学成像探测系统单元探测器对点目标成像，静态时接收能量与动态飞行存在气动光学效应时接收能量之比，用η表示。于是，飞行器在大气层中高速飞行存在气动光学效应时，光学成像探测系统对目标的探测距离(又称威力)RL为

图5 气动光学效应所致失真图像Fig.5 Image distortion caused by the aero-optical effect

图6 气动光学效应计算结果Fig.6 Results of the aero-optical effect

(1)

(2)

(3)

式中：D0为光学系统口径；D*为探测器响应率；Δfn为信号处理电路等效噪声宽带；δ为光学系统弥散损失；δ1为电子线路信号传递损失；F为光学系统F数；ns为探测器行串联个数；τ0为光学系统透过率；α为水平方向的分辨率；β为垂直方向的分辨率；μ为空间均匀不一致性；Lb为背景辐射亮度。

典型状态下流场和头罩窗口光传输效应计算结果如图7所示，图7a)中的x，y坐标表示的是光瞳实际坐标。当存在气动光学传输效应时，图像发生模糊，抖动(高频部分)在一定的成像积分时间内也呈现模糊，点扩散函数(PSF)分布范围变大。从而，气动光学传输效应产生的像模糊引起对目标成像能量集中度的降低，气动光学能量集中度η变小，使光学成像探测系统对目标的探测距离RL降低。

图7 典型状态下流场和头罩窗口光传输效应计算结果Fig.7 Optical transmission effect of the flow field and the head cover window under the typical

而对于决定成像探测距离的系统灵敏度因素，其时间噪声等效通量密度(NEFDt)为光学成像探测系统固有，与外界因素无关。但空间噪声等效通量密度(NEFDs)不仅与成像探测系统参数有关，还与背景辐射能量Eb及其均匀性有关。气动光学辐射效应尤其是气动热窗口辐射效应抬高了背景辐射能量Eb，因热响应的不均匀又降低了背景辐射的均匀性，于是，气动光学辐射效应导致光学成像探测系统空域灵敏度降低，进而降低系统灵敏度。

因此，气动光学效应通过降低气动光学能量集中度η、空域灵敏度，使光学成像探测系统对目标的探测距离RL降低。

假设探测器响应波段范围为3.7～5.6 μm，目标为350 K的黑体，等效面积为1 m2，则目标在此波段的辐射强度为15.32 W/sr。探测系统的NEFDt为3.26×10-14W/cm，天空背景温度为300 K，NEFDb为3.15×10-14W/cm2，S/N=5，大气透过率为0.9，计算得到不同窗口温度下的噪声等效通量密度NEFD和探测距离RL见表2。其中距离下降因子为

(4)

式中：RL0为不存在窗口热辐射时的探测距离；RLT为窗口温度T时的探测距离。

从表1与图8可看出：随着温度的增加，噪声等效通量密度上升较快，探测距离急剧减小。由不同窗口温度的距离下降因子分析可得，温度400 K时探测距离下降了25.30%，温度550 K时探测距离下降了65.46%。

2.2 气动光学效应对光学成像探测精度的影响机理

光学成像探测系统对目标探测精度的性能指标主要包括系统的视线角位置和视线角速度。设探测器的水平方向与垂直方向的尺寸大小分别为A和B(mm)，当光学系统焦距为f(mm)时，2个方向对应的视场[1]分别为

表1 3.7～5.6 μm不同窗口温度下系统的NEFD和RLTable 1 NEFD and RL of the system at the different temperature in 3.7～5.6 μm band

图8 不同窗口温度NEFD、探测距离及距离下降因子曲线Fig.8 NEFD, detection range and range decrease factor of different window-temperature

(5)

假设高速流场产生的像偏移为δ(mrad)，则由瞄视误差引起的命中误差[1]为

(6)

式中：vd为飞行器飞行速度；vm为目标飞行速度；t为末制导系统对目标的曝光时刻至飞行器产生控制力之间的时间延时。

高速流场产生的像偏移、像抖动(低频部分)将影响飞行器的拦截目标的瞄准精度，引起飞行器对瞄准点的命中误差，进而导致系统的探测精度降低[14-15]。

像偏移用相对于光轴的角偏差来表示，通过仿真计算得到的典型高度、马赫数和不同入射角情形下的像偏移之间关系如图9所示。

图9 不同高度、不同马赫数情形下像偏移随入射角变化曲线Fig.9 Image shift curve with the variation of incident angle under the different heights and Mach numbers

由图9可知，在相同的飞行速度情形下，随着飞行高度的增加图像偏移程度减小；在相同的飞行高度情形下，随着飞行速度的增加图像偏移程度增加。像偏移程度增加使系统的瞄准精度降低，引起飞行器对瞄准点的命中误差增大，进而导致成像探测系统的探测精度降低。

像抖动在输出的目标视线角位置与角速度上叠加一个抖动脉动，这种脉动在目标视线角速度上叠加一个“角噪声”，从而影响成像探测系统随动跟踪系统对目标的跟踪，影响导引头输出的目标视线角位置和角速度，进而导致系统的探测精度降低。

(7)

则由x1，y1构成的取值范围σ称为像抖动范围。若落入点的取值在σ区间内遵从高斯分布规律，则抖动分量描述为

(8)

3 结论

通过气动光学效应对光学成像探测系统的影响机理分析，结合一些典型状态仿真结果，得出：

(1) 在相同的飞行速度下，随着飞行高度的增加图像偏移程度减小；在相同的飞行高度下，随着飞行速度的增加图像偏移程度增加。

(2) 随着温度的增加，噪声等效通量密度上升较快，探测距离急剧减小。由不同窗口温度的距离下降因子分析可得，温度400 K时探测距离下降了25.30%，温度550 K时探测距离下降了65.46%。

(3) 气动光学传输效应产生的像模糊、像抖动，以及气动光学辐射效应导致红外成像探测系统对目标的成像探测威力下降。

(4) 气动光学传输效应产生的像偏移、像抖动，导致红外成像探测系统对目标的成像探测精度降低。

因此，为了提高高速动平台下光学成像探测系统对目标的探测能力，需要在深化高速飞行器成像探测气动光学效应机理研究的基础上，建立理论模型，寻找气动光学抑制与校正方法。

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Connotation of Aero-Optical Effect and Its Influence Mechanism on Imaging Detection

XIONG Xiao-yue1，FEI Jin-dong1，CHEN Cheng1，XIAO Hao-su2

(1．Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China；2．Science and Technology on Special System Simulation Laboratory，Beijing 100854，China)

As a high-speed aero craft carrying an infrared imaging detecting system flies in the atmosphere, the aero-optical effect is incurred by the intense interaction between its optical dome and the atmosphere, which causes image shift, blur and jitter, and leads to the degradation of detection power and accuracy to the target. The connotation of the aero-optical effect in high-speed platform and its influencing mechanism on the detection power and accuracy of the infrared imaging detecting system are described. The aero-optical effects at the typical flight condition are numerically simulated and some simulation results are presented. At last, the results of simulation are compared and analyzed.

infrared imaging detection；aero-optical effects；image shifting；image blur；image jitter;detection power；detection accuracy

2016-06-1；

2016-08-30

有

熊晓月(1990-)，女，河北望都人。硕士生，主要研究方向为气动光学。

通信地址：100854 北京市海淀区永定路52号院101号楼 E-mail：275989287@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.023

TJ765.3+33

A

1009-086X(2017)-03-0139-08