某型红外光学导引系统改进设计研究

张宇飞 李文豪 王东振

摘要：为增强某型红外制导系统的抗干扰性能，进一步解决修理过程中备件不足及与国产化器件的性能匹配问题，在保持该型系统气动外形不变的基础上，设计了一款红外成像系统，理论上可以实现从点源制导方式到成像制导方式的改变。该系统采用3片透射式结构，工作波段3～5μm，瞬时视场角±3.5°。系统长度符合原系统空间及大旋转角（≥60°）的要求，在空间频率20lp/mm处的调制传递函数值大于0.7，并具备100%冷光阑效率，可满足实际成像需求。

关键词：红外制导武器；红外成像制导；光学设计

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

0 引言

红外制导武器的制导方式主要分为点源寻的制导和热成像制导，这两种方式都是利用制导武器中的光学系统和红外探测系统接收空间目标的红外辐射并转换为电流电压信号，使导弹完成搜索、截获、攻击目标的工作。两种制导方式的区别在于：点源寻的制导方式是将空间景物当作点光源，通过特定几何结构（调制盘图样或多元探测器）对红外信号进行空间调制，从而识别目标并实现跟踪打击；热成像制导则是将空间景物当作面辐射源，利用背景与目标之间及目标本身不同位置的温度差别，在凝视焦平面探测器（FPA）上形成具有明显强弱对比的图像，直观显示目标与背景。

点源寻的制导武器大多采用调制盘或多元探测器处理红外辐射信息，调制后的电信号需经后续多种电路处理判断，目标识别过程中不易排除张角较小的空天背景和点源红外干扰影响，容易被曳光弹、红外诱饵和红外激光干扰系统等诱惑而偏离甚至丢失目标，区分多个目标的能力较弱。热成像制导不仅能在红外图像上分辨目标与背景，甚至可以显示目标轮廓，有力克服了点源制导的不足，大大提高了抗干扰性能。目前，国内外红外制导武器的研究焦点与设计理念已向成像制导方式靠拢，这也是未来红外制导武器发展的大方向[1，2]。

1 某型红外制导光学系统性能分析

某型红外制导系统为点源寻的方式，其光学结构较为简单，原理如图1所示，系统采用卡塞格林双反镜结构，主反射镜为凹形球面镜，次反射镜为平面镜，且相对光轴有微小倾斜角，之后有1片会聚透镜和“L”型二元探测器。系统工作时，陀螺电机带动次反射镜高速旋转，光学系统在保持定轴性的同时，会聚光点偏离光轴，并在探测器上形成扫描圆。当跟踪目标时，光学系统通过电机跟踪平台带动，围绕整流罩球心作大角度同心转动。

通过测绘与仿真，该光学系统的光束遮拦比高达70%，且具有瞬时视场角小（≤2°）、大像差（中心光斑直径≥400μm）和较大的能量损失，在多次抗干扰试验与实际演练中发现，当空间同时出现多个红外信号，其中包括人工投放的红外诱饵弹和激光定向干扰信号时，系统对目标的截获、跟踪性能大大降低，其抗干扰算法的优势在复杂环境中逐渐丧失。另外，随着服役时间增加，系统暴露出各种故障问题，如诸多构造独特的组件、零部件损坏，使得维修中必须通过国产化定制或购买原备件进行更换，由此带来的组件性能匹配问题和采购周期长、成本高等问题严重影响了系统后期的维护使用。

针对以上难题，通过改变光学系统的制导方式，将点源制导改为成像制导，理论上可以大幅提高系统抗干扰性能，同时还能解决原备件不足和个别器件国产化引起的性能匹配问题。另外，该红外制导系统的飞行控制系统和动力系统在同类产品中设计较为独特，使系统整体在使用时具有很大优势，但由于原制导光学系统的结构性能较差，直接用于成像是不可取的。本文旨在不改变系统气动外形的前提下，充分考虑大旋转角（≥60°）性能，重新设计一款成像光学系统，研究红外成像制导在该导引系统中应用的可行性，从而进一步提高该型红外系统的抗干扰能力。

2 设计要求及指标

本文的目标是将点源制导方式改为热成像制导方式，在不改变系统外形尺寸的前提下，主要考虑系统以下几方面参数的变化：

1）合适的视场角范围，提高红外图像对比度；

2）设定有效通光孔径，提高像面照度与像质；

3）透镜数量不宜过多，通过面型变化和材料色散校正像差。

目前，常用于红外成像系统的光学结构有反射式、透射式、折反射式。三种形式各有优缺点：反射式系统具有无色差、无热差、质量轻等优势，但视场小，一般成像系统不采用此类结构；折反射式系统视场可适当扩大，系统长度也能相对缩短，但存在中心遮拦，降低了光通量和像质需求，且在引入透射元件后带来色差和热差，增加了安装和校准的难度；透射式系统光路没有中心遮拦，可获得较高的通光效率，且可以通过选择合适材料加工非球面，消除色差热差，增大视场，提高像质，但系统长度相对较长。

基于改进要求，结合三种成像方式优缺点，透射式结构是较为合适的选择。由于原位标器具有大转角的性能要求，新系统的长度不能超过整流罩外径53mm，这样才有能保证加装制冷探测器后光学系统的摆动角幅度≥60°。综上，制定如表1所示的设计指标要求。

3 成像系统结构与性能分析

根据上述设定参数，结合相关文献[3]，并考虑中波光学系统中热效应带来的杂光影响，设计时将光阑位置定于制冷探测器前方冷屏处（约探测面前方10mm处），即将探测器冷屏作为光学系统孔径光阑，使系统具有100%冷光阑效率。由于制导系统内部空间尺寸有严格限制，透射结构只能采用一次成像方式。

該光学系统由3片透镜构成，材料为常用的锗、硅[4，5]，除整流罩保留原有材料与面型尺寸外，光学镜片的第一面、第六面透镜采用非球面。光学系统（含整流罩）长度45mm，通光孔径25mm，焦距33.4mm，像面直径4.0mm，外形尺寸满足要求，理论上可实现±90°大幅度摆动，系统设计如图2所示。

图3所示为光学系统点列图，通过光线追迹得到的艾利斑半径为6.46μm，不同视场角度光斑的均方根（RMS）半径均小于系统艾里斑直径，说明系统性能已达到衍射极限。

图4所示为成像系统径向能量分布曲线。从光斑能量集中角度衡量，圆围能量曲线在25μm（1个像元）处包含了光斑95%以上的能量，与点列图显示的几何光斑尺寸相当，说明与探测器匹配良好。

光学传递函数是评价光学系统成像质量优劣的较为客观、全面的指标。图5所示为光学系统像调制传递函数（MTF）曲线，纵坐标为传递函数值，横坐标为空间频率。按照探测器的指标要求，取空间频率为20lp/mm，此时该系统的全视场MTF均大于0.7，其中在常温环境中，系统MTF值达到衍射极限；在高低温的极限温度情况下，系统MTF值有所下降，但也满足高质量成像要求，说明光学透镜选材和面型合适，环境温度变化引起的像差在可接受范围内。

像面畸变虽然不影响画面分辨率，但会使图像中某些景物变形，影响后期的图像识别，因此在光学系统设计时要充分考虑图像在边缘视场的畸变情况。在该红外成像系统中，瞬时视场角为±3.5°，通过系统仿真计算（计算结果见图6），在极限高低温情况下，系统边缘视场的畸变量均不超过0.02%，说明系统优化结果良好，边缘视场的畸变可忽略，没有对图像识别带来影响。

图7所示为空天背景中的飞机目标通过红外系统成像后的模拟灰度图像。图像显示清晰，对原目标还原度较高，边缘视场也未见明显变形或模糊，说明系统设计及优化结果可行。

4 结束语

该系统设计的难点在于系统内部空间长度严格受限，将折反式点源制导改变为透射式成像制导方式时需满足光机系统大角度（≥60°）摆动要求。利用非球面镜所具有的有效减小像差和缩短系统长度的优点，很好地解决了上述问题。与原光学系统相比，透射式系统无中心遮拦，有效提高了像面照度与像质；视场角扩大至±3.5°，可收集更多空天背景辐射，这些辐射在像面上作为基频信息，加强了与目标信息的对比，且不至于视场过大而干扰过多；在材料与面型上，该系统使用了3片透镜，2个面采用非球面，并将孔径设置在冷屏上，材料选用廉价的锗和硅，装调难度小，且具有100%冷光阑效率。各项性能参数均表明，该系统可用于某型红外制导系统，理论上实现了从点源制导向热成像制导方式的转变。

參考文献

[1] 张红梅.红外制导系统原理[M].北京：国防工业出版社，2015：15-57.

[2] 叶本志，蔡希昌，邱娜.红外制导技术的发展[J].红外与激光工程， 2007，36（z2）：39-42.

[3] 丁学专，王欣，杨波.热红外成像系统的光学设计[C]//小卫星技术交流会.2011.

[4] 张龙，陈雷，范有余.中红外玻璃材料发展及前沿应用[J].光学学报，2011，31（9）.

[5] 张以谟.应用光学（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2015：466-476.

作者简介

张宇飞，助理工程师，研究方向为红外制导系统与装备维修。