国防光学计量技术的发展与展望

俞 兵

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

国防计量的目的，在于保证国防科技和军工产品在研制、试验、生产和使用过程中量值准确一致。国防光学计量的特点主要源于武器装备的特殊性，取决于武器装备对光学计量保障的特殊需求。在新一代武器装备系统中，光学仪器已经成为发现敌人、瞄准敌人、攻击敌人的高级传感系统。如微光夜视技术[1-4]、红外成像技术[5-7]、光电火控技术、光电对抗技术、精确制导技术、激光雷达技术，以及太赫兹波段[8-9]、红外波段、可见光波段到紫外波段的整个光谱波段光纤特性、光学材料特性[10-11]等，这些技术在国防建设中都发挥了巨大作用。

随着信息时代的到来，战争的主要形态也转变为信息化战争，而我国当前武器装备的发展正进一步向机械化与信息化战争复合的方向转变。未来高科技信息化战争是各种高技术武器装备高度配合下的诸兵种联合作战，要求各个环节都要协调一致，而高技术武器装备是由若干子系统组成的庞大复杂系统。如果高技术武器装备没有计量作为保障，参数量值就会失准，进而导致战争失败。国防计量工作涉及军事装备的各个环节，涵盖了海、陆、空、火箭军等各个军兵种的主战装备和保障装备，渗透到军事装备检测、维修和管理的各个方面。面对全球化的军事变革，我国在军事技术和武器装备的发展中，必须开展和建立与武器装备研制并行发展的国防计量保障体系。

近年来，国防科技工业光学一级计量站（以下简称“国防光学一级计量站”）针对装备发展对光学计量保障的需求，主要开展了以下几个方面的研究工作，分别是国防光学基础参数计量技术、武器型号整机综合参数计量技术、前沿光学计量技术、军用光电测试仪器研制技术。其中，国防光学基础参数计量技术主要围绕红外、紫外、激光、成像、光谱光度、光学材料、微光夜视等8 个专业展开研究；武器型号整机综合参数计量技术主要围绕装备光电系统整机的计量保障，进行光轴一致性、红外辐射等现场、动态和专用计量校准技术研究[12]；前沿光学计量技术主要围绕纳米材料、太赫兹波段[13]、量子光学、飞秒激光等先进光学计量技术展开研究[14]；军用光电测试仪器研制技术主要围绕武器光电系统性能参数测试与评估的需求[15]，开展性能参数测试、评估技术研究，研制相应的光电测试仪器。这些工作为开展国防光学量值传递工作奠定了坚实的技术基础，解决了国防军工及军队系统成员在武器装备的研制、定型、生产和使用等过程中对光学计量的迫切需求。

1 国防基础光学计量技术研究成果

1.1 成像专业光学计量技术

成像光学计量主要是指针对光学元件、光学系统和光电整机的几何参数、基本成像参数和成像质量参数的计量。现已具备光学元件曲率半径、角度、焦距、视场、视度及出瞳距离等几何光学参数计量能力，还建有光学传递函数和平面平晶2 项国防最高标准。

光学传递函数标准装置主要完成对光学系统光学传递函数（调制传递函数modulation transfer function,MTF 和相位传递函数phase transfer function,PTF）的测量，同时具有测量光学系统焦距和透射比等功能。技术指标为光谱范围：可见，3 μm～5 μm，8 μm～12 μm；视场角：±35°；MTF 测量不确定度：轴上0.03，轴外0.06。

平面平晶标准装置主要完成对平晶、平面平晶、平行平晶等光学元件面形和波像差的检测、检定（校准）以及对球面干涉仪、平面干涉仪的检测、检定（校准）。技术指标为小于Φ100 mm：测量不确定度0.02 μm；Φ100 mm～Φ200 mm：测量不确定度0.03 μm；Φ200 mm～Φ400 mm：测量不确定度0.06 μm。

近年来，成像材料组正在扩展光电整机性能参数计量能力，突破过采样的斜狭缝数字扫描FFT/MTF 测量技术、畸变亚像素图像定位精度、大视场/大动态范围积分球均匀光源制作/校准技术等关键技术[15]，建成了光电整机最小可分辨对比度（minimum recognizable contrast,MRC）、畸变、像面均匀性以及信号传递函数的校准和检测能力，为多种型号的光电、成像系统的成像参数进行了校准，校准装置实物如图1 和图2 所示。

图 1 可见光分辨力传递函数对比度畸变校准装置实物图Fig.1 Physical photo of calibration device of contrast distortion for visible light resolution transfer function

图 2 可见光像面均匀性校准装置实物图Fig.2 Physical photo of calibration device for visible light image plane uniformity

达到的主要指标为空间频率范围：0～100 mm-1；空间分辨力：2"；传递函数测量不确定度：0.03～0.07；畸变测量不确定度0.5%～2%；均匀性测量不确定度：2%～5%。

1.2 红外辐射专业光学计量技术

红外辐射计量专业组主要从事红外辐射参数和成像参数的检定、校准和检测，以及红外计量仪器和测试仪器的研发[12]。拥有国防最高计量标准装置2 套，具有较强的检测能力，其中测试设备达数10 项，具有常温黑体、面源黑体、红外成像仪、成像测温仪、测温热像仪、动态目标模拟器等设备的检测能力，同时具有飞机、装甲等野外目标的红外特性参数测试能力。

红外辐射计量专业组拥有323 K～1 273 K 黑体辐射源标准装置国防最高标准，主要用于腔黑体温度和发射率检定和校准，其主要技术指标为范围：323 K～1 273 K，温度测量不确定度：0.4 K（k=2），发射率测量不确定度：0.5%（k=2）。该装置每年使用超过30 次，为红外武器系统的研制提供准确辐射量，确保辐射参数量传的准确可靠。

近年来，红外辐射计量专业组新建了国防最高标准50℃～400℃面源黑体检定装置，主要技术指标为温度示值误差测量不确定度：50℃～100℃，U=0.030℃（k=2）；100℃～400℃，U=0.06℃（k=2）；温度稳定性测量不确定度：50℃～100℃，U=0.025℃（k=2）；100℃～400℃，U=0.03℃（k=2）；辐射等效温度均匀性测量不确定度：U=0.2℃（k=2）；发射率测量不确定度：Urel=0.8%（k=2），为武器系统的外场定标提供了辐射参考。

红外辐射计量专业组具有很强的检测能力，典型测试装置为红外热像仪主要参数校准装置，主要用于红外热像仪噪声等效温差（noise equivalent temperature difference,NETD）、信号传递函数（signal transfer function,SITF）、最小可分辨温差（minimum resolvable temperature difference,MRTD）和最小可探测温差（minimum detectable temperature difference,MDTD）等成像参数的校准。红外辐射计量专业组近年来拓展了外场测试，主要开展红外隐身测试技术评估，参与过多次飞机发动机现场测试任务，涉及范围包括飞机发动机、红外诱饵弹、红外增强器、无人机等领域，为我国隐身武器系统研制提供测试保障，图3 是某型飞机发动机红外辐射现场测试图。

图 3 发动机红外辐射外场实验图Fig.3 Field experiment of infrared radiation of engine

1.3 激光参数专业光学计量技术

激光参数计量专业组主要从事激光功率/能量参数、激光空域参数、激光时域参数以及光电系统整机性能参数检定、校准和测试研究工作[7-9]。国防光学一级计量站在激光参数计量方面建立了重复脉冲激光峰值功率标准装置、单脉冲激光峰值功率标准装置、激光小能量标准装置、激光小功率标准装置、激光能量标准装置等6 项国防最高标准，通过国家、国防实验室认可的校准能力有10 余项，达到的主要指标如表1 所示。

表 1 激光参数计量专业组国防最高计量标准指标一览表Table 1 Highest metrological standard indexes of national defense for laser parameter metrology major

在激光功率/能量参数测量方面，开展了皮瓦皮焦量级激光功率/能量测量校准、千瓦量级激光功率/能量测量校准、短脉冲高功率激光能量及峰值功率测量校准等技术研究，具备了皮瓦皮焦量级微弱光辐射以及千瓦/千焦量级以上强激光功率/能量的测量校准能力。

在激光空域参数测量方面，开展了激光近场及远场空域参数测量校准技术研究，具备了可见至近红外激光M2因子、β因子、BQ因子等参数的测量校准能力。

在激光时域参数测量方面，开展了飞秒激光脉冲波形测量和脉冲宽度校准、皮秒-纳秒激光脉冲波形测量和脉冲宽度校准技术研究，具备了10 fs激光脉冲宽度的测量校准能力。

在光电系统整机性能参数测量方面，开展了空间激光通信系统性能参数、大口径光学元件透过率/反射率和吸收系数、连续激光和纳秒脉冲激光损伤阈值、光电系统稳定精度等测量校准技术研究，具备了0.01%～99.99%范围内激光透反比、纳秒脉冲激光损伤阈值等参数的测量校准能力。

1.4 光学材料专业光学计量技术

光学材料计量专业组主要从事光学薄膜、光学玻璃、光学晶体以及光电功能材料性能参数的计量，目前已经具备了光学材料透反射、折射率、应力双折射、消光比、偏振度等参数校准检测能力[11]，并且建立了光纤几何参数标准装置国防最高标准。

近年来，光学材料组正在开展高精度紫外-可见-红外波段折射率测量和校准技术研究、光学薄膜折射率厚度测量和校准技术研究。折射率测量达到的主要指标为光谱范围：253 nm～12 μm；折射率测量不确定度：5×10-6（紫外～可见），2×10-4（红外）。光学薄膜折射率测量光谱范围：200 nm～1 700 nm，测量不确定度：0.5 nm；应力双折射测量光谱范围：0.633 μm、3.39 μm，测量不确定度：0.5 nm。

1.5 光谱光度色度专业光学计量技术

光谱光度色度计量专业组主要针对瞬态和稳态强弱光源、光谱辐射类测试仪器、光度计、物体色测色仪器等方向，研究波长、光谱辐射亮度、亮度、照度、色品坐标、相对光谱功率分布、色温、光谱透射比和光谱漫反射比等参数的计量测试技术[16-17]。现已具备光源亮度、发光强度、光通量、强弱照度、光谱透射比、光谱漫反射比、光谱辐亮度等7 项国防最高计量标准，达到的主要指标如表2 所示。

表 2 光谱光度色度计量专业组国防最高计量标准指标一览表Table 2 Highest metrological standard indexes of national defense for spectral photometric chromaticity metrology major

1.6 微光计量技术

微光夜视测量针对微光像增强器等微光器件和微光夜视仪，研究微光夜视参数的计量保障能力[1-4]。国防光学一级计量站的微光夜视计量室是国内唯一一家关于微光夜视计量的专门机构，已建立了“紫外像增强器参数测量装置”、“微光像增强器参数测量装置”、“微光夜视仪参数测量装置”和“微光ICCD 参数测量装置”等，为部队、基地、武警、公安边防等研制、生产、使用单位进行了微光器件及微光夜视仪方面的计量校准和第三方检测工作。近年来，开展了新型固态微光夜视仪、弱光光子计数方面的计量新技术研究工作，并依托核心计量能力开展了新型固态微光夜视仪测试仪器的研制工作。

1.7 空间光学和紫外计量技术

在空间光学计量方面，开展了“空间激光通信系统性能参数校准技术”项目研究，通过对激光发射/接收分系统性能参数校准、空间卫星振动及相对运动的地面模拟、激光光束远距离传输模拟等技术研究，实现了超低频范围带宽、大范围跟踪精度校准的技术指标，初步解决了空间激光通信系统跟踪瞄准分系统跟踪精度、带宽等参数测量校准难题，满足了星地、星间测试需求，为我国空间激光通信系统的研制提供了计量保障。

还开展了高分辨率相机动静态成像特性参数校准技术研究，攻克了600 mm 大口径10 m 长焦距的高像质光学准直系统研制与调校技术、动态图像匹配与动态传递函数校准技术等多项关键技术，研制出了高分辨率相机动静态成像特性参数校准装置，实现了对动态调制传递函数的测量范围0.10～0.99，动态测量不确定度达到0.05，动态最小可分辨对比度测量不确定度达到5%。为国家重大工程高分专项的光学载荷提供了成像参数的计量测试服务，并为实验室和发射场提供了动态景物模拟装置的校准服务，取得了良好效果。

2 前沿光学计量技术

前沿光学计量技术主要针对前沿科技领域新出现的计量问题或者随着科技发展已有计量方法和技术表现出的不足，开展基于新原理和新方法的光学计量技术研究及能力建设，解决前沿科研领域遇到的新参量计量问题，提高已有参量的测量精度，扩展可测量和可校准的范围，完善现有的光学计量体系，为我军未来信息化武器装备的快速发展以及建设先进国防科技工业急需的新材料、新器件、新设备的研制提供计量保障能力。国防光学一级计量站在前沿光学计量技术方面开展的工作主要涉及太赫兹、量子光学、纳米光学等先进光学计量技术。

2.1 太赫兹计量技术

太赫兹技术指频率为0.1 THz～10 THz（波长30 μm～3 mm）电磁辐射的产生和应用技术[4-5]。太赫兹波段位于红外和微波之间，太赫兹技术是国际上重点研究的交叉性前沿技术。太赫兹技术主要用于特种作战（恶劣战场）环境下隐蔽目标侦查、战术保密通信、深空探测和通信、特种材料无损检测、爆炸物检测和反恐探雷等国防领域。太赫兹光学计量主要为太赫兹辐射源、太赫兹光学元件、太赫兹传感器的研制以及太赫兹通信系统、太赫兹成像探测系统等武器系统的研制提供计量保障。

太赫兹前沿计量技术方面，突破基于窄带光谱滤光法和低温真空屏蔽的太赫兹辐射量校准技术、太赫兹波和飞秒激光时空同步聚焦调试技术、基于光锥耦合的太赫兹探测器响应度自校准技术、太赫兹光谱仪线性度和频率校准技术、太赫兹多光束分波段高精度干涉测量等核心关键技术。研制了太赫兹源辐射参数校准装置和太赫兹时域光谱仪线性度和波长校准装置，为国内太赫兹源和太赫兹系统的研制及应用提供了计量保障，如图4 和图5 所示。

图 4 太赫兹源辐射参数校准装置实物图Fig.4 Physical photo of calibration device of terahertz source radiation parameters

图 5 太赫兹时域光谱仪线性度和波长校准装置实物图Fig.5 Physical photo of calibration device of linearity and wavelength of terahertz time-domain spectrometer

2.2 纳米光学计量技术

纳米技术指研究0.1 nm～100 nm 尺度范围的物质世界，操纵原子和分子并直接用原子和分子制造具有特定功能产品的技术。纳米技术产品主要有纳米器件（大规模集成电路、量子器件）、纳米机构（MEMS）、纳米激光器、纳米材料、纳米光子器件（纳米波导、微纳光纤）等。纳米科技的发展影响社会发展的诸多方面，包括材料、制造业、通信、能源、航空航天等。在国防领域，纳米技术主要用于光学精密加工与制造，新型光电元器件、新型光学材料加工等。纳米光学计量主要解决纳米尺寸、纳米轮廓面形、纳米器件和纳米材料光学参数的测量校准问题，为纳米技术的发展及其在国防领域的应用提供计量保障。在该领域开展了微纳米结构材料空间透反射比测量技术研究，如图6 所示。

图 6 微纳结构空间透反射比测量装置原理图Fig.6 Schematic diagram of transmittance-reflection ratio measuring device of micro-nano structure space

达到的主要指标为工作波长：532 nm、808 nm；入射角度测量范围：0°～70°；反射角度测量范围：5°～85°；透反射比测量不确定度：0.5%。

2.3 量子光学计量技术

量子光学技术指应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、传输与测量的技术。量子光学技术主要用于远距离目标探测、保密通信等国防领域。量子光学计量是利用微观和宏观量子效应，支撑光辐射量子基准、标准、量传及应用的计量技术，涉及光辐射基本量（坎德拉）复现、双光子相关、单光子成像探测、量子信息与通信等计量技术，为红外辐射功率、光电探测器量子效率提供绝对校准方法，为单光子微弱光源、单光子探测器以及量子成像探测系统、量子计算与通信系统等的研制提供计量保障。

在量子光学计量研究方面，研究了一种不依赖于高精度基准和标准传递链的新型定标理论和方法，采用相关光子技术实现了模拟探测器绝对光谱相应度、红外黑体辐射源辐亮度的高准确度校准，突破了不同功率下光子速率测量等关键技术，研制了InSb 红外探测器量子效率校准装置和黑体辐射源辐亮度校准装置，利用相关光子定标技术实现探测器量子效率的定标方法，为空间光学相关有效载荷的辐射定标提供了计量技术保障。

3 武器型号保障光学计量技术

现代武器光电侦察感知系统主要以光电搜索跟踪、光电隐身、精确制导、光电预警4 个领域的光电产品为代表。目前这些光电产品在国防尖端武器系统发挥着重要的作用，已成为实现战场态势感知、全源信息获取、昼夜战场监视、目标捕获跟踪、武器火力控制、精确打击、光电对抗、毁伤评价等信息化装备的核心光电产品。

国防科技工业光学一级计量站根据武器光电系统在现代战争中的特点和功能，围绕武器光电系统在研制、定型、生产、外场及战场环境下使用时存在的试验及测试校准问题，突破系列主战装备光电产品中多光谱、多传感器、多功能、多专业、多模块的复杂光电设备的综合计量测试技术，研制建立了光电搜索跟踪、光电隐身、光学导引、光电预警等领域的计量保障技术体系。

3.1 光电搜索跟踪领域

在光电系统跟踪精度测试技术研究中，突破了高帧频CCD 动态高速图像采集和信息处理技术，实现了稳像平台漂移曲线自动拟合，解决了光斑质心的计算、亚像素图像处理等问题，校准装置总体设计如图7 所示，主要由大型动态模拟源、典型运动轨迹控制系统、摇摆台、计算机控制及测量软件等组成。其中大型动态模拟源采用拱形检测架的形式，用于模拟无限远动目标。通过典型运动轨迹控制系统控制平行光管发光，实现动态目标的模拟，并采用光电探测单元对各个运动轨迹进行准确测试、补偿、校正和分析；摇摆转台主要用于模拟武器光电平台的运动特性。

图 7 跟踪精度校准装置总体设计图Fig.7 Overall design diagram of tracking accuracy calibration device

达到的主要指标为跟踪精度测量范围：0.05 mrad～0.5 mrad；跟踪精度测量不确定度：U=0.05 mrad（k=2）。

3.2 光电隐身领域

在光电隐身领域，采用比较法测量原理，通过研究多光谱隐身技术、色度及其对比度校准测试技术，攻克了可见到远红外分光技术、图谱信息提取与处理技术、标准探测器与数据采集设计技术等系列关键技术，实现了可见到红外波段隐身目标的高准确度校准测试，测量不确定度达到国际先进水平，为武器的隐身性能评估提供了计量保障和计量技术支持，装置实物如图8 所示。

图 8 武器系统多光谱隐身校准装置实物图Fig.8 Physical photo of calibration device of missile system multi-spectral stealth

3.3 光学导引领域

在光电导引领域开展了成像导引头校准技术研究，解决了红外微弱辐射信号探测、273 K～373 K黑体温度精密控制、红外动态目标模拟器时间特性校准、红外动态目标模拟器空间分辨率评价方法等多项关键技术。研制出了可见光动态目标模拟器时间特性校准装置、红外标准辐射源、红外辐射传递标准、光源光轴校准装置、红外动态目标模拟器时间特性校准装置等。波段覆盖可见至近红外、中波红外和长波红外，红外标准辐射源温度范围为280 K～570 K，温度稳定性达到0.02 K～0.1 K，传递标准的最小可分辨温差达到0.01 K，可见光标准辐射源光源稳定性达到1%，光轴校准误差达到±0.5 mrad，时间分辨力测量范围为0.5 ms～100 ms。解决了当前我军多型导弹红外和电视导引头光电检测设备辐射温度、光照度、目标模拟器时间特性、目标模拟器空间分辨率等参数校准难题，校准装置实物如图9 所示。

图 9 成像导引头光电检测设备校准装置实物图Fig.9 Physical photo of calibration device of imaging seeker photoelectric detection equipment

3.4 多光谱光轴一致性领域

在光电系统光轴平行性计量测试方面，突破无色差的便携式卡塞格林光学准直系统设计技术，实现了对激光、红外、可见光光轴校准。光轴平行性校准装置由目标发生模块、图像采集处理模块2 部分组成。前者包括便携式准直箱、综合测试分划组件和调整平台，后者包括光斑位置探测电路模块，以及计算机、图像卡、多轴平行性测量软件。其中，综合测试分划组件又包括激光发射轴接收靶、可见光与红外光目标发生器等组件。光轴校准装置实物图如图10 所示，光轴一致性校准测量不确定度为0.05 mrad。

图 10 多光轴光电系统校准装置实物图Fig.10 Physical photo of calibration device of multi-axial photoelectric system

4 测试仪器研制

目前，军用光电技术及其系统发展迅猛，它们已广泛应用于侦察、火控、制导、训练模拟及光电对抗等军事领域，由可见光、激光、微光、红外等光电传感器构成的军用光电装备在新一代型号装备中得到了广泛和大量应用，并在现代战争中发挥着越来越重要的作用，涉及舰载光电装备、机载光电装备、星载光电装备、弹载光电装备、单兵装备及坦克、步兵战车光电装备等。为了满足武器光电系统发展的需求，需要研制现役武器光电系统、新概念武器、激光点火工程及高清对地观测等重大科技工程，以及前沿新技术装备性能参数测试与评价所需的测试仪器。由于武器光电系统种类多，因此要求用于军用光电装备性能参数测量的军用光电测试仪器精度更高、稳定性更好、种类更全。

国防光学一级计量站逐步建立了以高新武器光电测试体系、重大工程/专项测试体系、前沿光学技术测试体系等组成的军用光电测试仪器体系，光学测试仪器对武器装备的支撑技术体系如图11 所示。测试对象包括了光源、光电探测器、光学材料及元器件、光学系统、光电整机等；测试参数包括了光谱特性、功率能量、辐射特性、成像特性等。

图 11 军用测试仪器支撑技术体系Fig.11 Support technology system of military test instruments

针对激光特性测量，具备激光偏振度测量仪、皮瓦皮焦量级激光功率计、热释电型高重复频率激光功率能量计、量热型激光功率能量计、飞秒激光自相关仪、激光光斑分析仪、激光M2因子测量仪、激光β因子/BQ因子测量仪、激光自准直仪、大口径光学元件透过率/反射率测量仪、强激光远场空间分布测量仪等测试仪器的研发能力。

针对红外辐射测量，研制了红外扫描辐射计、大口径面源黑体发生器、红外材料发射率测量仪和测温热像仪等测试仪器，其中红外材料发射率测量仪主要用于测量不同温度、不同观察方向下红外材料和涂层光谱发射率的光学测量仪器，主要用在红外隐身技术、红外目标特性研究和红外辐射测量等领域。

针对可见光成像测量，研制了光学材料折射率测量仪、宽光谱椭偏仪、双波段光学元件中心偏测量仪、电视成像系统MRC 测量仪、光学传递函数测量仪、光电跟踪性能测量仪等，实现了光学材料、光学元件到光电整机的全方位性能参数测试。

代表性测试仪器产品有激光偏振度测量仪，基本原理为待测光依次通过匀速旋转的1/4 波片和1 个固定偏振方向的线偏振片，波片的角速度为ωQWP，用光电探测器连续采集并测量输出透过线偏振器的光信号，探测器接收到的光强I(t)既包括2 倍频分量，也包含4 倍频分量以及直流分量。光强I(t)与待测光的斯托克参数S0、S1、S2、S4以及1/4 波片调制频率之间满足：

通过探测器输出信号进行傅里叶变换分析，从而获得待测光的偏振度、偏振方位角以及椭偏率值。达到的主要指标为工作波长：400 nm～1 700 nm；偏振度测量不确定度：0.5%；偏振方位角和椭偏率测量不确定度：0.5°。产品三维模型图如图12所示。

图 12 激光偏振度测量仪测量原理及三维模型Fig.12 Measuring principle of laser polarization measuring instrument and its 3D model

红外材料发射率测量仪，如图13 所示，主要由样品炉、参考黑体、光谱分光装置及光学系统和红外探测器等组成。相同温度的样品和参考黑体发出的辐射，通过切换进入探测光路，其中孔径光阑限制能量，光谱分光装置分光后，最后被光学系统收集到红外探测器上。黑体的发射率可以经过计量校准得到，样品和黑体的光谱辐射相比较即可得到被测样品的法向光谱发射率。

图 13 红外材料发射率测量仪实物图Fig.13 Physical photo of infrared materials emissivity measuring instrument

双波段光学元件中心偏测量仪的三维模型如图14 所示。

图 14 双波段光学元件中心偏测量仪Fig.14 Center deviation measuring instrument for dualband optical elements

利用光学测量头发出一束与空气轴承旋转轴精确对心的聚焦激光光束，光束经空气轴承带动旋转的测量样品上表面反射。如果被测透镜的光轴恰好与旋转轴重合，反射的光束在观察界面产生一个在中心位置固定的圆斑；若被测透镜的光轴与旋转轴略有偏差，反射光束在观察界面上的反射光就会形成一个不断旋转的光斑。通过调整反射光斑的位置，使反射光束的光轴与旋转轴夹角最小，达到高精密镜头组装定心的目的。达到的主要指标为光源波长：0.633 μm、3.39 μm；最大可测样品直径：200 mm；TIR 分辨率：0.2 μm；角度分辨率：1"；可测样品曲率半径范围：20 mm～5 000 mm。

电视成像系统性能参数测量仪如图15 所示。由目标发生器产生均匀照明的测试目标，包括：分辨率目标、十字目标、狭缝目标及星点目标，经过光学准直系统将光束整形为平行光后入射到被测电视成像系统，数据采集系统通过采集电视成像系统输出视频信号。通过对视频图像进行判读、分析、计算，得到电视成像系统分辨率、调制传递函数、畸变、视场等主要性能参数的测量结果[10]。

图 15 电视成像性能参数测量仪三维设计图Fig.15 Three-dimensional design diagram of TV imaging performance parameter measuring instrument

达到的主要指标为光谱范围：400 nm～2 000 nm；光源照度范围：3×10-5lx～3×104lx；口径：Ф150 mm；视场测量范围：±15°；视场测量不确定度：0.05°；分辨率测量不确定度：2″；畸变测量不确定度：0.3%；MTF 测量不确定度：0.05。

红外扫描辐射计组成原理图如图16 所示。其基本原理是目标发射的红外辐射经过辐射计主机的光学系统后，在斩波片的作用下与辐射计内参考黑体的辐射光交替进入探测器组件，探测器的输出信号和同步参考信号经过数字化处理后，传输给计算机，由计算机内的操作控制软件，作为“软件锁相放大器”对这些信号处理，得到目标的辐射温度和辐射亮度。

图 16 红外扫描辐射计组成原理图Fig.16 Schematic diagram of infrared scanning radiometer composition

皮瓦激光功率和皮焦激光能量计三维模型如图17 所示。

图 17 皮瓦激光功率和皮焦能量计样机外型结构图Fig.17 Structure diagram of picowatt laser power and energy meter prototype

采用光电二极管（Si 或InGaAs 光电二极管）将待测微弱激光信号转换为电信号，对电信号进行放大、处理和标校，经数据处理后获得待测激光功率值或能量值。达到的主要指标为：光谱响应范围：0.18 μm～1.10 μm/0.7 μm～1.80 μm；功率测量范围：3 nW～3 mW/3 nW～3 mW；能量测量范围：1 pJ～300 nJ/30 pJ～3 μJ ；最高脉冲测量频率：2 kHz/200 Hz；测量精度：±5%。

超短激光脉宽测试仪三维模型如图18 所示。采用自相关法测量飞秒及皮秒激光脉冲宽度，即通过测量超短激光脉冲自扫描相关二次谐波曲线（自相关曲线）的半宽度来获得飞秒激光的脉冲宽度。待测超短激光脉冲经过分束镜分成2 束光，2 束光分别经延迟单元角反射镜反射后由透镜聚焦于非线性倍频晶体，非线性倍频晶体处2 束入射光合成波矢量满足相位匹配条件将产生二次倍频信号（自相关曲线），倍频信号仅与2 束光强和时间延迟量（相位延迟量）有关。倍频信号通过滤光片和光阑后被光电探测模块接收，经数据处理后获得待测激光脉冲宽度。

图 18 超短激光脉宽测试仪三维模型Fig.18 Three-dimensional model of ultrashort laser pulse width tester

紫外可见光高分辨率影像校正光谱仪工作原理如图19 所示。

图 19 紫外可见光高分辨率影像校正光谱仪工作原理图Fig.19 Working principle diagram of UV visible light highresolution image correction spectrometer

达到的关键技术参数为光谱范围：185 nm～1 000 nm；光谱分辨率：0.018 nm（@2 400 l/mm）；波长准确度：±0.05 nm；波长重复测量精度：±0.005 nm；所测瞬态光源脉宽范围：100 ns～1 s。

5 未来发展方向

现代武器装备所需的高准确度、高灵敏度、光电对抗、光学隐身等要求，使其战术技术指标的光学计量涉及极宽的测量范围和相当小的测量不确定度。同时为保障武器装备在各种情况下的准确校准，对光学计量也提出了实时动态、综合集成计量、不同环境适应下计量等更高的要求。

我国武器系统的光学计量体系庞大复杂，武器光电系统、分系统、传感器等涉及的科技领域广、技术难度高，要求计量的参数多、精度高、量程大、频带宽。未来国防光学计量的发展趋势和特点主要有：

1）量值向两端延伸，计量测试由常态到非常态甚至极端态。

随着武器装备的发展，目前要满足新一代高科技武器装备的需求，量限必须向两端大大延伸，向“微小、超大、极强、甚弱”方向发展。如：波段变宽，从200 nm 的紫外变为20 μm 远红外，甚至THz辐射的亚毫米波；量程增大，激光能量增至10-15J～106J，光照度增至10-7lx～106lx，光脉冲宽度从10-15s 增至连续波。

2）室内、静态测量向外场、动态测量发展。

随时间变化的外场真实环境的动态测量更接近实际，在武器装备研制和使用中，经常会遇到各种外场、动态测量问题。

3）单参数计量向多参数，以及武器型号光电系统、分系统、整机综合参数计量测试转变，同时更加强调光学计量的体系化发展。现代高科技局部战争的特点是战区联合作战，武器装备向集成化和信息化发展，一体化的综合电子信息系统是体系建设的重点，武器装备技术保障也必须向着系统、综合、多参数的计量和校准方向发展。

4）由建立标准、标准器具检测为主向为武器装备重点型号科研生产及重大科技专项提供全过程、全系统计量测试保障服务转变。

科技要发展，计量需先行。展望未来，国防光学计量应坚持体系化发展的原则，逐步建立较为完善的国防军工光学计量技术体系、研发体系、支撑保障体系、标准体系等，满足高新光电武器装备、国家/军事重大工程、光学前沿技术对光学计量的的迫切需求。