红外激光双模复合导引头分离孔径式光学系统性能研究

范 俊，李冬梅，魏靖彪，黄 海，陈 策

(1 陆军航空兵研究所，北京 101121；2 中国科学院半导体研究所，北京 100083)

0 引言

当前,国内外空面导弹末制导体制通常采用激光、红外成像、毫米波雷达等单模体制,或上述体制复合形成双模及三模体制[1],如美国AGM-114地狱火导弹可根据目标选择激光半主动、红外成像、激光红外复合三种导引方式[2]。从需求看,为提高通用化程度、降低经济性成本,空面导弹需打击目标种类日趋增多。车辆、舰船和建筑等目标特性差异较大,对末制导探测体制要求不同,单纯依靠一种单模探测体制难以同时实现多类目标有效探测、识别和跟踪[3]。此外,单模制导效果受恶劣战场环境影响较大。单一激光半主动制导虽然精度较高,但需要持续提供目标照射保障,且易受战场烟雾、沙尘等环境影响。多模复合导引体制具有更好的战场环境适应能力、抗干扰能力和作战使用灵活性等,从而成为导引头的发展趋势之一[4]。毫米波雷达体制虽然具有较好的抗背景干扰能力,但其成本较高,结构复杂[5];半主动激光体制具有命中精度高、作用距离较远、稳定性高等优势[6];红外被动成像体制能够通过人工点选或目标识别技术实现对目标物关键部位的精确打击[7]。因此,将激光半主动体制与红外成像体制结合,成为提升制导导引头性能的一个重要途径。

1 分离孔径式光学系统设计

红外激光双模复合导引头包含光学系统(含头罩)、红外成像单元组件、信息处理器,激光探测器、激光探测器驱动板、激光信号处理板、融合控制平台、电源功放模块、电气及结构等部件[8-11]。光学系统由红外、激光光学分系统组成,按照光学布置方式可分为共孔径式和分离孔径式两类[12-14],其中共孔径式光学系统激光光轴和红外光轴重合,位于光学系统几何中心;分离孔径式光学系统红外光轴位于光学系统几何中心,激光光轴和红外光轴平行,位于红外光轴俯仰向正上方,如图1所示。

在同一机械口径、相同球形头罩面积、跟踪距离和搜索范围约束下,设计的共孔径式光学系统、分离孔径式光学系统光路布置如图2所示。其中,红外镜头口径为99 mm,长度为92 mm,激光镜头口径为37 mm,长度为50 mm。激光与红外口径比例为1∶3.7。在共孔径式光学系统中,红外激光信号透过头罩,通过共孔径物镜收缩口径,由分光镜组反射激光,透射红外,分别由红外探测器和激光探测器完成信号探测。在分离孔径式光学系统中,红外与激光分别由各自的光路进入探测器完成信号探测。

图2 导引头光学系统 Fig.2 Optical system of seeker

从光学系统总体方案看,共孔径式光学系统虽然实现了激光、红外光轴重合,降低了装调难度,但是激光探测系统位于红外光学正中间,对红外光学部件和红外成像质量影响较大。激光探测系统结构件受热或遇冷产生的应变会压迫红外透镜,从而增大场曲等像差;其次,激光探测系统在工作中散热会影响到红外成像质量。分离孔径式光学系统将激光、红外光路分开布置,虽一定程度上会增大装调难度,但其光路设计简单,可有效降低激光光学系统对红外光学系统遮挡程度以及激光探测系统散热对红外的影响,提高红外系统成像质量。

2 红外光学参数对比分析

为进一步量化对比分析两类光学系统红外分系统性能,在相同约束条件下,选取调制传递函数(MTF)、渐晕、最小可分辨温差(MRTD)和噪声等效温差(NETD)等四个红外主要性能参数进行仿真计算和实验测试,结果表明,分离孔径式光学系统红外特性要优于共孔径式光学系统。

2.1 调制传递函数

MTF是空间分辨率的函数,定量描述了一个光学系统分辨率和对比度,MTF越大,光学系统性能越好。其公式为:

(1)

式中:φ=arcsin(ξ/ξc),ξc=1/λ。ξ代表空间分辨率,ξc代表截止频率。在实际研制中,因为像差或镜片间的耦合影响,MTF会有降低或升高。

所有成像元件,对分辨率板成像时,线条边缘会在一定程度上变得模糊,高分辨率图像模糊较小,低分辨率图像模糊较大。实验采用15 μm像元传感器,则极限分辨线对数Lc可表示为:

(2)

由此得出其极限分辨线对数为33(即33 lp/mm),此时根据光学设计和测试经验表示,当MTF>0.3时,光学系统良好。

对于常温中的15 μm像元传感器,MTF仿真结果如图3所示。

图3 MTF(常温)仿真曲线Fig.3 MTF simulation curve (normal temperature)

图4 渐晕仿真曲线Fig.4 Vignetting simulation curve

结果表明,共孔径系统的MTF曲线显著低于分离孔径系统的MTF曲线。当极限分辨线对数为33时,共孔径式光学系统的MTF值为0.2,而分离孔径式光学系统的MTF值为0.35,相对于前者提高了75%。因为中心开孔遮挡等效于增大了系统F数,导致衍射极限降低,而侧边开孔只是对部分视场进行了遮挡,整体的分辨能力没有下降。因此侧边开孔分辨能力更强,从而提升红外成像分系统的空间分辨率。

2.2 渐晕

激光光学分系统嵌入红外光学分系统,不可避免会对红外产生遮挡。渐晕表征了轴外光束被拦截的程度,被拦截的能量越多,光学系统作用距离就越近,成像质量也较差。离轴越远的光线经过光学系统的有效孔径越小,其在离轴像面上的光强度就越弱,形成了由中心轴向离轴晕开的影像。渐晕使得图像传感器成像边界的亮度低于成像中心。

对于共孔径式和分离孔径式光学系统,在常温条件下渐晕系数仿真结果表明,分离孔径式系统的渐晕系数没有随光入射角度而发生下降,而共孔径式系统在视场边缘渐晕系数有明显下降,图像均匀性变差。

此外,分离孔径式系统侧边开孔仅有15%的光线受到遮挡,而共孔径式中心开孔使得40%以上的光线被遮挡,比前者高25%。激光光学分系统位于红外光学分系统中心时,红外被遮挡的能量值要高于其位于红外光学分系统边界时被遮挡的能量值。因此,分离孔径式光学系统能够接收更多的能量,从而提升红外成像分系统的作用距离。

2.3 最小可分辨温差

最小可分辨温差(MRTD)表征了红外成像分系统目标背景区分能力大小。其值越小,红外成像分系统对温差敏感度越高,区分目标背景能力也就越强。MRTD计算公式为:

(3)

式中:ΔTp是灰度可分辨的高温条纹温度值;ΔTn为灰度可分辨的低温条纹温度值;f是空间频率。

在实验室环境下采用黑体、平行光管、标准四条靶标等标准设备对两种系统的MRTD值进行测试。实验用的四杆靶空间频率为3.54 cy/mrad,如图5所示。

图5 MRTD测试用四杆靶Fig.5 4-Bar Target for MRTD experiments

实验结果如表1所示。

表1 MRTD测试结果Table 1 Experimental results of MRTD

从测试结果可以看出,分离孔径式光学系统可以分辨温差0.7 K的相邻物体。共孔径式光学系统只能分辨温差2 K的相邻物体。分离孔径式光学系统的最小可分辨温差更小,易于区分与背景温度差异小的目标。

2.4 噪声等效温差

NETD主要用于表征红外成像系统中噪声对温度值探测的影响程度。NETD越小,噪声对红外图像的影响就越小。

在常温环境下,利用黑体、平行光管、标准靶标等标准设备对两种光学系统进行测试。首先利用红外热成像系统对恒温均匀黑体进行多次成像,之后对多幅图像进行直方图统计,如图6所示。直方图分布接近高斯分布,该分布的标准差(Std)即可换算为该红外成像系统的NETD值。实验结果如表2所示。

表2 NETD测试结果Table 2 Experimental result of NETD

图6 红外相机对恒温均匀黑体表面成像灰度直方图分布Fig.6 The gray histogram distribution of infrared camera image of the constant temperature homogeneous blackbody surface

结果表明,分离孔径式光学系统NETD达到22.2 mK,共孔径式光学系统NTED值为56.9 mK,前者比后者降低了61%。分离孔径式光学系统具有更低的热噪声干扰,以及更高的目标图像清晰度。

3 分离孔径式光学系统激光光学参数分析

在分离孔径式光学系统中,由于头罩的影响,激光光斑零位会发生偏移,如图7所示。为研究零位偏移对激光偏角特性影响,在常温实验室环境中,利用平行光管、激光目标模拟器等设备,在对零位进行定值补偿前提下,对分离孔径式光学系统全视场下的激光光斑位移进行仿真和实验分析。

图7 激光光路Fig.7 Laser light path diagram

设激光四象限探测器感光面的能量分布分别为I1,I2,I3,I4,如图8所示。实验采用质心在水平向和俯仰向的相对偏移量作为激光偏角特性评价准则。质心相对偏移量的计算公式如式(4)所示。

图8 激光四象限探测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)

实验分别对水平和俯仰瞬时视场进行测试。水平和俯仰瞬时视场范围都为(-3°, 3°)。测试结果如图9所示。

图9 分离孔径式激光光斑俯仰和偏航角度变化图Fig.9 Pitch and yaw angle trend of laser facula in separated-aperture optics

实验结果表明,非共轴光学条件下光斑的偏移量基本满足线性变化。使用非共轴光学不会增加激光测角解算的计算负担和降低测角精度。

4 结论

从理论计算和实验分析可知,当激光光学口径与红外光学口径比例约为1∶3.7时,分离孔径式在MTF、渐晕、MRTD、NETD等指标上比共孔径式有较大提升。这是因为共孔径式光学系统中激光探测模组位于红外光学中心,遮挡了较多的红外信号,影响到红外成像效果。当两者口径比例继续增大时,共孔径式光学的性能会急剧下降。分离孔径式光学系统将中心位置让给红外成像分系统,有效降低了激光探测模组散热对红外图像质量的影响,提高了红外成像质量和探测距离,且并未增加激光角度测量的计算开销和算法复杂度。在解决厚度不均匀透镜边缘打孔工艺、振动隔离等难题后,对激光红外口径比较高,系统体积较大、作用距离要求较远的激光红外复合制导导弹,分离孔径式设计不失为一个可行的选择方案。