多目标复合半实物仿真系统的杂散光分析

范志刚，胡海力，陈守谦，左宝君，倪 辰

(哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心，黑龙江 哈尔滨150001)

引言

红外制导导弹具有打击精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、性价比高等特点，一直以来都受到各国军方的青睐。随着红外制导技术的发展，应用于红外制导导弹的半实物仿真系统的研制也越来越受到重视[1]。从工程角度来讲，基于半实物仿真系统的半实物仿真试验是导弹研制过程中不可或缺的环节，可以帮助设计人员排查许多设计中存在的问题，不仅可以极大地缩短研制周期，而且也节省大量的研制经费[2]。多目标复合半实物仿真系统是测试红外制导导弹的目标追踪性能的一种红外成像制导半实物仿真系统，其仿真的对象是红外导引头。此仿真系统要为导引头营造出一个逼真的战场环境和目标景象，还要为导引头模拟出导弹的运动情况，以此来检验导弹对目标的追踪能力[3]。随着光学系统的分辨率接近衍射限和高灵敏度探测器的出现，杂散光分析已成为保证光学系统成像质量的重要措施。而且由于红外制导导弹的打击半径越来越大，仿真目标在红外仿真装置出瞳处的辐照度越来越低，导致红外仿真装置受杂散光的影响愈发严重。因此，红外系统杂散光的分析和抑制工作得到了越来越多的关注[4-7]。本文基于蒙特卡洛方法，通过TracePro仿真软件进行建模，对基于网纹镜多目标复合半实物仿真系统的杂散光水平和可能的杂散来源进行了分析。分析结果表明，仿真系统中关键元件的自发辐射杂散光是仿真系统杂散光的主要来源。在仿真系统的设计之初，需要重点考虑自身辐射杂散光的影响。

1 半实物仿真系统工作原理

多目标模拟半实物仿真系统用于测试红外成像制导导弹的打击和跟踪能力，需要模拟实际工作时的导弹从发射到最终击中目标期间的真实环境和目标变化情况。因此，仿真系统需要模拟多个目标，波段范围覆盖广，包括红外波段的1 μm～3 μm、3 μm～5 μm和8 μm～12 μm。该仿真系统结构示意图如图1所示。

图1 半实物仿真系统原理图Fig.1 Diagram of hardware-in-loop system

仿真系统的光学结构主要由以下子系统组成：

1) 子目标模拟器组。整个仿真系统的目标生成系统包括5个子目标模拟器，可以相互独立模拟不同波段的不同红外目标和背景。

2) 多目标复合光学系统。为了避免产生色差，该仿真系统的主要光学元件采用了反射式元件[2]。多目标复合光学系统的主体光学系统是一个同心三反望远系统，由共球心的凹面主反射镜和网纹镜组成，如图2所示。网纹镜是一个球面反射镜表面上布满呈蜂窝状的凹面反射镜(图2所示)。由于网纹镜的扩束作用，每个投影器的出射光束被展宽，并且有重叠区域，那么，在重叠区域导引头就可以同时接收来自多个投影器的目标了，实现了多目标复合的目的。多目标复合光学系统的入瞳位置是投影器的出瞳，而出瞳位置是探测器接收系统的入瞳，这样，多目标复合光学系统将目标和探测系统联合起来了。

图2 同心三反式复合光学系统Fig.2 Multi-target compounding system with field lens of dimpled mirror

3) 扫描系统。扫描系统由四面平面反射镜组成，通过四面反射镜的旋转来实现模拟目标在视场中的移动。

4) 导引头。导引头包括光学成像系统和高灵敏度的红外探测器两部分。

2 蒙特卡洛方法

蒙特卡洛法[8]由于其理论相对完善，在复杂无规则的杂散光计算中，蒙特卡洛法是迄今为止唯一成熟的方法，它对复杂的系统结构、表面与光学元件的各种辐射特性有非常好的适应性。

蒙特卡洛法是一种统计算法，其应用于杂散光计算的主要思想是：将一束杂散光离散为一束独立的、离散的细小光束，每一条光束在传播时可以看作一个独立事件，其传播路径由一系列的概率模型描述的随机过程组成。通过抽样跟踪每一光线的传递过程、记录感兴趣的各种传递信息，并进行统计处理，可获得所需要的各种杂散光分析数据，如到达探测器表面的杂散光辐射通量、系统或结构的杂散光衰减比、各种杂散光传递途径、危险部件等。

具体的蒙特卡洛法杂散光计算，主要包括以下几个步骤：

1) 建立杂散光线以及其传递的数学描述；

2) 建立光辐射传递的概率模型；

3) 进行随机抽样，模拟跟踪杂散光线的传递过程；

4) 各种传递信息的记录与统计分析。

3 仿真系统的杂散光分析

3.1 杂散光来源

本文采用基于蒙特卡洛法的杂散光分析软件TracePro对仿真系统的杂散光水平进行分析。采取的步骤如下：首先要在三维建模软件PRO/E中进行仿真系统实体建模，然后将三维机械模型导入杂散光分析软件TracePro中，进行杂散光分析。

要分析整个仿真系统的杂散光水平，首先要确定该仿真系统杂散光的主要来源。根据该仿真系统的工作原理，并结合杂散光的产生原因[9]，可知该仿真系统的杂散光来源主要有2个方面:

一是源于投影器发出的光束经过网纹镜扩束后未复合的光束。正是由于网纹镜的扩束作用(如图2所示)，导引头可以同时接收多个投影器的目标光束。但是，导引头只接收各个投影器之间重合部分的光束，那么未复合的边缘光线部分有一部分并没有经过主反射镜2的反射，而是照射在主反射镜2周围，即镜框的机械结构部分。这些光线由于机械结构表面的散射和反射而在仿真系统内不断地反射，有可能进入导引头的入瞳，成为仿真系统的杂散光，称之为未复合光束杂散光。

二是源于仿真系统内部光学元件的自发辐射。因为任何高于绝对温度的物体，都会自发地不断向外发出红外辐射，辐射能量很有可能进入导引头的入瞳，成为仿真系统的杂散光。由于这一部分杂散光来自于仿真系统内部的自发辐射，称之为自发辐射杂散光。

3.2 未复合光束引起的杂散光

这部分杂散光是由于未复合的光束在机械结构和光学元件表面间不断散射和反射而进入导引头。若要确定仿真系统的杂散光水平，必须确定目标在像面上的辐照度和总辐照能量。这样通过分析得到的杂散光辐射能量与目标的辐射能量进行对比，才能确定仿真系统的杂散光水平会不会影响目标的提取。根据仿真系统的指标要求：1) 标在探测器上的尺寸小于一个像元的大小，探测器的像元尺寸为30 μm×30 μm；2) 目标在导引头入瞳处的照度值约为10-7W/m2。于是调整目标黑体的温度，使其在导引头入瞳处的照度接近10-7W/m2。最终，目标在导引头入瞳处的辐照度图以及在像面处的辐照度图，分别如图3和4所示。此时目标在导引头入瞳处的照度值为9.959×10-8W/m2，在导引头像面处的目标的总辐照光能量为1.282 1×10-9W。

图3 导引头入瞳处目标的辐照度图Fig.3 Irradiance on entrance pupil of detector

图4 目标在像面的辐照度Fig.4 Irradiance of target on image plane

由于该仿真系统处于设计阶段，因此留以余量考虑最坏情况，设仿真系统内部机械结构表面的反射率为80%。为了分析未复合光束的杂散光水平，不考虑其他杂散光的影响，将仿真系统内所有元件的温度都设为10 K。在导引头像面处的杂散光水平，结果如表1所示。

由杂散光系数η[9]表达式：

式中:Q为像面上的总光能量;QS为像面上的杂散光光能量;QE为像面上的目标有效光能量。

计算结果如表1所示，此时仿真系统的杂散光系数为6.6%，这部分杂散光可能对目标的识别产生影响，需要采取措施进行抑制。

表1 像面上未复合光束杂散光和目标总能量Table 1 Irradiations of target and stray light on image plane

3.3 自发辐射引起的杂散光

分析内部构件自发辐射的杂散光水平，首先确定内部构件的关键表面，即从导引头入瞳处反向观察能直接看到的表面。这些表面会直接向像面辐射或散射能量，应尽量减少或消除能被探测器直接看到的辐射源，以抑制这些关键表面产生的热辐射。

关键表面的确定方法：通过以像面为光源，仿真系统视场角为发散角，反向追迹确定仿真系统杂散光来源的关键表面。根据反向光线追迹结果，可以得到仿真系统杂散光分析的关键表面，也就是其自发辐射杂散光能直接进入到导引头入瞳的表面，如表2所示。

表2 仿真系统的关键表面Table 2 Key surfaces of HWIL system

下面分析室温状态下各个关键表面在像面处的自发辐射能量，各关键表面的特性参数如表3所示。各关键表面自发辐射的杂散光水平和杂散光系数如表3所示。由仿真结果可知，整个仿真系统的光学元件的自发辐射引入的杂散辐射主要是目标复合系统网纹镜自发辐射的杂散光。除了网纹镜之外，各个光学元件自发辐射的能量比目标的能量小很多，杂散光系数也小于1%。但是，由于网纹镜自身辐射的影响，使得整个仿真系统的自身辐射杂散光对目标影响严重，杂散光系数大于50%。反映在像面处，自身辐射的杂散光，主要已经和目标辐照度值接近，会影响成像的辨识度。因此，在常温工作条件下下，仿真系统内部构件的自发辐射能量远大于目标的辐照能量，必须对仿真系统的自发辐射进行有效地抑制。

表3 关键表面的自身辐射杂散光Table 3 Stray light of key surfaces arisen from self-thermal radiation

通过降低温度，减少关键元件的辐射能量，可以抑制自发辐射杂散光。因此，可以对仿真系统中的网纹镜进行制冷。设制冷温度分别为280 K，200 K和120 K，进行杂散光分析，得到杂散光系数随制冷温度的变化关系，如表4所示。可知当元件的温度降低到200 K时，目标的辐照度已经远大于杂散光的辐照度。此时，仿真系统的自身辐射杂散光系数已经小于2%，这说明杂散光已经不影响目标信号的提取，已经可以很好地抑制杂散光。

表4 制冷后自身辐射杂散光和目标辐射能量Table 4 Irradiation of self-thermal radiation after refrigeration

3 结论

对应用于某导弹的多目标模拟半实物仿真系统进行了杂散光分析。在杂散光分析软件TracePro中对半实物仿真系统进行光机建模，分析了系统的关键表面，并计算出杂散光和目标的辐照度比。常温状态下，网纹镜的自发辐射是仿真系统杂散光的最主要来源，此时杂散光系数高于50%，严重影响导引头对目标的提取。另外，根据杂散光系数和网纹镜的制冷温度的关系，当网纹镜温度制冷到200 K时，仿真系统的自身辐射杂散光系数小于2%。

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