红外双波段目标模拟器方案与光学系统设计

钱育龙，侯晴宇，王治乐，赵焕义

（1.哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨150010；2.中航工业江西洪都航空工业集团660所，江西 南昌330024）

引言

在红外双波段导引头研制的末期，需要对红外双色制导系统的性能进行准确的评估，景象仿真技术可以满足这种需求。景象投影的方法［1-3］就是由景象生成器将计算机图像生成器产生的图像数据转换为红外物理辐射，并通过光学系统投射到被测试系统的光学入瞳处，这样就能模拟所需要的红外场景，此场景可以供被测系统进行探测和识别［4］。这种景象生成方式拥有很高的仿真度，缩短了制作周期，简化了制作工艺，因此成为国内外学者研究的热点。在红外景象投影系统中，红外投影系统是最关键、难度最大的部分，它的技术特点决定了景象生成器的性能。

1 技术原理

双波段探测器是通过探测目标在2个波段内的能量比来对目标进行探测和识别。因此在进行双波段目标模拟器研究时，核心问题就是模拟器如何产生目标在2个波段内的景象，同时这2个波段内的能量比可调，通过调节波段内的能量比来模拟不同温度的目标。传统的目标模拟器采用一个景象生成器（辐射黑体），一套投影系统，利用黑体温度来调节需要模拟的双波段目标。这种方式的优点是结构简单，但只能模拟黑体辐射，不能模拟灰体或选择体的目标辐射，局限性比较大。目前比较先进的是大卫博士为美国海军研制的双波段目标模拟器，结构图如图1所示［5-6］。它利用两套独立的光学系统，分别产生两条可调谐能量的光路，在出瞳处进行图像融合后并被探测器接收，由于两个波段的光路分离，它们可以独立调节发射源的能量大小从而实现不同能量比的模拟，可以不仅仅局限于黑体辐射［7-9］。但这种设计方式存在着一定的不足：使用了2个景象生成器件，两套光学传递系统，不仅提高了研制成本，而且需要进行图像融合，对系统的要求较高，设计难度比较大。

图1 典型双波段目标模拟器Fig.1 Typical dual-band target simulator

为了解决上述问题，本文提出一种仅使用一个景象生成器件和一套投影系统的双波段目标模拟器的方案，降低光学系统的复杂程度，但是仍然可以自由调节2个波段的能量比值，用“一套”系统实现双波段模拟器的设计。

2 方案设计

2.1 方案组成和工作原理

方案的系统结构原理图如图2所示。系统中景象生成器可以采用电阻阵列（辐射黑体）并放置在投影系统的物方焦平面上，在景象生成器附近放置遮光片和滤光片（景象生成器，遮光片，滤光片，投影系统的中心共轴），在遮光片和滤光片的相互遮掩下就会产生特定能量比的2个波段的光波，被滤光后的光波通过投影系统后以平行光的形式射出，最后双波段的平行光被探测器接收实现了双波段景象的模拟。本方案中需要具体说明的部分是滤光片的设计以及滤光片与遮光片对2个波段能量的调节。

图2 系统的侧视结构图Fig.2 Side structure of system

滤镜和遮光片的设计方案如图3所示，滤光片分成左右两半，分别镀上2种透过率的光学薄膜：左半边A，B波段全透，右半边波段只有A全透，波段B不能透过（这里的A，B分别代表需要模拟的2个波段），并且滤光片可以绕中心旋转改变滤光角度。遮光片采用最简单的形式，上半部分不透光，下半部分透光，即180°遮光，并且固定放置。由于探测器接收到的能量正比于出瞳的通光面积，所以调节滤光片的旋转角度，就可以改变两个波段透过面积，即改变双波段的透过能量。又由于特定温度下目标在两波段能量比为定值，所以通过调节滤光片的旋转角度就可以实现双波段特定能量比的调节，从而达到对特定温度目标的景象模拟任务。同时为了使探测器各部分接收到能量均匀，需要加入步进电机和支架驱动滤光片和遮光片匀速旋转，转速要与景象生成器的帧频相互匹配。

图3 滤光片和遮光片的结构图

2.2 方案可行性分析

接下来本文针对一个特定的双色红外导引头进行目标模拟器设计方案的温度模拟范围的分析。

导引头的特性参数如下：

以此导引头的对应的红外目标模拟器系统为例，分析180°遮光片可实现的目标温度模拟范围。本方案中探测系统导引头探测的2个波段分别为3.4μm～3.8μm和4.4μm～4.8μm，因此目标模拟器需要产生这2个波段的光波，并且可以调节这两波段的能量比。一般红外探测方式下探测的主要目标就是背景、导弹／飞机和干扰弹等军事目标。它们的黑体辐射温度一般在300K～2 000K这一范围内，即目标模拟器需要模拟出在300K～2 000K温度下3.4μm～3.8μm和4.4μm～4.8μm 的2个波段内的能量比。根据普朗克公式可知2个特定波段下的能量：

式中：h＝6.626×10-34J·s；c＝3×108m／s；λ1＝3.4μm，λ2＝3.8μm，λ′1＝4.4μm，λ′2＝4.8μm，k＝1.380 6×10-23J／K。根据不同的温度，代入公式可得300K～2 000K温度范围内的黑体辐射的能量比，如表1所示。

表1 不同温度下2个波段的辐射能量比Table 1 Energy ratios of radiation under different temperatures

从表2中可以看出，目标模拟器本质上就是要实现能量比从0.18～2的连续变化，从而模拟出300K～2 000K范围内的目标。通过控制温度，人为设定景象生成器（电阻阵列）发射的两波段的初始能量相同为1:1，在经过滤光片和遮光片组合的滤光系统后，生成2个波段的能量比值要在0.2～2可变，即可以实现0.2～2的遮掩透光面积的变化。如图5所示，当滤光片旋转至特定角度时，就可以实现1:5至2:1连续可变的通光面积比，从而生成能量比值从0.2到2的可变双波段，以模拟300K～2 000K温度下的目标。

图4 遮光片和滤光片遮掩情况Fig.4 Cover situations of shading plate and filter

3 投影系统光学设计

双波段目标模拟器中投影系统的设计对整个系统起到了决定性作用。接下来对已给出的探测器导引头的技术指标对目标模拟器的投影系统部分进行光学设计。与可见光系统相比，红外光学系统在镜片光学材料选取时，应保证在工作波段有较高的光学透过率；同时，光学元件在工艺允许的范围内，使相对孔径尽可能大以保证接收更多的能量，提高系统的灵敏度［10］。

3.1 系统参数确定

由系统的工作原理可知，投影系统的物是景象生成器件（即电阻阵列），且景象生成器置于投影系统的物方焦平面上，这样可以使出射光为平行光。通常评价投影系统的成像质量时，将投影系统倒置，因此为设计方便采用反向设计的方法，以平行光入射，相当于无穷远物通过物镜成像，此时像面位于电阻阵列位置上。

投影系统的特性参数与导引头参数和电阻阵列尺寸有关，投影系统的出瞳（出瞳位置为倒置时的入瞳位置）应与导引头入瞳衔接，以有效利用辐射能量和避免不必要的杂散光进入导引头光学系统视场，因此要求投影系统出瞳稍大于导引头入瞳。为有效利用景象生成器的各像元，又能完全覆盖整个导引头成像视场，最好使投影系统视场略大于导引头成像视场。投影系统焦距由景象生成器的尺寸（电阻阵列的对角线尺寸）和投影系统视场确定。投影系统的分辨率受被测导引头的限制，足够使用即可。综合考虑各种因素，确定反向设计时的技术指标如下：

3.2 系统初始结构确定

为适应仿真系统小型化特点，红外物镜系统结构上选取折射式系统。此投影系统相对孔径比较大，焦距中等，视场较小，所以此红外投影系统初步拟用3片透镜。系统工作波段为3.2μm～3.6μm和4.4μm～4.8μm，又考虑消色差条件，选取Ge、ZnS、Si作为红外物镜的材料。

4 设计结果及分析

利用ZEMAX进行系统优化得到结果，虽然效果很好，但系统整体长度过长，达到500mm。所以考虑使用两片式结构进行改进，其中一面采用二次非球面进行优化，以得到尽可能小的系统长度，改进后的结构如图6所示，此时系统可以用两片式实现，材料分别为Si和Ge，再将滤光片和窗口加入到系统中进行整体优化。

图5 改进后的物镜结构Fig.5 Structure of final objective lens

重新使用ZEMAX优化得到最终结果。光学系统焦距f′＝480mm，入瞳直径150mm，视场2.2°，整体长度360mm，系统的传递函数曲线如图7所示，可以看出，在3.2μm～4.8μm波段系统的分辨率可以达到10lp／mm，像质能够满足使用要求。另外，模拟器方案设计中由于有遮光片，对景象生成器存在着部分遮挡，因此要计算探测器接收到的能量是否大于阈值。本文第2部分规定景象生成器产生的两个波段的能量相等，由普朗克定律可知，在720K时，电阻阵列上黑体辐射能量在两波段上的辐射能量比约为1:1，此时在给定的2个波段内积分就可以得到辐射能量均为0.1W／cm2。

图6 投影系统的传函曲线Fig.6 MTF of projection system

在红外景象投影系统中，共使用了两片透镜和一个滤光片，按单个面的透过率为98%来计算，导引头光学系统的透过率已经给出为0.8。投影物镜焦距为480mm，入瞳直径为150mm。因此，有公式：

即直接求得探测器接收到的辐射强度：

但此结果没有考虑遮光片和滤光片的遮掩，还需要乘一个遮掩系数k（一般模拟的最小温度为背景温度，遮掩系数为1／10），即＾E＝E×k＝1.8×10-4（W／cm2）。而探测器的最小探测辐射强度E′一般为10-6W／cm2，即＾E≫E′。所以在遮光片遮掩的情况下，红外双色探测器的探测能力不受影响，方案可行。

5 结束语

本文提出的红外双波段目标模拟器的设计方案与传统方法相比解决了红外目标模拟只能模拟黑体和灰体的局限性，可以模拟任意发射特性的选择体。通过对系统的整体优化，达到了简化系统结构的目的，降低了研制和生产成本。针对特定导引头，给出了目标模拟器的投影系统的设计方法以及设计结构，具有分辨率高和结构紧凑的特点，可以对温度范围在300K～3 000K的目标实现双波段红外模拟，系统分辨率能达到10lp／mm，能够满足系统的探测要求。

［1］ Chang Hong，Fan Zhigang.Optical system design of DMD-based dual2band infrared scene projection［J］.Journal of Institute of Technology，2007，39（5）：838-840.常虹，范志刚.基于DMD的红外双波段景象投影光学系统设计［J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39（5）：838-840.

［2］ Yang Le，Sun Qiang，Guo Banghui.Optical design of off-axis three-mirror system for infrared dual-band scene simulator［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（6）：1212-1216.杨乐，孙强，郭邦辉.离轴三反红外双波段景象模拟器光 学 系 统 设 计 ［J］.应 用 光 学，2011，32（6）：1212-1216.

［3］ Yan Xiuqi，Fu Yuegan.Design of laser and mid-wave infrared optical system ［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（2）：221-225.严修齐，付跃刚.激光与中波红外双波段光学系统设计［J］.应用光学，2014，35（2）：221-225.

［4］ Daehler M.Infrared display array［J］.SPIE，1987，765：94-101.

［5］ Dupuis J R，Mansur D J，Vaillancourt R，et al.Twoband DMD-based infrared scene simulator［J］.SPIE，2009，7301（73010E）：1-11.

［6］ Dupuis J R，Mansur D J，Grant S，et al.Contrast analysis for DMD-based IR scene projector［J］.SPIE，2012，8356：835603-1-11.

［7］ Sieglinger B A，Marlow S A，Sisko R B，et al.Procedures and recent results for two-color infrared projection［J］.Defense and Security Symposium.International Society for Optics and Photonics，2006，6208：62080Z-1-62080Z-9.

［8］ Keen W，Flynn D S，Bergin T P，et al.Correction of spatial distortions in a two-color infrared projection system［J］.SPIE，2002，4717：174-182.

［9］ Siskoa R B，Flynnb D S，Sieglingerb B A，et al.Studies of the spectral“crosstalk”in two-color IR projection systems［J］.SPIE，2003，5092：177-185.

［10］ Feng Kecheng.The infrared opitical system［M］.Beijing：Weapon Industry Press，1995：124-149.冯克成.红外光学系统［M］.北京：兵器工业出版社，1995：124-149.