Infrared and Visible Light Dual-Mode Seeker Optical System Design
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摘要: 为了提升导弹在复杂环境下的寻的制导能力，设计了一种红外与可见光双模式导引头光学系统。该方案中采用分光镜透射红外光反射可见光，使结构布局更加紧凑，实现红外与可见光共口径，同时配合红外材料选取，实现光学被动消热差设计。中红外模式视场角3°×2.3°，可见光模式视场角5°×4°，工作温度20℃条件下，双模式在截止频率处，MTF（Modulation Transfer Function）值均大于0.4。红外与可见光双模式光学系统适合应用于复杂环境的导弹制导，对温度有良好的适应性，具有较好的成像质量，满足系统的性能要求。Abstract: A folding anti-infrared and visible-light double-pattern optical guidance system was designed to improve the guidance of a missile in complex environments. In this scheme, the system layout for infrared and visible light is produced by spectroscopic optical visible light reflection, realizing dual-mode infrared and visible light, and optical passive heat reduction is implemented. In the mid-infrared mode, the field of view of the infrared mode is 3°×2.3°, the angle of view of the visible light mode is 5°×4°, the working temperature is 20℃, and the dual mode MTF is greater than 0.4 in the cup-frequency. Infrared and visible-light dual-mode optical systems are suitable for missile guidance in complex environments, have good adaptability to temperature, and have good imaging quality and performance.
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Keywords:
- optical systems /
- visible light /
- medium wave infrared /
- heat separation
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0. 引言
国际间纷争摩擦不断，武器装备是国防的重中之重，各种光学镜头、武器导引头作为各种大型装备的“眼睛”更是不容忽视，其主要作用是完成对目标的探测、识别、跟踪等功能。导引头采用的制导方式主要包括：半主动雷达制导、红外成像制导[1]、电视探测制导等[2]。但随着战场环境越来越复杂，对抗形式的升级，单一的制导模式已经无法满足使用要求。红外与可见光双模制导，可以充分发挥各个子模式的优势，且提高复合抗干扰能力。光具有波粒二象性，可见光的波长较短，主要表现出粒子性，所以可见光分辨率较高，有利于制导精度的提升，在光线充足，天气较好时可以发挥其优势；红外光主要表现为波动性，所以其穿透性较强，有利于在夜间和能见度较低的天气下工作[3]。
本文以某导弹红外与可见光双模式导引头为研究对象，采取光学被动无热化，设计并优化光学系统，并使用MTF曲线、点列图、畸变图进行像质评价。
1. 总体方案
红外与可见光系统采用共口径光学系统，其能够避免纯反射式系统视场小的问题，同时具有结构紧凑等优点[4]。光学系统如图 1所示，包括红外光学系统和可见光光学系统两部分。共8片透镜，1片分光镜以及1片反射镜，其中反射镜材料为微晶玻璃，表面镀全波段反射膜，分光镜材料为硫化锌，表面镀分光膜，反射可见光，透射长波红外。光学系统与结构几何尺寸为230 mm×110 mm×150 mm，具体参数如表 1、表 2所示。
表 1 红外光学系统参数Table 1. Parameters of IR systemFOV ≥3°×2.3° Focus length 90 mm F# ≤1.1 Entrance pupil diameter ≥83 mm 表 2 可见光光学系统参数Table 2. Parameters of visible systemFOV ≥5°×4° Focus length 101 mm F# ≤5 Entrance pupil diameter ≥20 mm 2. 光学系统设计
2.1 红外光学系统设计
由于红外透镜材料的温度折射率系数较大，对温度较敏感[5]，且导引头工作温度范围较大，会造成透镜尺寸、折射率以及透镜间隔的变化，所以需要对系统进行无热化处理。常用的无热化处理方法有3种：被动机械式无热化、主动机电式无热化和被动光学无热化[6]，由于前两种方法会使结构变得复杂，本红外光学系统采用被动光学无热化设计，在－45℃~+55℃温度范围内保证成像质量。红外探测器选用15 μm，320×240焦平面非制冷型探测器，工作波段为8~12 μm长波红外，并要求装调后MTF大于0.32。
红外系统主镜材料为锗，次镜材料为单晶硅，其余红外镜片为硫化锌，其主要优点是这些材料有较高的透射率以及成熟的制造工艺。为避免热胀冷缩作用对系统产生较大影响，镜筒材料选用膨胀系数较低的殷钢材料。利用Code V软件进行设计优化后，红外光学系统如图 2所示。
2.1.1 红外系统像质评价
红外光学系统设计优化后在－45℃、+20℃、+55℃的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）如图 3所示。从图中可以看出，在－45℃、+20℃、+55℃温度下，均具有较高的传递函数，且相对于+20℃的MTF曲线，在－45℃和+55℃温度下的MTF曲线无明显变化，说明系统具有良好的温度适应性，满足温度要求。在截止频率35 cycle/mm处，各个视场的MTF值均在0.4以上，接近衍射极限，具备良好的成像质量，满足总体所提成像要求。
+20℃温度时，各视场的点列图如图 4所示，点列图中点的分布可以近似地代表像点的能量分布，利用这些点的密集程度能够衡量光学系统成像质量的好坏[7]。从图中可知，最大RMS（Root Mean Square）弥散斑直径小于探测器的像元尺寸15 μm，各视场范围内光斑尺寸基本一致，全视场内光斑分布均匀，表明此光学系统可以很好地聚焦成像。
2.1.2 公差分析
导引头红外系统处理器公差主要考虑技术指标以及加工能力，本红外系统选择在35 cycles/mm空间频率处，以允许下降量为准则制定光学系统误差，红外光学系统公差分析如图 5所示。
由图 5公差分析图可知，在截止频率处，均有超过90%的概率装调至MTF值大于0.38，满足设计要求。
2.2 可见光光学系统设计
可见光系统探测器选用像元尺寸6.8 μm，1280×1024类型的焦平面探测器，工作波段为480~680 nm。要求5 km高度观察幅宽435 m×350 m，可分辨40 cm；1 km高度观察幅宽87 m×67 m，可分辨10 cm；100 m高度观察幅宽4.5 m×3.4 m，可分辨5 cm。透镜材料选用k9玻璃，可见光光学系统如图 6所示。
2.2.1 可见光系统像质评价
可见光光学系统设计优化后，在－20℃、+20℃、+40℃的调制传递函数如图 7所示。从图可知，在+20℃、+40℃温度下，在截止频率70 cycle/mm处，MTF值均大于0.4，在－20℃温度下，截止频率略低，为0.2左右。综上所知，相对于高温，可见光系统对低温更敏感，但满足成像要求。
2.2.2 畸变曲线
图 8的畸变曲线表明，在全视场范围内畸变小于3%，满足总体所提的设计要求。
3. 结论
设计了一种满足技术要求的红外与可见光双模式导引头光学系统，分别对两个子系统分别进行温度适应性分析。红外模式采用被动光学无热化技术，具有良好的温度适应性。红外模式和可见光模式在工作温度范围内都满足成像要求。分光镜实现了分光效果，使整体结构更加小巧、紧凑，可为弹体保留更多空间。此外，该系统中所用材料均为常用材料，加工工艺成熟，便于装调，具有一定的参考价值。
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表 1 红外光学系统参数
Table 1 Parameters of IR system
FOV ≥3°×2.3° Focus length 90 mm F# ≤1.1 Entrance pupil diameter ≥83 mm 
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表 2 可见光光学系统参数
Table 2 Parameters of visible system
FOV ≥5°×4° Focus length 101 mm F# ≤5 Entrance pupil diameter ≥20 mm
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期刊类型引用(1)
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