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目前,复合导引头在光路结构上主要有两种形式:分离孔径式和共孔径式[8]。它们各自的优缺点如下:分离孔径式设计较容易,但体积较大且信息融合效率低[9];共孔径式相对简单,且信息融合效率较高,不过存在着探测器的遮挡问题,结构排布不易。为了实现导引头的小型化,需要在确保探测性能的基础上使系统结构尽量简化。鉴于此,文中系统采用共孔径式光学系统。
中、长波光路经过同一整流罩后进入内部,在分光镜处进行分光,中波红外经过两次反射,通过中波成像镜组单独形成一路成像,长波红外则直接透过分光镜,经固定镜组和变倍镜组形成一路成像,并通过变倍镜组切入切出来实现长波大小视场之间的变倍。其系统示意图如图3所示。
由系统工作原理可知:在保留中波并引入长波探测器后,将双波段红外信息进行光电转换,输出含有目标信息的电信号,红外成像组件将信号进行放大、滤波、帧处理及模数转换,输出红外数字图像信号,并送到后端进行图像融合,完成图像信号的选择决策、模板匹配、跟踪处理,输出目标偏差。而系统则实时发送切换指令,驱动变倍镜组切入切出来完成视场变倍。此外,利用双视场也可针对不同目标制定多种工作模式。
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中波探测器和长波探测器均采用15 μm,640×512焦平面制冷型探测器。使用CODE V软件对光学系统进行设计。依据材料特性,结合实际结构形式,光学系统窗口选用ZnS材料,在中长波段都具有较好的透过率,能够适应双波段制导方式的要求。透镜组红外材料选用的是ZnSe、Silicon和IRG204,分光镜采用Germ材料。
由光线入射方向的第1面曲率半径为R116.34 mm,第2面的曲率半径为R112.72 mm,中心厚度为7.5 mm,光学系统设计结果如图4所示。
长波红外采用一次成像形式,在光路中设计两片透镜切入/切出实现大/小视场切换,其中共用6个非球面,未使用衍射面;中波红外采用二次成像的形式,减小镜片口径,系统共使用3个非球面,未使用衍射面。其主要指标如表1所示。
表 1 光学系统指标
Table 1. Index of optical system
Index LWIR/wide field LWIR/narrow field MWIR Focal length/mm 21 53 20.92 Field of view 25.92°×20.80° 10.24°×8.27° 25.85°×20.80° -
如图5所示,对设计结果分析可知:长波大视场、长波小视场的中心及0.7视场MTF≥0.20,中波大视场的中心及0.7视场MTF≥0.5,系统具有较高传递函数,接近衍射极限,满足成像要求。
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对整个光学系统分析可知:设计完成的长波红外双视场光学系统长焦位置共采用了6片透镜,共12个工作表面,短焦位置共采用了8片透镜,共16个工作表面,分光镜透过率为88%。中波红外光学系统共采用了6片透镜,共12个工作表面,分光镜反射率为95%。保护窗口透过率为95%,探测器保护窗透过率为0.98,若长波红外光学系统各工作面镀制7.7~9.3 μm红外宽带增透膜,单个表面平均透过率为0.99,中波红外光学系统各工作面镀制3.7 ~4.8 μm红外宽带增透膜,单个表面平均透过率为0.99,材料吸收系数如表2所示。
表 2 光学材料吸收系数
Table 2. Absorption coefficient of optical materials
Materials Zns ZnSe Germ IRG204 Absorption
coefficient/cm–10.15@
10.6 μm4×10–4
@3.8 μm1.3×10–3
@3.8 μm2.9×10–2
@48 μm5×10–4
@10.6 μm2.3×10–2
@10.6 μm2.4×10-–2
@8.5 μm因而,红外光学系统(含整流罩)平均透过率可通过如下公式计算[10]:
$$\tau = {\tau _0}r_{}^m{r_s}\tau _1^k\prod\limits_{i = 1}^n {{{\rm{e}}^{ - {\alpha _i}\sum {{d_i}} }}} $$ 式中:
$\tau $ 为光学系统过率;${\tau _0}$ 为整流罩透过率;$m$ 为反射镜数目;$r$ 为反射镜的反射率;${r_s}$ 为分光镜的反射率;$n$ 为透镜材料种类数量;$\tau _1^{}$ 为透镜双面平均透过率;$k$ 为透镜数量;${\alpha _i}$ 为光学材料$i$ 的平均吸收系数;$\sum {{d_i}} $ 为光学材料$i$ 透镜总厚度。中波红外大视场:
$$\begin{split} {\rm{\tau }}=& {0.99}^{12}\times 0.95\times 0.95\times \left({\rm{e}}^{-0.15\times 0.55}\times {\rm{e}}^{-0.024\times 3.7}\right)\times\\& 0.98\times 100\%=0.66。\end{split} $$ 长波红外大视场:
$$\begin{split} {\rm{\tau }}=&{0.99}^{10}\times 0.95\times 0.88\times \left({\rm{e}}^{-0.0005\times 0.9}\times {\rm{e}}^{-0.024\times 2}\right)\times \\&0.98\times 100\%= 0.71。\end{split} $$ 长波红外小视场:
$$\begin{split} {\rm{\tau }}=&{0.99}^{6}\times 0.95\times 0.88\times \left({\rm{e}}^{-0.0005\times 0.5}\times {\rm{e}}^{-0.024\times 1.4}\right)\times \\&0.98\times 100\%= 0.75。 \end{split}$$
Optical design of infrared dual band/dual field of view seeker
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摘要: 现有对地捷联导引头多数采用红外单波段和单视场相结合的方式对目标进行匹配和截获,然而该种方式在日益复杂的战场环境下易受目标/背景特性复杂程度、探测器性能、视场大小限制等因素的影响。在保留了某型捷联导引头原有单一的中波红外大视场的基础上,加入了长波红外大小两个视场,提出了一种新型的红外双波段/双视场导引头。通过利用中长波双波段的图像融合和长波红外下的双视场切换,突出目标与背景特征信息差异,可以有效提高导弹对目标的截获概率。采用CODE V软件设计了光学系统。整个系统采用共孔径式光学设计,具有较好的成像质量,满足系统要求。Abstract: At present, most of the strapdown seekers use the combination of infrared single band and single field of view to match and intercept the target, but this method is susceptible to factors such as target/background characteristic, detector performance, field of view in increasingly complex battlefield environment. On the basis of retaining the original single medium wave infrared large field of view of a strapdown seeker, a new type of IR dual band/dual field of view seeker was proposed by adding two long wave large and small field of view. By using the image fusion of medium and long wave dual band and the switching of dual field of view under long wave infrared, the difference between target and background feature information was highlighted, which can effectively improve the interception probability of missile to target. The optical system was designed with CODE V software. The whole system adopted the common aperture optical design, which had good imaging quality and meets the system requirements.
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Key words:
- dual band/dual field of view /
- seeker /
- optical design
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表 1 光学系统指标
Table 1. Index of optical system
Index LWIR/wide field LWIR/narrow field MWIR Focal length/mm 21 53 20.92 Field of view 25.92°×20.80° 10.24°×8.27° 25.85°×20.80° 表 2 光学材料吸收系数
Table 2. Absorption coefficient of optical materials
Materials Zns ZnSe Germ IRG204 Absorption
coefficient/cm–10.15@
10.6 μm4×10–4
@3.8 μm1.3×10–3
@3.8 μm2.9×10–2
@48 μm5×10–4
@10.6 μm2.3×10–2
@10.6 μm2.4×10-–2
@8.5 μm -
[1] 范晋祥. 美国动能拦截弹红外成像导引头的发展分析[J]. 红外与激光工程, 2009, 38(1): 1−6. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.01.001 Fan Jinxiang. Development analysis of infrared imaging seekers of kinetic kill vehicles in America [J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(1): 1−6. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.01.001 [2] 孟冬冬, 张鸿博, 李明山,等. 定向红外对抗系统中的激光器技术[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105009. doi: 10.3788/IRLA201847.1105009 Meng Dongdong, Zhang Hongbo, Li Mingshan, et al. Laser technology for direct IR countermeasure system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(11): 1105009. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA201847.1105009 [3] 朱小红, 蔺素珍, 张商珉,等. 多波段红外图像的差异纹理特征选择[J]. 光电工程, 2016, 43(4): 66−72. doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2016.04.011 Zhu Xiaohong, Lin Suzhen, Zhang Shangmin, et al. Selection of difference texture features for multi-band infrared images [J]. Opto-Electronic Engineering, 2016, 43(4): 66−72. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2016.04.011 [4] 李英杰,张俊举, 常本康,等. 远距离多波段红外图像融合系统及配准方法[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(5): 0526002. Li Yingjie, Zhang Junju, Chang Benkang, et al. Remote multiband infrared image fusion system and registration method [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 0526002. (in Chinese) [5] 马文坡. 中波红外与长波红外推扫成像性能分析[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(12): 3861−3865. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.12.001 Ma Wenpo. Performance analysis on MWIR and LWIR pushbroom imaging [J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(12): 3861−3865. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.12.001 [6] 李运动, 孙树旺, 何磊. 红外系统变倍机构研究与分析[J]. 电光与控制, 2012, 19(5): 88−104. Li Yundong, Sun Shuwang, He Lei. Study on varifocal mechanism design for infrared system [J]. Electronics Optics & Control, 2012, 19(5): 88−104. (in Chinese) [7] 王海洋, 李力, 金宁,等. 大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(2): 398−402. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.023 Wang Haiyang, Li Li, Jin Ning, et al. Design of MWIR continuous zoom optical systems with large zoom range [J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(2): 398−402. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.023 [8] 赵超, 杨号. 红外制导的发展趋势及其关键技术[J]. 电光与控制, 2008, 15(5): 48−53. doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2008.05.013 Zhao Chao, Yang Hao. A survey on development trends and key technologies of infrared guidance systems [J]. Electronics Optics&Control, 2008, 15(5): 48−53. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2008.05.013 [9] 程志峰, 刘福贺, 荀显超. 双波段共口径成像系统光机设计与分析[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3366−3372. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.11.034 Cheng Zhifeng, Liu Fuhe, Xun Xianchao. Opto-mechanical design and analysis of dual band sharing aperture imaging system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(11): 3366−3372. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.11.034 [10] 李林. 现代光学设计方法[M]. 北京; 北京理工大学出版社, 2009. Li Lin. Modern Optical Design Method[M]. Beijing; Beijing Institute of Technology Press, 2009. (in Chinese)