机载光电瞄准系统红外灵敏度测试技术

张 洋

(江苏金陵机械制造总厂，南京 211100)

0 引言

机载光电瞄准系统采用红外波段进行热源目标探测和激光测距，是利用目标和背景之间的温差进行目标搜索、识别、跟踪和定位的光电探测系统。红外灵敏度作为考核机载光电瞄准系统目标作用距离的重要指标，其外场动态评估可通过载机在飞行状态下对特定作战目标(如飞行器、地面装甲、海面舰艇等红外热源)进行实测的方式来完成[1-2]。为了在内场条件下更直观、实时、高效地检测光电系统作用距离等战技指标和性能参数，本文设计了一套可控可测的红外辐照度模拟目标源及配套电气控制设备，用于光电系统红外灵敏度的定量测试。

1 红外灵敏度测试总体方案

1.1 测试系统设计原理

红外灵敏度测试系统主要包括黑体及温控系统、光阑、光学准直系统、红外衰减器、精密测温仪、固定及光学零位调节机构、稳压电源和主控计算机，测试系统设计原理如图1所示。

图1 机载光电瞄准系统红外灵敏度测试系统设计原理

在内场的条件下，将红外目标模拟器(如图2所示)固定挂装在光电系统整流罩外侧，控制环境温度为20 ℃±5 ℃，相对湿度为30%～80%，设置测试系统黑体温度、光阑孔径、衰减器遮挡片位置，以模拟远距离红外目标辐射投射入光电系统。待黑体温度稳定后，精密测温仪监测黑体真实温度、背景环境温度，并将温差值送至主控计算机，计算机系统根据温差变化值、光阑孔径直径、衰减器衰减系数控制目标模拟器投射标定的红外辐照度。红外辐照量在满足光电系统搜索状态下的目标探测灵敏度和跟踪状态下的目标跟踪灵敏度条件下，光电系统对模拟目标源进行截获跟踪，并保持红外光学瞄准线指向测试系统光学零位。

图2 红外目标模拟器结构示意图

1.2 黑体设计

1.2.1 黑体腔体发射率计算

按照经典发射率计算黑体腔体发射率为

(1)

式中：ε0为腔内壁材料的发射率；S为腔内壁面积(包括开孔面积)；ΔS为开口面积；ΔΩ为黑体开孔面积ΔS所对应的立体角。

黑体的腔型设计为圆柱和圆锥的结合体，圆柱腔长度40 mm，圆柱直径20 mm，圆锥角度50°，圆锥高度18.6 mm，圆锥开口直径10 mm。黑体腔内壁面积S为圆锥体侧面、圆柱体侧面和前圆环面之和，计算S为3 306.8 mm2，黑体腔开口面积ΔS为78.54 mm2，ΔS/S=23.75×10-3，黑体开孔面积ΔS所对应的立体角ΔΩ=ΔS/腔长2=2.29×10-2sr。

选择的铝制腔体在氧化发黑后的红外波段发射率ε0最低为0.78，计算得到黑体腔体发射率ε为0.997，超过了测试系统要求的发射率量值0.992，基本达到了常温黑体发射率接近于1且受其腔体材料特性影响较小的要求。

1.2.2 黑体加热功率设计

黑体热功率设计采用电加热条加热黑体腔方式，黑体绝热设计采用高档保温毡、绝缘保温布、保温胶合板等隔热措施，由于热绝缘、热屏蔽措施得当，黑体基本只能以光辐射形式从辐射出口向外散热，黑体在高温点向外辐射的光功率为

(2)

式中:ε为黑体腔体发射率，取值0.997；σ为5.67×10-12W/(cm2·K4)；TBB为黑体温度，取值(100+273) K；TAtm为环境温度，取值(20+273) K；Sφ为黑体辐射口面积，取值(3.14×1) cm2。将数值代入式(2)得到黑体在高温点向外辐射的光功率为PBB=0.213 W。

因此，黑体辐射口的热辐射可忽略不计，黑体尾部面积为3.14×13.42cm2，其散热量为38 W。

黑体升温速率快则容易超调，升温速度适中则容易实现温度稳定，首先估算升温速率需要的电加热功率为

(3)

式中：m为腔体质量(单位kg)；CAl为铝的比热，铝的比热容为0.88×103J/(kg·℃)；T2-T1为黑体温度从T1加热到T2的温差，单位为℃；Δt为黑体温度从T1加热到T2所用时间，单位为min。根据升温速率，计算黑体需要的电加热功率为

(4)

根据式(4)计算黑体加热功率，结果如表1所示。

表1 不同升温速率下黑体加热功率表

1.3 光学系统设计

按照光学结构设计要求，红外目标模拟器总长度不允许超过1500 mm，光学准直系统焦距不小于1500 mm，因此,红外准直光管不能采用透射式系统，只能采用结构紧凑的反射式光学系统。常用的光学反射式有离轴抛物系统和卡赛格林系统，而在同样焦距的光路下,卡赛格林系统具有总长度更短、无色差、容易装调等优点。本文采用卡赛格林式光学系统，使用Code-V软件设计光学结构(如图3所示)，其中,主镜口径164 mm，次镜口径65 mm，同时对系统的像差、弥散斑等进行严格控制，以减少像差对准直光路的影响。

图3 红外准直光管光学结构

1.4 光阑系统设计

1.4.1 光阑孔径测算

由普朗克黑体辐射定律计算黑体光谱辐出度[3]为

(5)

式中：Wb为黑体的光谱辐出度；λ为波长；T为黑体温度；h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常数；c为真空中的光速。

黑体使用面源黑体，且为朗伯黑体源，对红外波段λ1～λ2区域积分，得到黑体的辐射亮度[4-7]为

(6)

式中：Lb为黑体的辐射亮度；c1为第一辐射常数，即c1=2hc2；c2为第二辐射常数,即c2=hc/k。则红外目标模拟器辐射的红外辐照度为

(7)

式中：E为红外目标模拟器辐射到光电系统的红外辐照度；f为光管焦距;S′为黑体出瞳光阑面积。

在光管焦距为1500 mm，光学准直系统反射率为82%，3 m行程的大气透过率为97%，红外辐照度下限值为1.2×10-10W/cm2，红外辐照度上限值为4.0×10-10W/cm2，背景温度为20 ℃条件下，根据式(7)测算光阑直径，结果如表2所示[8]。

表2 光阑孔径与目标红外辐射特性对应关系表

1.4.2 模拟被探测/跟踪目标的光阑孔径尺寸

测试系统光阑盘装载6个圆孔光阑，光阑准确定位在红外准直光管焦面上。光阑作为黑体辐射口径，决定着红外目标模拟器输出的红外辐射功率，也直接影响光电系统接收到的红外辐照度量值。以目标迎头面积3.50 m×3.50 m，对角长度4.95 m，在5 km高空，距离5～100 km的不同探测、跟踪距离下，测算得到光阑直径如表3所示[9-10]。

表3 光阑孔径与模拟目标作用距离对应关系表

1.5 红外衰减系统设计

红外辐照度衰减器(如图4所示)采用步进电机带动螺杆转动，螺杆两段为正/反螺纹。螺杆正向旋转时，衰减器两扇遮光门向两侧分开，通光面积增大，衰减比减小；螺杆反向旋转时，衰减器两扇遮光门向中心汇合，通光面积减小，衰减比增大。衰减器的限位采用红外光电开关，以保证精度和可靠性。衰减器步进电机的最小转角为1.8°，螺杆的螺距为1 mm，从而使衰减器的张开宽度最小增量仅为0.01 mm，可保证衰减器的衰减精度要求。

图4 红外辐照度衰减器外形结构

红外衰减器的控制包括电动、手动两种方式，安装位置在红外目标模拟器的出光口，步进电机带动衰减器的遮挡片以一定步长遮挡光路，最终实现红外目标辐照度的衰减，衰减量值范围为69.39%～100%，衰减步长为0.2%。

2 实验结果及分析

选择不同光阑孔径移入光路，将黑体温度调节至100 ℃，红外衰减器处于完全打开状态(宽度96 mm)，利用精密测温仪实时监测背景及黑体温度，通过黑体温控仪精确控制红外热源和背景温差，使用红外辐照计实时测量到达光电系统光学窗口的红外辐照度，得出测试系统在不同光阑直径和不同黑体发射光谱范围内输出的红外辐射照度(如表4所示)。

表4 不同光阑(模拟作用距离)对应红外辐照度标定表

结合光电瞄准系统的光谱响应范围，通过增大或减小表4中测试系统光阑直径，使光电系统能够有效探测和稳定跟踪红外模拟目标源。保持选择的光阑孔径，逐渐增加红外衰减器的衰减比，直至光电系统刚好能够响应目标截获及搜索，此时,衰减器的调节位置和孔径光阑对应的红外辐照度即光电系统红外灵敏度的临界值，红外辐射照度即被测光电系统的红外灵敏度。

3 结论

本文设计的红外灵敏度测试系统可在内场环境下对多光谱光电瞄准系统的目标作用距离进行量化测试，可实时检验、考核光电系统的探测灵敏度、跟踪灵敏度等战绩指标。经测试验证，该系统能够有效模拟中远距离红外热源目标，系统光学结构稳定，电气控制信号不失真，工程应用效果良好，对红外搜索跟踪类光电探测系统的模拟目标源设计具有实际指导意义。