Optical design of infrared dual band/dual field of view seeker

现代作战环境下，随着目标/背景复杂程度的增加、红外诱饵的强干扰以及激光定向干扰武器的出现，传统对地捷联导引头采用红外单波段与单视场对目标进行匹配和截获方式的局限性日益突出。在日益复杂的战场环境下，红外单波段无法获取更加丰富的目标特征信息，而单视场则无法适应目标远近距离下的有效探测和精确跟踪^[1]。

以某捷联导引头为例，采用中波波段，瞬时视场为25°×20°的大视场，作用距离为5 km。在早晨、傍晚时，地面目标和背景中波辐射温差较小，不利于对目标的匹配截获，而此时长波则可以有效地保留景物之间的辐射对比度差异，细节更为丰富。对于海面/水面目标，海/水杂波在中波波段比长波的辐射更强，采用单一中波会导致目标的信噪比明显下降，不利于进行目标匹配和截获。因此，考虑配合长波特性，利用目标在中波、长波双波段下的特征信息差异，通过基准图与实时图像模板匹配的方式，采用双波段决策级融合算法，完成对目标的综合确认与识别定位。

在此基础上，笔者所在团队在保留了该型导引头原有25°×20°中波大视场的同时，引入了长波25°×20°和10°×8°大小两个视场，通过设计红外大小双视场，可以丰富导弹作战模式。例如在目标搜索和跟踪过程中提前使用小视场，可以将部分固定目标的作用距离提升至7 km左右。此外，引入红外大小双视场后，远距离使用大视场，利用融合后的图像获取地面场景分布及疑似目标区域或目标位置信息，待近距后切换小视场，提高成像分辨率，实现对目标的精确识别确认及可靠跟踪，可以有效提高导弹精确打击的能力。

首先，双波段的选择要从系统总体角度综合考虑，既要保证两个不同波段下目标与背景有足够的光谱差异性和干扰性，有利于目标与背景和干扰的鉴别，又要考虑系统的综合探测能力和可实现性。通常来说，需要考虑以下因素：

(1) 在所选的波段内大气透过率较高；

(2) 探测器在所选波段内探测灵敏度较高；

(3) 目标与背景特征差异大，稳定性好。

红外制导方式正向多波段复合制导、多模制导、多传感器信息融合方向发展，其中双色复合的方式有短中复合、中长复合、中中复合等方式^[2]。根据多波段红外图像目标特征差异^[3]可知：

(1) 短中复合

目标与背景干扰在这两个波段差异最大，且在每个单波段，目标与干扰的特征差异也是最大的，从这点考虑，对抗干扰最为有利。

缺点是由于地面目标在短波的辐射较弱，我们只能依靠中波探测目标^[4]，且太阳与地物反射干扰在短波较为严重，增加了抗干扰算法的复杂性。

(2) 中长复合

当目标/背景温差较低时， 景物间的辐射对比度相差较小，长波能有效体现出对比度差异，可以保留的细节比较多。当目标/背景温差较高时，中波段目标与背景的辐射对比度较大，目标要比长波段明显。此外，在高湿度地区中波更为有利，而长波在穿透烟雾上的能力更强。可见中长波的组合使导引头在天气的适应性上能够相互补充^[5]。

缺点是长波探测器的制作较困难，成本更高。

(3) 中中复合

双视场下双中波设计的光学材料选择和系统设计上较为容易，但目标与干扰的差异相对较小。

通过以上分析，为了实现对地面目标，并兼顾对海面目标的搜索跟踪，选择采用长波和中波双波段复合工作模式。通过双波段信息互补，能够有效剔除目标的伪装信息和红外诱饵干扰，使目标更容易被探测和识别。

目前双视场成像光学系统实现变倍的方式主要有轴向运动变倍和切换式变倍两种方式^[6]。

轴向运动变倍形式如图1所示，在物像共轭点之间通过镜组轴向移动来实现变倍，通常使用电机带动变倍组和补偿组轴向运动，并采用合理的凸轮曲线设计，实现一个电机带动镜组运动。该种变倍方式需要的光学系统轴向空间较大，不利于光学系统小型化，且变倍组运动速度相对较慢^[7]，变倍时间较长，因此不适用该种方式。

Figure 1.  Axial motion zoom

切换式变倍如图2所示，该种方式无需为光学元件预留较大移动空间，光学元件切换到系统垂轴方向，仅需保证元件的复位精度和变倍前后的光轴一致性，利于小型化，同时配合适当的驱动方式能够实现系统大小视场的高速切换。

Figure 2.  Switch-type zoom

通过对比分析，为实现大小视场的高速切换，光学设计采用径向切换式变倍方式，提升整体空间利用率，同时减小载荷整体的体积。

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。

Figure 3.  Schematic diagram of optical structure

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。

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。

Figure 4.  IR optical system

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。

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。

Figure 5.  MTF curves of IR optical system

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。

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]：

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：

长波红外大视场：

长波红外小视场：

分析总结了现有对地捷联导引头在复杂战场环境下采用单波段单视场方式对目标进行匹配和截获时存在的若干问题。通过对几种不同波段组合进行对比分析，在某型捷联导引头基础上保留了原有中波红外大视场，并引入长波红外大、小两个视场，阐述了一种新型的红外双波段/双视场导引头设计方案，给出了红外光学成像系统实现方法。通过计算可知，所设计的光学系统在双波段/双视场下均具有良好的传递函数和光学透过率，成像质量良好，光学系统结构紧凑，实现了导引头的小型化设计，能够有效满足系统要求。

此外，在该设计中所需的材料和加工工艺在目前的条件下均可实现，证明了该红外双波段/双视场导引头设计方案是可行的，也对于未来捷联导引头的设计具有一定的参考价值。