圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测

近年来 随着精确制导武器在军事打击行动中的广泛应用 .利用 目标和景物的热辐射成像进行 目标识别与跟踪 ，并引导导弹准确攻击 目标 的集光 、机 、电与信 息处理于-体 的红外 探测制导技 术发展迅速 ，并且由于其具有全天侯 ，对气象条件要求低 ，穿透烟 、雾 、霾能力强等特点 ，在精确制导领域 占据着越来越重要的位置l 。圆锥扫描红外光学系统 ，是红外探测制导技术中- 种常用的技术方案 ，目前主要应用于战术导弹导引头和机载红外搜索跟统中 。

其高精度的导引信号是战术导弹导引头制导精度的重要保证。但是由于红外光学 系统与传统的可见光系统不 同。传统的像质检测设备无法用于红外光学系统的像质检测 ，此外 由于圆锥扫描红外导引头体积孝结构紧凑 ，其成像焦面通常位于机械定位端面的内部 ，大大增加 了圆锥扫描红外导引头光学系统的装调和检测难度[7-9]。因此研究-种用于圆锥扫描红外光学系统的参数检测方法 ，来提高圆锥扫描红外光学系统的装调精度，对保证红外导引头的制导精度是十分重要的。

文 中所研究 的参数检测系统 ，主要用于检测 圆锥扫描 红外光学 系统的最佳像 面位置 (精度 要求为±0.02 ITln)，弥散斑大小(精度要求为±0.01 n'lT1)以及扫描圆直径(精度要求 为±0.02 mm)这 3个关键参数 .可以直观的反映圆锥扫描红外导引头 的成像质量 .其结果对于圆锥扫描红外光学系统 的装调 、杂散光分析 与抑 制 、系统的优化设计 等 ，都 具有重要的现实意义。

1 系统组成与工作原理圆锥扫描红外导引头的光学参数检测系统主要由中波红外平行光管、待测 圆锥扫描红外光学系统、装夹与移动装置 、红外显微系统 、中波制冷红外探测器组件 、精密 电动平移 台、光栅 尺、信号处理 与工控系统，以及图像处理与显示系统等组成 。其工作原理框图如图 l所示。

中波红外平行光管发出的平行光束经过待测 的圆锥扫描红外光学系统 ，在其最佳像面上形成无穷远星孔像的弥散斑 。当圆锥扫描红外导引头转动时 ，图 1 系 统 测 量 原 理 框 图Fig.1 Schematic diagram of the measurement system由于其次反射镜与 自身光轴有-定夹角和偏 心 ，导致星孔像的轨迹在其像面上形成-个扫描圆。经过红外显微系统二次成像 ，将星孔像放大到中波制冷红外探测器的焦平面上 。待测的圆锥扫描红外光学系统固定在装夹与移动装置上 ，控制精密电动平移台带动它前后移动 ，即调节 圆锥扫描红外光学系统与红外显微系统之间的相对距离。光栅尺实时测量圆锥扫描红外光学系统的位置信息 ，该位置信号经过信号处理与工控系统最后传到图像处理与显示系统 .与红外探测器的图像信号-起通过能量梯度算法来实现最佳像面的 自动对焦。最后通过图像处理系统将扫描圆信息进行处理和计算 ，实现对弥散斑大型扫描圆直径的检测，如图 2所示。

图 2系统 买 物图Fig.2 Real product photo2 中波红外平行光管中波红外平 行光管采用 离轴全反射 式 .具有无色差 、无 中心遮拦 、结 构紧凑等优点 。有效 口径100 mm」距 720 ITlIn，主要包括光源 、星孔 、离轴抛物面主镜和平面反射次镜。光源采用溴钨灯 ，以柯勒形式照明星孔 ，并在光源和星孔之间安置 3～5 m 的带通滤光片。

中波红外平行光管主要用于模拟无穷远 目标 ，测试时若其光轴与待测的圆锥扫描红外光学系统的第 7期 贺 文俊等 ：圆锥 扫 描 中波 红 外 光 学 系统 的参 数 检 测 1786片上镀金属膜后上刻蚀而成的 ，具有很高的反射率 。

从 中波红外平行光管 射的光束经过圆锥扫描红外光学 系统 内光学零件表面的反射后 回到星孔表面 。

再反射进入圆锥扫描红外光学系统和红外显微 系统中，形成 比较强的杂散光 ，从而使星孑L像不清晰且边缘不锐利 ，严重影响了自动对焦和图像判读。

为了解决该问题 。通过紧贴星孔外表面安装-个 同心的云母片来吸收返 回星孔基片表面的光束 ，从而抑制了由星孔基片表面反射 回测试系统 的杂散光 ，仿真效果如 图 7所示 ，实测效果如图 8所示 。

：：： ；， 费 ：：：：：；：：：：：： . . ：：： ：、图 7加云母片后仿真效果图Fig.7 Simulation effect diagram with mica plate图 8加 五 母片 后实 际效 果 图Fig.8 Actual result with mica plate由图 8中可见。星孔像的弥散斑 明显变得清晰 ，且边缘锐利.其形状并不是很规则的圆主要 由被测的圆锥扫描红外光学系统 自身的制造和装调误差产生。

而红外探测器焦平面的4个角依然有较强的杂散光 ，这种现象主要是由于待测的圆锥扫描红外光学系统 中的校正镜镀膜透过率不够高 .反射 的光束经过其光学系统内部偶次反射后 ▲入红外显微系统 ，从而在红外探测器焦平面上产生 了这种具有规则形状分布的杂散光。因为它是由待测的圆锥扫描红外光学系统产生的，在测试 中无法去消除。但是它始终存在于探测器的 4个角，可 以在图像处理 的时候通过软件程序算法来剔除其影响。为了能够真实反映待测 圆锥扫描红外光学系统的成像特性 ，只在软件程序 内部进行了图像处理运算 ，并不反馈到监控界面上来 ，这样做的另-个好处就是能够减衅算机的运算量 ，加快圆锥扫描红外光学系统的参数检测效率。

4 精度测试在系统联调时发现 ，自动对焦过程中精密电动平移台工作时驱动 电路产生的电信号会对图像信号的传输造成干扰 ，使图像采集后出现很多随机噪声 ，影响像斑的判读和图像处理 ，导致 圆锥扫描红外光学系统最佳像面的测量误差偏大。为了提高测量精度 ，在硬件上采用了高质量的同轴电缆 ，并采用磁环来增加驱动电机 、光栅尺 、工控机以及图像处理与之间的电磁隔离度 ：在软件上采用高斯滤波算法来去除高频噪声 ，并且对 l0次 自动对焦结果做最小二乘法处理来减小随机噪声的影响 .从而减小 自动对焦的不确定度 ，提高系统的测量精度。

在圆锥扫描 中波红外光学系统的参数检测系统的精度测试过程 中，分别测试 了 3个不同的待测 的圆锥扫描红外光学系统样品，其参数测试结果分别见表 l、表2和表 3。

表 l样品-的光学参数测试结果Tab.1 Optical parameters testing results ofNo.1 product1787 红 外与激光工程 第 42卷表 2样品二的光学参数测试结果Tab.2 Optical parameters testing results ofNo.2 product表 3样品三的光学参数测试结果Tab.3 Optical parameters testing results ofNo.3 product由参数测试结果来看 .圆锥扫描红外光学系统参数检测 系统满足各项精度指标要求。需要说明的是 。检测过程中，圆锥扫描红外光学系统 自身的装调精度会影 响到参数测试的成败。如果圆锥扫描红外光学系统装调误差较大 ，比如次镜的倾斜量过大，则会导致扫描圆过大而超 出红外显微镜 的视场 ，使扫描圆直径的测量失败。

5 结 论圆锥 扫描红外光学系统 的参数检测 系统需要定期计量标校 。因为红外 光源亮度 的改变会影 响弥散斑在像面上的大小 ；而精密 电动平移 台相 对红外显微系统的位置移动会 影响光栅尺 的零位 标定 。使最佳像 面位置的测量基准发生变化 。每半年或者 当测试系统被移动后 ，则需要重新标定 光栅尺 的零位 ，并定期计量红外光源 的亮度 。

外部热辐射 源经过红外光学系统 的偶 次反射后形成 的杂散光 .或者 系统 自身 的热辐射 ，对红外光学 系统 的像质往往会产生较 大的影响 ，所 以杂散光 的分析 与抑制对 于红外 光学 系统尤为重 要 。

本文对 圆锥扫描 中波红外光学 系统的参数检测原理 和系统的装调方 法做 了详细的论述 ，针对 工程中的实际问题 ，展开 了讨论并 给出了解决的方案 ，最后 经行 了精度测试 ，测试结果 表 明所研制 的圆锥扫 描中波红外光 学系统参数 检测系统满足各项精 度指标要求 。