自发现红外辐射以来，这项技术在军事领域，尤其是制导武器中展现出巨大价值。然而，武器实物测试成本高昂且不可行，促使红外半实物仿真技术迅速发展。作为其核心，红外目标模拟器通过光学系统在实验室中精确模拟真实目标的红外辐射和运动特性，为武器系统评估提供了高效、经济的解决方案。本文将重点解析目标模拟器光学系统的组成、结构形式及关键设计案例。希望对大家有所帮助~
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一.红外技术发展与半实物仿真
1800年，英国天文学家赫谢尔在使用水银温度计研究太阳光谱的热效应时发现，热效应最显著的部分并不在可见光范围内，而在红光光谱的外侧，这就是所谓红外线。200多年以来，各国科学家在红外辐射方面做了大量的工作。
1900年，德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时，引入了能量子假设，建立了普朗克黑体辐射公式，给出了辐射能量密度随波长变化的曲线。该公式说明，只要物体的温度大于0开尔文，物体就会自发向外辐射光子。根据基尔霍夫定律，对于热平衡状态的物体，所辐射的能量与吸收率之比与物体本身无关,只与波长和温度有关。
对于不同的物体，由于温度与发射率之间存在差异，所以表现出的辐射性质也不尽相同，这意味着在红外波段，可以对目标进行探测和识别。
由于红外探测技术在军事应用上具有得天独厚的优势，红外技术的发展受到各国高度重视。该技术用于制导武器最早是由空空导弹开始的。随着1956年“响尾蛇”空空导弹研制的成功，红外制导导弹便成了最重要的红外军事应用之一，导引头是其核心部件之一，其主要作用是进行目标的捜索、探测、识别和跟踪。
红外模拟仿真技术是基于上述实际需求所发展出来的，由于评估武器的实际作战能力，需要对性能进行定量的分析，但很多武器装备研制成本高，且不可回收，进行实物仿真成本过高，且实际效果难以预测，不具备可操作性，因此，红外半实物仿真技术应运而生。
红外目标模拟器的功能是将红外目标通过光学系统投射到待测系统探测器光敏面上，以仿真真实环境中的目标和背景红外场景，为红外成像武器系统半实物仿真试验提供红外图像源，并反映目标、背景、导引头和飞行平台的运动特征、几何特征等。其中光学系统又分为物镜、准直系统，有的还包含干扰光路准直系统和目标/干扰光路耦合系统等几部分，它们被安装在五轴转台或六自由度运动系统上，以模拟目标的运动特性。
光学投影系统作为红外目标模拟器的核心部分，对于不同的应用场景，有不同的技术指标要求，其性能参数会对整个仿真平台的性能产生直接影响。
图1 美国AMRDEC研制的目标模拟器
二.目标模拟器光学系统的组成
红外目标模拟器主要由红外光学系统、红外景象生成器、计算机控制系统及驱动电路等共同组成。其中红外光学系统又包括目标光路投影物镜、准直系统，有干扰的红外目标模拟器还包含干扰光路投影物镜、目标/干扰光路耦合系统等部分。红外热像仪与红外目标模拟器共同安装在五轴转台或其他运动模拟系统上，其组成如图2所示。
图2 红外半实物仿真示意图
红外目标模拟器的功能是通过计算机及驱动电路控制景象生成器产生动态的红外目标，模拟真实目标及背景的红外辐射特性；通过安装在五轴转台上，由五轴转台的运动改变目标在导引头中的位置，模拟红外目标的运动特性，这二者结合即可完成对真实目标的动态模拟。对于目标模拟器的各个部分，功能如下：
（1）景象生成器（一般是红外热电阻阵列或DMD器件，本课题中采用电阻阵列）由计算机控制，产生动态的目标或背景辐射，生成原始目标和背景，为后续传输提供目标源
（2）投影物镜的作用是使景象生成器产生的红外目标或干扰目标成像在无穷远，以模拟无穷远处的目标。
（3）准直系统为望远系统（一般为开普勒式），其主要作用是完成投影物镜与测试用导引头红外热像仪之间的光瞳匹配；另一方面，由于望远系统与物镜组合时，系统总焦距满足
其中f为系统总焦距，Γ为望远系统放大率，fo为物镜焦距。在投影物镜前使用准直望远镜，可以压缩物镜焦距，以便满足技术指标要求，但缺点是会使镜片数增加。
如果在投影物镜前使用准直系统，红外目标模拟器的结构将更为复杂，这将使能量传输效率下降，同时增加成本。若红外目标直接通过投影物镜准直，投影系统出瞳与红外热像仪入瞳耦合，系统结构如图3所示：
图3 无扩束系统方案示意图
通常目标模拟器系统具有长出瞳距，且需要实现多光路耦合，上述结构中只具有一次像面，难以对系统的冷反射等杂散光进行控制，最终会影响探测灵敏度，所以需要通过在投影物镜前增加准直系统，采用二次成像结构，并通过光学设计和结构设计对杂光进行抑制。扩束系统与投影物镜组合的结构示意如图4：
图4 有扩束系统的方案示意图
图5 准直系统结构
投影物镜与准直系统的设计方法相同，需要注意的是，物镜的外部参数需要与准直系统相匹配，同时需遵守光瞳衔接原则，最终要满足使用要求。
由放大倍率关系，确定视场角为±12°，要求后工作距大于70mm，采用负透镜在前，正透镜在后的三片式结构，为了提高像质，使其中一个光学表面为非球面；同时考虑远心（大家可以思考，对于红外目标模拟器，像方远心有哪些好处？），通过操作数EXPP和OPGT控制出瞳距大于8000mm。优化过程中主要考虑对准直系统的补偿，设计结果如图6所示：
将上述准直系统与物镜按照光瞳匹配原则进行组合，之后再对系统进行调整。由于准直系统畸变较大，主要对准直系统再进行优化，优化时通过操作数控制系统焦距、相对畸变和出瞳距，最终设计结果如下：
将每个光学表面在Coating选项中设置镀有透过率99％的膜系，计算得系统总透过率最低为±4°视场时的73.05％，对于5.2μm波长，透过率最低为69.72％，点列图及畸变曲线如下：
本文系统介绍了红外目标模拟器光学系统的设计与应用。核心在于利用光学投影技术在实验室环境中高保真地模拟真实红外目标及背景。通过分析对比有无扩束系统的结构形式。设计案例展示了如何通过合理的模块化设计、光瞳匹配优化以及非球面应用等手段，实现满足技术指标的光学系统。红外目标模拟器光学设计是半实物仿真的关键支撑，其性能直接影响整个仿真试验的有效性。
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