第４２卷第２期 Ｖｏ１．４２ ＮＯ．２ 红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年２月 Ｆｅｂ．２０１３ 整流罩气动加热对红外成像 系统 像质的影响 关英姿 （哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘 要：导弹高速飞行时，整流罩的气动加热会导致整流罩具有较高的温度，并且承受较大的气动栽 荷。利用ＡＮＳＹＳ软件计算在５００℃高温和４个大气压气动载荷下热压硫化锌红外平板窗口和同心球 形整流罩的变形情况，并采用ＺＥＭＡＸ光学设计软件分析了变形对红外成像系统像质的影响。针对视 场角ｌ３。、焦距７０ ｍｍ、Ｆ数为ｌ的红外长波成像系统进行了气动加热影响下的像质分析，结果表明： 红外平板窗口的变形对成像系统所有视场的调制传递函数（１６ｌｐ／ｍｍ））Ｌ乎没有影响；同心球形整流罩 的变形导致成像系统的调制传递函数最大下降了２．５６％。 关键词：气动加热； 红外成像系统； 成像质量； 平板窗口； 球形整流罩 中图分类号：ＴＮ２１４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０ｌ３）０２—０２９０—０４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃａｌｅｆａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅ ｏｎ ＩＲ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｑｕａｌｉｔｙ Ｇｕａｎ Ｙｉｎｇｚｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｌｉｇｈｔ ｏｆ ａ ｍｉｓｓｉｌｅ，ｉｔｓ ｄｏｍｅ ｗａｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｏ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｏ ｌｏａｄ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃａｌｅｆａｃｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍ ｏｆ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｐｌａｎａｒ ｗｉｎｄｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｄｏｍｅ ｍａｄｅ ｏｆ ＺｎＳ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｅｒｅ ＡＮＳＹＳ－ｂａｓｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｔ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ５００￣Ｃ ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ４ ａｔｍ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍ ｏｎ ＩＲ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＺＥＭＡＸ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｓ ｔｏ ｔｈｅ ＩＲ ｌｏｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｆ １３。，ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ７０ ｍｍ，ａｎｄ Ｆ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ １，ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃａｌｅｆａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｍｏｎｓ￣ａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）（１６ ｌｐ／ｍｍ）ｉｎ ａｌｌ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｉｓ ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｄｅｆｏｒｍ ｏｆ ＩＲ ｐｌａｎａｒ ｗｉｎｄｏｗ． Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｄｅｆｏｒｍ ｏｆ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｄｏｍｅ ｃｏｕｌｄ ｃａｕｓｅ ＭＴＦ ｄｅｃｌｉｎｅｄ ｂｙ ｍａｘｉｍｕｍ ２．５６％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃａｌｅｆａｃｔｉｏｎ； ＩＲ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｉｍａｇｉｎｇ ｑｕ￣ｉｔｙ；ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｄｏｍｅ ｐｌａｎａｒ ｗｉｎｄｏｗ； 收稿日期：２０１２－０６—１２； 修订日期：２０１２－０７－１４ 作者简介：关英姿（１９６８一），女，教授，博士，主要从事空间光学、航天器动力学与控制方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｇｕａｎｙｚ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 红外与激光工程 第４２卷 图３ ２０℃、１个大气压时光学系统的点列图 Ｆｉｇ．３ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ２０￣Ｃ ａｎｄ ｌ ａｔｍ 图４ ５００℃、４个大气压差时光学系统的点 ０图 Ｆｉｇ．４ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ５００￣Ｃ ａｎｄ ４ ａｔｍ 由图中可见，５００ｏｃ高温和４个大气压导致光学 系统０视场处弥散斑ＲＭＳ点半径由３．１ｘｌ０ ｍ 增加到０．０１４ Ｉｘｍ，０．７视场处弥散斑ＲＭＳ点半径由 ５．４ ｘｌ０ Ｉｘｍ增加到０．０１３ ｍ，１视场处弥散斑 ＲＭＳ点半径由５．１ｘｌＯ ｐ，ｍ增加到０．０１７ ｐ，ｍ。 图５给出了２０℃、１个大气压下，采用４５。倾斜 平板窗口的整个光学系统的传递函数图。对该光学 系统在５００ｏＣ、４个大气压下的调制传递函数计算表 明，在空问分辨率小于等于１６ ｌｐ／ｍｍ的范围内各视 场的调制传递函数值的最大相对变化率仅为 ０．００６％，因此可认为调制传递函数基本没变。 图５ ２Ｏ℃、１个大气压时光学系统的调制传递函数图 Ｆｉｇ．５ ＭＴＦ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ２０℃ａｎｄ ｌ ａｒｍ ２同心球形整流罩 ２．１高温对整流罩光学结构参数的影响 高温对整流罩光学结构参数的影响应考虑以下因素： （１）高温会导致整流罩发生热膨胀，从而整流 罩前后表面的曲率半径变大，整流罩的厚度增加。 （２）整流罩材料的绝对折射率随温度的变化而 变化，仅考虑温度变化的一阶量的影响。 不同温度下整流罩的光学结构参数如表１所示。 表１不同温度下整流罩的光学结构参数 Ｔａｂ．１ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ２．２应力和变形计算 利用ＡＮＳＹＳ软件计算了整流罩在５００℃温度载 荷、４个大气压气动载荷作用下，且整流罩非自由膨 胀时，整流罩内部的应力分布，如图６所示，此种条 件下整流罩的变形如图７所示，计算时温度载荷和 压力载荷的施加方式与前面所述的平板窗口的相 同，均给出的是１５ ｓ后的结果。 图６整流罩在５００ｏｃ、４个大气压下的应力分布 Ｆｉｇ．６ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｍｅ ａｔ ５ｏｏ￣ｃ ａｎｄ ４ ａｒｍ 图７整流罩在５００℃、４个大气压下的变形图 ｉＦｇ．７ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｍｅ ａｔ ５ｏｏ￣ｃ ａｎｄ ４ ａｔｍ 第２期 关英姿：整流罩气动加热对红外成像系统像质的影响 ２９３ ２．３对成像质量的影响分析 文中基于以下两个条件利用ＺＥＭＡＸ光学设计 软件来分析光学系统成像质量： （１）物点位于无穷远处； （２）由于球形整流罩产生的像差通常由后面的 光学镜头来平衡，所以，整流罩后的光学镜头没有采 用理想透镜，而是设计了一个与整流罩能够平衡像 差的光学镜头，镜头的视场角为ｌ３。，焦距为７０ ｎｌｉｎ， Ｆ数为１，镜头的第一面为系统的孔径光阑。 图８示出了研究球形整流罩变形对整个红外成 像系统像质影响时所采用的光学系统结构图。表２ 给出了该红外成像系统在不同温度下典型视场在空 间分辨率为１６ ｌｐ／ｍｍ处的调制传递函数。 图８球形整流罩和光学镜头结构图 Ｆｉｇ．８ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｏｍｅ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｅｎｓ 表２不同温度下光学系统的调制传递函数 Ｔａｂ．２ ＭＴＦ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 由表中可见，当整流罩温度在６０－５００℃工作时， 整个光学系统０视场空问频率为１６ ｌｐ／ｍｍ处的 ＭＴＦ变化０．３６％，０．７视场空间频率为１６ ｌｐ／ｍｍ处 的子午方向ＭＴＦ下降１．６８％，弧矢方向ＭＴＦ变化 ０．２３％，ｌ视场空间频率为１６ ｌｐ／ｍｍ处的子午方向 ＭＴＦ下降２．５６％，弧矢方向ＭＴＦ下降１．７６％。 ３结论 文中针对超声速或高超声速导弹飞行时可能出 现的５００℃高温和４个大气压的气动载荷环境，研究 了此种工作环境下整流罩对光学系统成像质量的影 响。针对带有平板红外窗口和同心球形两种形状整 流罩进行了研究，考虑了高温下整流罩尺寸的自由 膨胀，整流罩材料折射率随温度的变化，在高温产生 的温度应力和压力应力下整流罩的变形等因素。利 用ＺＥＭＡＸ光学设计软件分析了上述变化对光学成 像系统成像质量的影响，得到如下结论： （１）对于带有平板红外窗口的整流罩，在５００ｏＣ 高温和４个大气压气动压力载荷的作用下，平板窗 口变成了曲率半径很大的内凹的球面窗口，并且平 板窗口倾角不同，平板窗口的变形量不同，倾角在 ３５。～４５。之间时，４５。倾角的平板变形最大。平板窗口 的变形对成像系统的弥散斑有影响，其导致的调制 传递函数的最大相对变化率仅为０．００６％，可认为对 成像系统的调制传递函数基本没有影响。 （２）对于同心球形整流罩，在５００ｏＣ高温和４个大 气压气动压力载荷作用下，整流罩的变形及其折射率 的变化导致其焦距、像差发生变化，从而引起整个光 学系统的调制传递函数发生变化，最大下降２．５６％。 参考文献： ［１］Ｈｅ Ｙｏｕｊｉｎ，Ｚｈａｎｇ Ｐｅｎｇ，Ｐｅｎｇ Ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．Ａｅｒｏｄｙ ｎａｍｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｏｍｅ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｉｒ ｔＯ ａｉｒ ｍｉｓｓｉｌｅｓ［Ｊ】．Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２９（７）：３７３— ３７６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［２］ Ｃｈｅｎ Ｌｉａｎｚｈｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｘｉａｎｇ，Ｆｅｉ Ｊｉｎｄｏｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｒｒａｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ＆Ｉｎｆｒａｒｅｄ，２００９，３９（１）：３６—３８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ１ ［３］Ｌｕ Ｘｉａｏｆｅｎ，Ｚｈａｎｇ Ｔｉｎａｘｕ，Ｈｏｎｇ Ｈａｎｙｕ．Ｉｍａｇｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｐｉｘｅｌ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ａｅｒｏ—ｏｐｔｉｃｓ ｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ】． Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３６（５）：７５８—７６１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［４】 Ｚｈａｏ Ｈｏｎｇｗｅｉ，Ｈｏｕ Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｚｈｕ Ｂｉｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｅｒｏｄ），ｎａｍｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｐｉｎｅｌ ｄｏｍｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，４１（２）：２９７－３０３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［５】 Ｃｌａｕｄｅ Ｋ Ａ．Ｗｉｎｄｏｗ ａｎｄ ｄｏｍｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＩＩＩ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，１９９２，１７６０：３３８－３５６． ［６］Ｔｒｏｐｆ Ｗ Ｊ，Ｔｈｏｍａｓ Ｍ Ｅ，Ｆｒａｚｅｒ Ｒ Ｋ．Ｗｉｎｄｏｗｓ ａｎｄ ｄｏｍｅｓ： ｐａｓｔ，ｐｒｅｓｅｎｔ，ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ［Ｃ］Ｉ／ＳＰＩＥ，２００３，５０７８：８Ｏ一８９． ［７】 Ｍｏｌｌａｒｔ Ｔ Ｐ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣＶＤ ｉｎｆｒｒａｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ｆｒｏｍ ｐｌｎａａｒ ｗｉｎｄｏｗｓ ｔｏｍｉｓｓｉｌｅ ｄｏｍｅｓ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，２００３，５０７８：１２７－１３６．
