吳李鵬，郭 羽，王學(xué)新，劉瑞星，杜 萌，王 浩

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

一種便攜式外場用MRTD測試儀的研制

吳李鵬，郭 羽，王學(xué)新，劉瑞星，杜 萌，王 浩

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，國防科技工業(yè)光學(xué)一級計(jì)量站，陜西 西安 710065）

目前熱像儀MRTD測試主要在室內(nèi)，為了滿足外場熱像儀MRTD測試的需求，研制了一種便攜式MRTD測試儀。文章主要闡述了儀器的研制原理、光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及黑體組件等的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。目前，該儀器已經(jīng)用于外場環(huán)境的熱像儀MRTD測試，結(jié)果準(zhǔn)確。

紅外測試；MRTD測試儀；便攜式

0 引言

熱像儀是一種利用熱成像技術(shù)，將物體溫度分布圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像的儀器，因其具有隱蔽性、探測能力強(qiáng)、探測距離遠(yuǎn)、全天候監(jiān)控等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。熱像儀出廠前必須進(jìn)行嚴(yán)格的測試，在熱像儀的多項(xiàng)測試指標(biāo)中，最小可分辨溫差（minimum resolvable temperature difference，MRTD）既反映了系統(tǒng)的溫度靈敏度，又反映了系統(tǒng)的空間分辨率，因此成為綜合評價(jià)紅外成像系統(tǒng)性能的最主要參數(shù)。

目前在國內(nèi)，對熱像儀MRTD的測試主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。然而在野外環(huán)境中，對于承受振動(dòng)、沖擊后的熱像儀經(jīng)常需要對其性能進(jìn)行快速檢測；另外，對于光電吊艙、車載和艦載等光電系統(tǒng)中嵌入式安裝的熱像儀也經(jīng)常需要檢測，但它們不便于拆卸和安裝。實(shí)驗(yàn)室里的測試裝置體積龐大且不適應(yīng)外場的環(huán)境，所以急需一種便攜式外場使用的MRTD測試儀[1-3]。

1 工作原理

MRTD測試儀是一種無窮遠(yuǎn)溫差目標(biāo)模擬器，主要由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、黑體和電控靶標(biāo)等組成。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的作用是提供無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)，主要有透射式、反射式兩種。透射式系統(tǒng)雖易于實(shí)現(xiàn)變焦，從而改變空間頻率，但裝調(diào)不方便。而采用離軸拋物鏡的反射式系統(tǒng)具有中心無遮攔、不存在任何色差的優(yōu)點(diǎn)，可用于寬光譜成像；通光口徑可以很大，易于解決由材料引起的應(yīng)力問題等優(yōu)點(diǎn)。反射式系統(tǒng)雖然輕便性稍有降低，但能夠保證光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的核心指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性好。因此，我們選擇離軸拋物鏡反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)[4-5]。

采用反射式準(zhǔn)直系統(tǒng)的MRTD測試儀原理如圖1所示，面源黑體溫度與環(huán)境溫度產(chǎn)生的溫差輻射從四桿靶的鏤空部分射出，分別經(jīng)過反射鏡折光和拋物鏡準(zhǔn)直后，出射為平行光束。平行光束從紅外窗口射出進(jìn)入熱像儀，人眼通過能否識別熱像儀輸出的四桿靶圖像，從而完成一次MRTD的測試。面源黑體的溫度控制和靶標(biāo)選取均由嵌入式計(jì)算機(jī)控制。

1 Off axis parabolic mirror；2 Infrared window；3 Secondary mirror；4 Four bar target；5 Electric switching target wheel；6 Blackbody；7 Thermal imager to be tested

2 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了滿足某熱像儀（焦距100mm，通光孔徑40mm）的野外測試要求，依據(jù)上述原理，我們研制了一臺便攜式MRTD測試儀，波長范圍：3～5mm，通光口徑：70mm，準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距：400mm，使用環(huán)境：－10℃～50℃。

2.1 光學(xué)系統(tǒng)

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE V對整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，生成不同視場點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer funtion, MTF）曲線圖分別如圖2和圖3所示，從圖上分別可以看出：系統(tǒng)軸上像差為零，軸外視場的彌散圓直徑均方根（root mean square，RMS）值達(dá)到7.5mm；光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)在截止頻率18lp/mm處達(dá)到0.42，大于靶標(biāo)尺寸對應(yīng)的空間頻率。由點(diǎn)列圖和MTF曲線分析結(jié)果可知，理論上該光學(xué)系統(tǒng)接近衍射極限，成像質(zhì)量良好能滿足使用要求。

2.2 拋物鏡和反射鏡

一般常用于反射鏡制造的玻璃有：冕牌玻璃、低膨脹硼硅酸鹽玻璃、熔融石英和微晶玻璃。為了測試儀滿足溫度變化大的外場環(huán)境，選用了ULE玻璃（Ultra Low Expansion 微晶玻璃，熱膨脹系數(shù)僅為0.03×10－6/K）作為離軸拋物鏡和次鏡的材料。雖然這樣的光學(xué)元件本身對溫度變化不敏感，但是光學(xué)元件是通過光機(jī)結(jié)構(gòu)的承載而實(shí)現(xiàn)的，光機(jī)結(jié)構(gòu)因溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮，影響光學(xué)系統(tǒng)的鏡間距，即因結(jié)構(gòu)熱變形導(dǎo)致的光學(xué)元件剛體位移。光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的改變，使得系統(tǒng)焦面位置與傳函發(fā)生變化。因此，離軸拋物鏡框的材料選擇超因瓦合金4J32，盡量減少溫度變化對系統(tǒng)的影響。對于離軸拋物鏡的面形精度要求PV≤/4（＝632.8nm）。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)不同視場點(diǎn)列圖

圖3 光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

該測試儀的光譜范圍取決于反射鏡的膜層和紅外窗口的透過光譜波段。依據(jù)表1的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們選擇了離軸拋物鏡和反射次鏡表面均鍍銀膜，既可工作于3～5mm，也可以用于8～15mm，系統(tǒng)平均反射率可以達(dá)到0.93。

3 結(jié)構(gòu)及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為了滿足體積小、重量輕、便于維修等要求，采用模塊化設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)了一個(gè)鑄造主殼體如圖4所示，其余拋物鏡組、黑體組等設(shè)計(jì)為各自獨(dú)立的組件，可以方便地從主殼體上安裝和拆卸，便于維修和檢測。

表1 離軸拋物鏡（主鏡）和反射鏡（次鏡）鍍不同膜層的系統(tǒng)反射率

圖4 主殼體鑄造三維圖

為了減輕重量、縮短周期，主殼體采用鋁合金熔模鑄造。熔模鑄造一般采用3D打印石蠟?zāi)?，然后利用石蠟?zāi)Ｗ龀鲂颓?，加熱后石蠟融化從而制造出型腔，然后向型腔澆鑄完成鑄造。具有周期短、精度高等優(yōu)點(diǎn)。為了盡量消除雜散光的影響，如圖5所示在主殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)三處消雜光光闌，光闌上雙面噴涂極低反射率的無光黑色涂層；殼體內(nèi)部噴砂后黑色陽極氧化，消除雜散光影響。主殼體鑄造完成后必須按相關(guān)要求進(jìn)行浸潤處理和熒光檢測，其精密加工前必須進(jìn)行人工時(shí)效處理。

1 Off axis parabolic mirros: 2 Stray aperture;3 Focal plane; 4 Mirror

離軸拋物鏡的固定，對于必須承受高低溫、沖擊振動(dòng)的光學(xué)鏡組，采用室溫RTV（room temperature vulcanized）膠將反射鏡與鏡框進(jìn)行粘接是一種行之有效的方法。首先將反射鏡的中心與鏡框的中心調(diào)節(jié)重合，再將黑色硅橡膠從徑向均布的孔擠進(jìn)鏡框與鏡子的徑向間隙，待硅橡膠完全固化后完成裝配。反射鏡與鏡框之間的膠層要足夠厚，以承受膨脹系數(shù)之差。采用上述方法將離軸拋物鏡與鏡框固定，將離軸拋物鏡在固定前、后分別利用焦距1600mm平行光管、分辨率靶標(biāo)組和4×顯微目鏡組合測試其光學(xué)分辨率，其光學(xué)分辨率幾乎無變化，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)械接口設(shè)計(jì)，采用三維設(shè)計(jì)軟件NX對每一個(gè)零件精確建模并賦予密度后，將零件裝配為裝配體后，用NX計(jì)算出重心位置；然后將螺紋接口的位置設(shè)計(jì)在儀器的重心。本儀器外場測試時(shí)采用三腳架支撐，所以在儀器底部重心位置設(shè)計(jì)1/42-20UNC螺紋接口，用于安裝三腳架快裝板底板，以便將其方便地固定到三腳架上。

為了防止潮濕的空氣和灰塵進(jìn)入，外場用光學(xué)儀器必須具有良好的密封。如果潮濕的空氣進(jìn)入到產(chǎn)品中，遇到較高溫度時(shí)空氣中的霉菌孢子就會在玻璃表面迅速地生長，從而導(dǎo)致光學(xué)玻璃生霉生霧而影響產(chǎn)品的正常使用。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，在該測試儀上使用橡膠繩和O型密封圈對整個(gè)光學(xué)艙進(jìn)行整體密封。還給光學(xué)艙內(nèi)部充入干燥氮?dú)?。從而保證了水汽和塵埃都無法進(jìn)入光學(xué)艙內(nèi)部，既延長了測試儀的使用壽命，也使其適用于極端惡劣的環(huán)境。在測試儀上設(shè)置了充氣閥和放氣閥，充、放氣閥的接口螺紋采用錐管螺紋，因錐管螺紋自身具有密封性，在不使用填料而依靠螺紋牙變形就可以保證連接的密封性[6-7]。

4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 黑體

半導(dǎo)體制冷器（thermo electric cooler，TEC）是一種通過直流電制冷或加熱的元件，其具有控溫精密、制冷快速、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕等特點(diǎn)[8]。本黑體擬采用TEC進(jìn)行溫度控制，TEC工作表面溫度不均勻，所以需將紫銅加工的輻射板緊貼在TEC工作表面，從而得到一個(gè)表面溫度均勻的輻射面。當(dāng)TEC用于制冷的時(shí)候，其背面會散發(fā)出大熱量，一般需在其背面安裝散熱器。因?yàn)樯崃看螅枰黾语L(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)散熱。TEC和輻射體周圍用一個(gè)聚四氟乙烯殼體進(jìn)行包裹并保溫。將Pt100頭部涂抹導(dǎo)熱硅脂插入到輻射體上的測溫孔，可以準(zhǔn)確測量其溫度，從而反饋給精密溫度控制系統(tǒng)，黑體工作原理如圖6所示。

1 Pt100；2 Teflon shell；3 Radiating body；4 TEC；5 Radiator；6 AC fan

輻射體要求輻射面的溫度梯度小，所以要求加工輻射體的材料導(dǎo)熱系數(shù)高；同時(shí)對輻射體還要求其能快速升、降溫，因此要求其具有較小的比熱容；對比了常用金屬的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，綜合考慮，選擇了紫銅加工輻射體。輻射體上設(shè)置測溫鉑電阻安裝孔，測溫鉑電阻將溫度反饋給溫度控制系統(tǒng)；輻射體后表面為了達(dá)到良好的熱傳導(dǎo)，安裝TEC的散熱器零件表面平面度要優(yōu)于0.03mm，且在其前后接觸面之間涂抹優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱硅脂。經(jīng)過計(jì)算，選擇了尺寸規(guī)格為40mm×40mm×7mm的TEC，具體參數(shù)如下：工作電壓為12V，電流為3A。研制的黑體參數(shù)如表2所示。

表2 黑體參數(shù)

4.2 靶標(biāo)及靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪

四桿靶標(biāo)為4個(gè)鏤空的長方形，其水平均布，鏤空長方形的縱橫比為7:1，靶桿之間的間距與鏤空的寬度相等，如圖7所示。一般需要選擇4個(gè)空間頻率，空間頻率可取0.20，0.50，1.00，1.20。其中0為熱像儀的特征空間頻率1/(2DAS)，其中DAS（detector angular subtense）是熱像儀探測器的像元對其物鏡的張角。首先在0.5mm厚的紫銅板上利用特殊激光加工出所需的精密鏤空四桿靶標(biāo)，然后使用測量投影儀測試其尺寸及其精度，在滿足精度的靶標(biāo)正面噴涂高發(fā)射率黑色涂料Nextel 811-21，噴涂后其發(fā)射率可以達(dá)到0.98；靶標(biāo)反面鍍金或鍍光亮鉻來提高其在中波紅外波段的反射率。同時(shí)，為了消除外界環(huán)境對目標(biāo)靶及旋轉(zhuǎn)靶輪溫度的影響，應(yīng)采取隔熱措施，所以其靶標(biāo)框采用隔熱性能好且硬度高的黑色聚甲醛（polyformaldehyde，POM）加工而成[9-10]。

靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪采用步距角1.8°的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪，小齒輪帶動(dòng)大齒輪，大齒輪帶動(dòng)靶標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。靶標(biāo)輪的轉(zhuǎn)軸后面安裝光電式增量編碼器，形成閉環(huán)控制，優(yōu)于0.1mm的定位精度可滿足要求。

圖7 四桿靶尺寸圖

4.3 光學(xué)窗口

紅外窗口起到既不降低光學(xué)透過率又能將光學(xué)系統(tǒng)加以密封、與外部隔離的作用。光學(xué)窗口采用單晶鍺玻璃，其一面鍍高效增透膜，另一面鍍高效增透膜加類金剛石保護(hù)膜，以提高膜層強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性，在3～5mm透過率大于98%。窗口安裝時(shí)，其光軸傾斜系統(tǒng)主光軸安裝，可消除妨礙觀察的二次成像[11]。

由于光學(xué)艙內(nèi)部充入超壓5kPa的氮?dú)猓瑫鈱W(xué)窗口產(chǎn)生應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致窗口破裂，因此需要對窗口玻璃進(jìn)行強(qiáng)度校核。簡單支撐的圓形光學(xué)玻璃在壓力條件下產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算公式為[12]：

式中：D為光學(xué)玻璃承受的壓力差；為光學(xué)玻璃的泊松比（鍺的泊松比為2.8）；為光學(xué)玻璃的直徑；為光學(xué)玻璃的厚度。F是光學(xué)材料的屈服強(qiáng)度（鍺的屈服強(qiáng)度為75MPa）；S為安全系數(shù)（光學(xué)機(jī)械中通常取4）。利用公式(1)計(jì)算，當(dāng)光窗承受的壓力差為5kPa時(shí)，其產(chǎn)生的應(yīng)力為0.4MPa，遠(yuǎn)小于鍺玻璃的屈服強(qiáng)度75MPa，所以光學(xué)窗口設(shè)計(jì)安全可靠。

5 儀器的裝調(diào)

當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)完成光學(xué)設(shè)計(jì)和光學(xué)加工后，其成像質(zhì)量主要取決于各光學(xué)元件之間的中心偏和光學(xué)元件之間的空氣間隔。這兩個(gè)因素一般由結(jié)構(gòu)零件來保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)零件加工精度低或零件裝配后誤差累積不能滿足要求時(shí)，常常需要在裝配時(shí)進(jìn)行調(diào)試從而使其滿足使用[13]。本儀器將靶標(biāo)放置在拋物鏡的焦點(diǎn)處，使其出射光束平行。調(diào)節(jié)思路為：考慮到離軸拋物鏡焦距長400mm，它的微調(diào)會引起焦點(diǎn)位置變動(dòng)比較大。因此以離軸拋物鏡為基準(zhǔn)，對反射鏡和靶標(biāo)調(diào)節(jié)比較方便。分別對反射鏡和靶標(biāo)進(jìn)行俯仰、方位和高低精密調(diào)節(jié)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求[6]。

利用圖8所示五棱鏡法將靶標(biāo)調(diào)節(jié)到焦點(diǎn)位置。首先，在T3經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡中找到五棱鏡出射面上的靶標(biāo)像，將經(jīng)緯儀的中心十字分劃與靶標(biāo)上的“十字絲”中心重合。然后將五棱鏡從B沿著直線導(dǎo)軌移動(dòng)到A（即從拋物鏡出射光的一端移動(dòng)到另一端），以中心分劃為基準(zhǔn)，如果“十字絲”沒有發(fā)生左右移動(dòng)，則此時(shí)靶標(biāo)正在焦平面上。如果將五棱鏡從B移動(dòng)到A過程中，靶標(biāo)向左偏移，則需要將靶標(biāo)遠(yuǎn)離平行光管；反之，則將靶標(biāo)靠近平行光管。利用此方法反復(fù)調(diào)節(jié)，最終使出射光束的平行性小于152。

1 Pentaprism; 2 Theodolite; 3 Mirror; 4 Cross target;5 Lamp; 6 Off axis parabolic mirror

6 結(jié)論

該儀器不但具有體積小、重量輕（約6kg），可以快速收納和展開使用。而且還可以承受沖擊、隨機(jī)振動(dòng)。在－10℃～50℃的野外環(huán)境，能夠準(zhǔn)確測量熱像儀的MRTD。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)儀器靶標(biāo)面的上下位置溫度有輕微的差異，在后續(xù)的改進(jìn)中，將黑體輻射表面水平放置或可以改善此問題；目前的MRTD多采用人眼主觀測量，其會降低測量結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。所以采用MTF法、圖像識別法等的客觀測量是進(jìn)一步研究的方向[14-15]。

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Development of a Portable Field MRTD Tester

WU Lipeng，GUO Yu，WANG Xuexin，LIU Ruixing，DU Meng，WANG Hao

(Primary Optical Metrology Station of Science Technology and Industry for National Defence, Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

Currently, the minimum resolvable temperature difference (MRTD) test of a thermal imager is mainly undertaken indoors. To meet the testing requirements of MRTD in other environments, a portable MRTD tester is proposed. This paper describes the development principle of the instrument, optical optimization design, mechanical design, and environment adaptability design, as well as the design points of the blackbody and other components. At present, this instrument has been used in the MRTD test of thermal imagers in outdoor environments and shows accurate results.

IR test, MRTD tester, portable

TN216

A

1001-8891(2022)03-0212-05

2021-05-28；

2021-06-24.

吳李鵬（1976-），男，碩士，高級工程師，主要從事光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：290134715@qq.com。

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目。