摘 要 光学载荷具备成像分辨力高，目标图像直观易评判等优点，搭载于超声速飞行器上，结合平台特点，能够快速获取目标区大范围影像，适合执行对地成像侦察任务。由于载机高速运动，光学载荷面临载机蒙皮温度高以及光窗内外温差大等挑战。为保证光学载荷在高温高速环境下具备对地高性能成像能力，系统地总结了临近空间超声速飞行环境特点并分析其对光学载荷的影响。结合外界环境影响，总结和归纳了临近空间光学载荷设计中所涉及的像移补偿、系统小型化、光窗设计等关键技术。对于可能搭载的红外相机，量化分析了外界环境红外辐射特点并研判此类特点对红外探测器工作波段与模式的影响，给出红外相机系统设计的两条具体建议。一是红外相机工作波段8~10.5 μm；二是为降低背景辐射影响，建议红外相机采用焦平面凝视扫描成像方式。
临近空间一般指距离地面20~100 km的空域，处于传统飞机最大飞行高度与低轨卫星最低绕地高度之间的过渡空间。部署在该空间内活动的高速平台具有的显著优势包括：一是在战场上具备极高的战场灵活性。由于该高度层大气稀薄，载机平台最大飞行马赫数通常可达3，美军洛马公司正在研制的SR-72高超声速无人机最大飞行马赫数甚至可达6［1］。此外，临空空域较低空空域中，与其他飞行器的用空冲突较少，受到的空域管控相对较少，因此有更高的机动部署能力与更强的响应能力；二是具备较高的战场生存能力与效费比。临近空间高速飞行器的飞行高度处于传统防空系统的最大拦截高度之上，又在反导系统拦截高度之下，是相对安全的飞行高度［2］，导致敌方对该空域内执行情侦监（ISR）任务、通信中继任务等非战术边缘飞机平台的作战决心不强。敌方即使下决心要对此空域内的飞机平台进行攻击，付出成本往往高于飞机平台成本，因此该空域内飞机的高战场生存能力往往能够带来较高的战场效费比［3］。
因此，临近空间高速飞行器是传统航空作战力量和传统航天作战力量的重要补充力量，能够促进实现空、天、地全物理域的作战覆盖，是联合全域作战不可忽略的作战力量。
临近空间ISR任务是指将侦察监视装备搭载在临近空间高速飞行器，对地面实施持续ISR的作战活动［4］。执行此类任务的载荷主要有成像侦察载荷（包括光学成像侦察载荷和雷达成像侦察载荷）、电子侦察载荷（ESM）、光谱侦察载荷等。本文主要讨论光学侦察载荷。
临近空间光学侦察可以用于战前、战时临空对敌战区地（海）面固定和活动目标进行战场监视与侦察、掌握敌目标动向与位置、提供战场态势信息、战场目标毁伤效果评估［5］。其侦察图像可通过地空数据链实时（准实时）传输给地面，为指挥部门分析判定目标、把握战机，提供实时、超视距的情报信息。临近空间光学侦察载荷相较传统航空ISR系统具备以下优势：一是侦察范围大。由于载机飞行高度高，在同等视场角情况下，临近空间光学设备将较航空光学设备具备更广的地面覆盖范围，大幅增强情报获取能力［6］；二是平时战时均具备ISR能力。临近空间处于国际上通用的领空高度之上，因此能够进入待侦察区域正上方进行侦察且不被判定为入侵他国空域，避免造成不良政治影响。
光学载荷在临近空间执行侦察任务时，面临载机平台飞行速度快、震动大、外界温度高等客观环境条件限制。在进行光学系统设计的时候，为保证光学载荷在复杂环境条件下的成像质量，需要综合考虑外部环境对光学系统的影响。本文对临近空间光学载荷可见光和红外波段设计要素进行介绍。通过考虑外界环境的影响，量化分析面临的主要技术问题。
世界发达国家（如美国、英国等）航空光学侦察相机发展遵循由低分辨力向高分辨力，胶片式相机向CCD传输型相机（可见光/红外）发展趋势。从20世纪四五十年代开始研制以胶片为信息载体的航空侦察相机，初期相机焦距较短、载片量小、幅宽窄、地面分辨力低，且多为垂直放置成像。随着技术的发展和军方对航空侦察相机需求的牵引，至20世纪70年代，研制长焦距、大载片量、宽画幅、地面分辨力高的航空侦察相机，如美国仙童公司80年代生产的焦距为1830 mm的KA-112A全景式航空侦察相机、美国芝加哥航空公司80年代生产的焦距为1670 mm的KS-146画幅式航空侦察相机，至20世纪80年代国际先进国家胶片式相机已发展到相当高的水平。胶片式相机分辨力高，但实时性差。随着科技发展和成像探测器技术日益成熟，从20世纪80年代开始，发达国家研发出CCD实时传输型侦察相机，至今已发展至很高水平，且由可见光向红外及可见光/红外两光合一，以及多光谱成像的方向发展，如英国W Vinten公司生产的8040相机、雷锡恩公司生产的DB-110相机［7］；美国ROI公司生产的CA-261、CA-270、CA-295、全球鹰装载的相机等，如图1、图2所示。
图1 8040相机外形图
图2 DB-110相机外形图
国外几种典型可见光及可见光/红外航空相机主要技术指标如表1、表2所示。实时传输型航空侦察相机已成为西方发达国家获取地面军事信息的重要来源之一。
临近空间飞行器工作环境一般为大气平流层区域（18~55 km）。在该高度范围内，不同高度处的平均温度起伏不超过20 K［6］。该高度范围内的臭氧层吸收太阳紫外辐射，导致该高度范围的大气被加热，随着高度的增加，大气温度逐渐增加，该高度范围内温度随着高度增加而增加［8］。通常平流层底部20 km处温度约为223 K。在平流层顶部，大气温度最大值可达270 K左右。
光学载荷温度不仅受到外部环境温度影响，还受载机运动状态影响。载机外表面的温度变化随着载机在不同的运动阶段变化而变化。以最高飞行高度30 km，最大飞行马赫数3的典型载机为例，载机外表面的温度变化典型规律可以概括为表3所示。
表3说明临近空间光学载荷所面临的环境与传统航空光学载荷所处环境不同，主要特点为温度变化速度快，温度峰值高。载荷安装在载机平台内，载机提供给相机的工作环境温度范围非常宽，相机窗口玻璃内外温度梯度大（窗口玻璃外表温度大于600 K），对长焦距光学载荷而言，工作在这样复杂环境条件下保证高成像质量，设计难度很大，因此环境适应性设计技术是临空光学载荷的关键技术之一。
温度变化将使所有固体零部件的热焓改变，在光学载荷轴向、径向两个方向形成温度梯度，使光学系统的玻璃曲率半径、光学间隔、介质折射率等发生变化，引起焦距发生变化，导致像面产生离焦。以载荷主结构材料采用钛合金或铝合金为例，系统温度范围为+50 ℃~-30 ℃时，温度变化对焦面的影响如表4所示。计算表明，结构材料采用钛合金反而比采用铝合金的调焦量要大，但二者均需要调焦。考虑到钛合金的线胀系数与玻璃较为接近，温度变化时不会因此产生应力变形，所以建议设计时采用钛合金作为结构材料。
临近空间区域的大气密度随着高度的增加而逐渐减小。在20 km高空，密度约为0.088 kg/，气压约为5.07 kPa，上升到40 km高空时，密度减小到0.004 kg/，气压约为300 Pa。
不同海拔高度的大气压是不同的，而空气的折射率n也随着大气压的不同而不同，因此随着光学载荷所处的海拔高度发生变化，载荷内部的空气折射率发生变化，从而引起光学系统像面产生离焦。大气压力对光学系统焦面的影响如表5所示。
气压调焦量的宽容度为±0.07 mm时，从表5可以发现，从海拔高度1 km开始就需要调焦。
光学载荷在成像时刻，由于像的移动，导致成像质量下降。为保证成像质量，需采取像移补偿措施来消除或减少像移的影响。
光学载荷成像时，将产生四种像移：飞机的前向飞行造成的像移（搭载在临近空间超声速飞行器上的光学载荷前向像移尤其明显）；相机扫描照像造成的像移；飞机的飞行姿态变化造成的像移；飞机的振动及气流波动引起的振动产生的像移。每种像移在相面上可分解为纵向（载机航向）、横向（载机展向）及垂向，纵向与成像探测器列方向平行，横向与成像探测器行转移方向平行，垂向与像移无关。因此，相对成像探测器进行纵向和横向像移补偿。
临近空间超声速飞行器受飞行速度要求、续航时间要求等限制，其负载能力往往受限，而为保证任务执行效率，临近空间光学载荷的分辨力通常要求较高，当飞行高度为30 km时，像元分辨力需要至少优于0.8 m才能具备对典型目标的识别能力。为满足分辨力要求，光学系统的焦距通常较长，有限的装机尺寸和质量等约束条件给长焦距光学系统结构设计带来较大的困难，因此小型化设计制造技术也是临近空间光学载荷关键技术之一。
载机在临近空间做超声速飞行时，载机本身和气流之间的剧烈摩擦导致载机周围的气体密度变化剧烈，进而导致折射率发生变化［9］，载机平台提供给光学载荷的环境温度范围宽（-50 ℃~+120 ℃），光学窗口玻璃内外温度梯度大（窗口玻璃外表温度大于300 ℃），载机平台振动量值大（均方根加速度值为9.33g），过载大（向前量值为5g），对长焦光学载荷而言，工作在这样复杂环境条件下很容易导致图像出现偏移、抖动、模糊等现象。为保证高成像质量，对光学载荷结构设计、热设计、补偿设计等都提出很高要求。
临近空间光学载荷光窗结构设计可分为两类：双层窗口和单层窗口。
双层窗口采用两块窗口玻璃，中间用胶条隔开。根据查询国内外资料显示，双层窗口内层光学材料多采用价格便宜、加工性能好的BK7，外层采用密度小、线膨胀系数小的熔石英。双层窗口的优点是每层玻璃所承受的温度梯度小；温度梯度小，窗口玻璃的变形会小些，从而减少窗口变形对相机成像质量的影响。缺点是结构尺寸大，质量大。双层窗口的结构见图3。
图3 双层窗口的结构
Fig.3 Structure of double-layer optical window
单层窗口采用一块窗口玻璃，承受的温度梯度大，变形相对大些。单层窗口的优点是结构简单，质量轻，结构尺寸小。单层窗口的结构见图4。
图4 单层窗口的结构
Fig.4 Structure of single-layer optical window
进行光窗设计时需要进行静载荷分析、加速度载荷分析、热影响分析、有限元模型分析，根据搭载载机平台的飞行情况建立窗口玻璃热分析的边界条件，明确窗口组件的使用温度及工作时间。
临近空间高超声速飞行器飞行时，机体与气流之间的摩擦致使光学载荷窗口温度很高，对红外探测器成像干扰较大，因此国外临近空间高超声速飞行器（如SR-71，黑鸟有人侦察机）主要搭载可见光侦察相机。红外相机由于具备全天时成像优势，也将成为未来临近空间高超声速飞行器搭载的重要侦察载荷。
临近空间对地探测目标红外辐射特性的研究相对匮乏。目前仿真结果表明，在中波段范围内，最优透过率出现在3.5~4 μm，在长波波段，最优透过率出现在8~10.5 μm［10］飞行器马赫数达到3时，其外表面与空气摩擦将使表面观测窗口温度高达600 K左右。假设窗口为黑体，则600 K对应的峰值辐射波长4.83 μm。为了避免光窗对红外探测器的干扰，临近空间红外相机应选择长波波段进行探测，工作波段建议为8~10.5 μm。
根据普朗克定律，600 K黑体在8~10.5 μm的辐射出射度约为1.1335× 10-1W/cm2。设地面物体的温度在300 K左右，300 K黑体在8~10.5 μm的辐射出射度约为7.3447×10-3 W/cm2。二者之比为15.4，强的背景辐射必将导致探测器的积分时间很短，因此若采用单帧焦平面探测器凝视成像方式，将很难实现目标的有效探测。但如果采用焦平面凝视扫描成像方式，通过多次短时间积分、信号采样叠加的方法，并合理设置电子学的动态范围，则窗口高温背景辐射对红外相机的热辐射探测影响基本可以消除。因此，为保证目标侦察能力建议临近空间红外相机采用焦平面凝视扫描成像方式。
本文分析了临近空间环境对光学载荷的影响，并对光学载荷设计涉及的像移补偿技术、相机小型化设计制造技术、环境适应性设计技术、光窗技术等关键技术进行了分析。针对搭载在超声速载机平台的红外相机，分析了光窗作为高热背景源时对红外探测的影响，并基于此给出了红外波段选择的建议以及成像方式的建议。深入开展临近空间光学载荷设计要素分析与关键技术研究，对于临近空间光学载荷设计与研制具有重要作用。
联系客服
