温度对车载瞄准镜成像质量影响的仿真研究

    姜文韬，  李国璋，  任国全，  李冬伟，  陈  诚

    （1．军械工程学院，石家庄050003；2．中国人民解放军78638部队，四川什邡618408）

摘要：为了研究温度对车载瞄准镜成像质量的影响，在分析温度变化对光学系统结构参数影响的基础上，以某火炮瞄准镜为研究对象，建立其光学系统模型，通过设置不同的环境温度对系统模型进行了仿真分析。利用弥散斑的均方根值来表征光学系统的成像质量，得到了不同温度下该瞄准镜成像质量的变化规律。仿真结果表明：该瞄准镜在低温环境下的成像质量总体优于高温环境，并且在-20 qC左右达到最优。此研究为进一步评估温度对车载光电系统

成像性能的影响打下了良好基础，为新型车载瞄准镜的环境适应性设计提供了重要的参考。

关键词：车载瞄准镜；光学系统；温度；成像质量；仿真

中图分类号：TH745    文献标志码：A    文章编号：1671  - 637X( 2015) 12 - 0080 - 04

0  引言

    坦克装甲车辆观察、搜索、识别、跟踪和瞄准目标的任务，基本上都是靠直接观察的光学瞄准镜完成。瞄准镜如同坦克装甲车辆的眼睛，为指挥员提供战场态势信息，为射手提供观察、搜索和瞄准目标的通道，其性能的优劣直接影响了坦克装甲车辆战斗力的强弱。为了提高搜索、识别、跟踪和瞄准目标的能力，炮长主瞄准镜通常采用变倍光学系统。当系统工作于低倍通道时，视场较大，主要用于战场监视和目标搜索。当系统在高倍通道工作时，视场较小，主要用于目标瞄准、跟踪和射击。然而，随着战场环境的复杂化，特别是高海拔环境下的光学系统，它们所承受的温度、压力及太阳辐射与平原地区相差较大，使得其结构参数发生变化，从而引起成像质量的变化，而在以上诸多影响因素中，温度是最主要的。因此，研究温度对车载瞄准镜成像质量的影响对于车载瞄准镜环境适应性设计具有重要的意义。

    目前的研究大都是对航天领域光学系统的成像质量进行仿真分析，分析了温度对三线阵测绘相机传递函数的影响；利用有限元分析计算了轴向温差对空间遥感器光学系统成像质量的影响；根据矩阵光学理论和温度的变化对一个特定的星敏感器光学系统的像面位移进行了计算，而关于温度影响地面坦克装甲车辆瞄准镜成像质量的研究较为少见。因此，本文以某火炮瞄准镜为研究对象，通过建立其光学系统模型，从定性和定量分析的角度，得到不同温度对瞄准镜光学系统成像质量的影响。

1  温度变化对光学系统的影响

    一般设计的光学系统，通常只需满足在常温、常压条件下能正常使用即可。而在高海拔环境下，温度变化的典型范围为- 40~ 60℃，环境温度的变化影响着光学系统的结构参数，进而影响着系统的成像质量。

    温度变化对光学系统的影响主要表现在以下3个方面：

    1)温度变化使光学元件折射率和空气折射率发生变化；

    2)温度变化使光学元件厚度和曲率半径发生变化；

    3)温度变化使光学元件之间的空气间隔发生变化。

    正因为光学系统产生了以上变化，对透过光学系统的光束来说，光程也随之改变，系统的焦距亦因此而改变。温度均匀变化所引起的单个透镜焦距的变化为

式中：f为透镜的焦距；Δf为焦距的变化量；ΔT为温度的变化值；ng为透镜折射率；na为空气折射率；βg和βa分别为透镜折射率温度系数和空气折射率温度系数；xg为透镜热膨胀系数。

    光学系统焦距的变化使得理想成像面偏离了像接收器的光敏面，造成系统离焦，使像点在像接收面上形成弥散斑，直接导致成像质量下降，如图1所示。

2  系统仿真分析

2.1光学系统建模

    火炮瞄准镜一般安装于炮塔顶部，其光学系统主要由大物镜、变倍物镜组、棱镜和目镜等组成。正是由于变倍物镜组可以轴向移动调节，其可分为低倍和高倍光学系统。光学系统在工作时，目标光线由无穷远处入射，经大物镜和变倍物镜会聚到焦面上，再经棱镜转折90°平行出射，最后成像在系统的目镜上。本文研究的某车载瞄准镜采用图2和图3所示的光学系统。

    一个物点发出的所有光线经光学系统后，由于像差的存在，像面上不再是一个集合点，而是一个弥散斑，称之为点列图。点列图中点的分布可以近似地代表像点的能量分布，利用这些弥散点的密集程度能够衡量系统成像质量的好坏，密集程度越高，成像质量越好。原始的光学系统点列图如图4和图5所示。

从系统的点列图可以看出，在设计环境条件（设计温度为20℃）下，瞄准镜光学系统均存在一定的像差，并且视场中央目标的成像质量优于视场边缘目标，低倍系统的成像质量优于高倍系统。

2.2  温度均匀变化系统性能分析

    保持其他环境因素不变，对瞄准镜光学系统在温度均匀变化下成像质量的变化进行分析。在ZEMAX光学设计软件里，通过多重数据结构定义不同的温度环境，最后使用点列图来对系统进行像质评价。图6和图7是瞄准镜光学系统在不同温度下的弥散斑。

    根据图6和图7可以看出，温度均匀变化会造成瞄准镜光学系统的成像质量发生变化。对0视场下的系统弥散斑进一步分析发现，当温度为- 40℃时，低倍系统和高倍系统的弥散点最密集，能量最集中；当温度为60℃时，低倍系统和高倍系统的弥散点密集程度最差，能量最分散，说明瞄准镜光学系统视场中央目标的成像质量在- 40℃时最好，在60℃时最差。

    点列图中弥散斑的密集程度可以用两个量来评价，一个是几何最大值( GEO)，另一个是均方根值( RMS)。几何最大值是以参考光线点为中心，包含所有光线的最大圆的半径，反映了像差的最大值。均方根值则是每条光线交点与参考光线点的距离的均方根，反映了光能的集中程度，与几何最大值相比，更能反映系统的成像质量。均方根值越小，则弥散点越密集，成像质量就越好。为了更清晰地观察和对比瞄准镜光学系统成像质量随温度的变化规律，每隔10℃建立一个温度环境结构，得到其成像的点列图，进而使用均方根值来评价不同温度下系统的成像质量，仿真结果如表1、图8和图9所示。

根据表1中的仿真结果并结合图8和图9可以明显看出，高倍系统各视场的弥散斑均方根值基本上都比低倍系统的仿真值大，说明高倍系统的成像质量更差一些。无论是何种系统，何种温度，瞄准镜光学系统视场边缘的弥散斑均方根值相比视场中央的弥散斑均方根半径值总体上都要大，说明瞄准镜成像过程中视场中央目标的成像质量最好。对仿真结果进一步分析发现，随着温度的增大，对于视场中央的日标，低倍和高倍系统的成像质量均是先逐渐变好而后又逐渐变差，并且在- 20℃左右达到最好，说明在低温环境下瞄准镜光学系统视场中央目标的成像质量比高温环境要好；对于视场边缘的目标，低倍系统的成像质量逐渐变差，而高倍系统的成像质量却逐渐变好，说明在低温环境下，低倍系统视场边缘目标的成像质量要比高温环境好，而高倍系统视场边缘目标的成像质量比高温环境要差。为了使车载瞄准镜能够适应各种极端环境，一方面可以在光学系统设计初始阶段，将温度等环境因素考虑进去，采用光学被动消热差方法来合理选择材料和设计结构，另一方面可以在光学结构中增加自动调焦机构，从而保证该光学系统能够在不同环境中正常使用。

3  结论

    本文在分析温度变化对光学系统结构参数影响的基础上，建立了某火炮瞄准镜光学系统模型并进行了仿真分析，得到了不同温度下该瞄准镜成像质量的变化规律。仿真结果表明：该瞄准镜低倍系统的成像质量优于高倍系统，视场中央目标的成像质量优于视场边缘目标，在低温环境下的成像质量总体优于高温环境并且在- 20℃左右达到最好。本文的研究成果对进一步分析评估温度对车载光电系统成像性能的影响打下了良好基础，并对新型车载瞄准镜的环境适应性设计具有重要的参考价值。