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   作者：鄭曉敏

  為了提高搜索、識別、跟蹤和瞄準(zhǔn)目標(biāo)的能力，炮長主瞄準(zhǔn)鏡通常采用變倍光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)工作于低倍通道時，視場較大，主要用于戰(zhàn)場監(jiān)視和目標(biāo)搜索。當(dāng)系統(tǒng)在高倍通道工作時，視場較小，主要用于目標(biāo)瞄準(zhǔn)、跟蹤和射擊。然而，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化，特別是高海拔環(huán)境下的光學(xué)系統(tǒng)，它們所承受的溫度、壓力及太陽輻射與平原地區(qū)相差較大，使得其結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起成像質(zhì)量的變化，而在以上諸多影響因素中，溫度是最主要的。因此，研究溫度對車載瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的影響對于車載瞄準(zhǔn)鏡環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計具有重要的意義。

  目前的研究大都是對航天領(lǐng)域光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行仿真分析，分析了溫度對三線陣測繪相機傳遞函數(shù)的影響；利用有限元分析計算了軸向溫差對空間遙感器光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響；根據(jù)矩陣光學(xué)理論和溫度的變化對一個特定的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的像面位移進行了計算，而關(guān)于溫度影響地面坦克裝甲車輛瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的研究較為少見。因此，本文以某火炮瞄準(zhǔn)鏡為研究對象，通過建立其光學(xué)系統(tǒng)模型，從定性和定量分析的角度，得到不同溫度對瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。

1  溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響

  一般設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)，通常只需滿足在常溫、常壓條件下能正常使用即可。而在高海拔環(huán)境下，溫度變化的典型范圍為- 40~ 60℃，環(huán)境溫度的變化影響著光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而影響著系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

  溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面：

  1)溫度變化使光學(xué)元件折射率和空氣折射率發(fā)生變化；

  2)溫度變化使光學(xué)元件厚度和曲率半徑發(fā)生變化；

  3)溫度變化使光學(xué)元件之間的空氣間隔發(fā)生變化。

  正因為光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生了以上變化，對透過光學(xué)系統(tǒng)的光束來說，光程也隨之改變，系統(tǒng)的焦距亦因此而改變。溫度均勻變化所引起的單個透鏡焦距的變化為

式中：f為透鏡的焦距；Δf為焦距的變化量；ΔT為溫度的變化值；ng為透鏡折射率；na為空氣折射率；βg和βa分別為透鏡折射率溫度系數(shù)和空氣折射率溫度系數(shù)；xg為透鏡熱膨脹系數(shù)。

  光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化使得理想成像面偏離了像接收器的光敏面，造成系統(tǒng)離焦，使像點在像接收面上形成彌散斑，直接導(dǎo)致成像質(zhì)量下降，如圖1所示。

2  系統(tǒng)仿真分析

2.1光學(xué)系統(tǒng)建模

  火炮瞄準(zhǔn)鏡一般安裝于炮塔頂部，其光學(xué)系統(tǒng)主要由大物鏡、變倍物鏡組、棱鏡和目鏡等組成。正是由于變倍物鏡組可以軸向移動調(diào)節(jié)，其可分為低倍和高倍光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)在工作時，目標(biāo)光線由無窮遠處入射，經(jīng)大物鏡和變倍物鏡會聚到焦面上，再經(jīng)棱鏡轉(zhuǎn)折90°平行出射，最后成像在系統(tǒng)的目鏡上。本文研究的某車載瞄準(zhǔn)鏡采用圖2和圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)。

  一個物點發(fā)出的所有光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，由于像差的存在，像面上不再是一個集合點，而是一個彌散斑，稱之為點列圖。點列圖中點的分布可以近似地代表像點的能量分布，利用這些彌散點的密集程度能夠衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞，密集程度越高，成像質(zhì)量越好。原始的光學(xué)系統(tǒng)點列圖如圖4和圖5所示。

從系統(tǒng)的點列圖可以看出，在設(shè)計環(huán)境條件（設(shè)計溫度為20℃）下，瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)均存在一定的像差，并且視場中央目標(biāo)的成像質(zhì)量優(yōu)于視場邊緣目標(biāo)，低倍系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)于高倍系統(tǒng)。

2.2  溫度均勻變化系統(tǒng)性能分析

  保持其他環(huán)境因素不變，對瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)在溫度均勻變化下成像質(zhì)量的變化進行分析。在ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件里，通過多重數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義不同的溫度環(huán)境，最后使用點列圖來對系統(tǒng)進行像質(zhì)評價。圖6和圖7是瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)在不同溫度下的彌散斑。

  根據(jù)圖6和圖7可以看出，溫度均勻變化會造成瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量發(fā)生變化。對0視場下的系統(tǒng)彌散斑進一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為- 40℃時，低倍系統(tǒng)和高倍系統(tǒng)的彌散點最密集，能量最集中；當(dāng)溫度為60℃時，低倍系統(tǒng)和高倍系統(tǒng)的彌散點密集程度最差，能量最分散，說明瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)視場中央目標(biāo)的成像質(zhì)量在- 40℃時最好，在60℃時最差。

  點列圖中彌散斑的密集程度可以用兩個量來評價，一個是幾何最大值( GEO)，另一個是均方根值( RMS)。幾何最大值是以參考光線點為中心，包含所有光線的最大圓的半徑，反映了像差的最大值。均方根值則是每條光線交點與參考光線點的距離的均方根，反映了光能的集中程度，與幾何最大值相比，更能反映系統(tǒng)的成像質(zhì)量。均方根值越小，則彌散點越密集，成像質(zhì)量就越好。為了更清晰地觀察和對比瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量隨溫度的變化規(guī)律，每隔10℃建立一個溫度環(huán)境結(jié)構(gòu)，得到其成像的點列圖，進而使用均方根值來評價不同溫度下系統(tǒng)的成像質(zhì)量，仿真結(jié)果如表1、圖8和圖9所示。

根據(jù)表1中的仿真結(jié)果并結(jié)合圖8和圖9可以明顯看出，高倍系統(tǒng)各視場的彌散斑均方根值基本上都比低倍系統(tǒng)的仿真值大，說明高倍系統(tǒng)的成像質(zhì)量更差一些。無論是何種系統(tǒng)，何種溫度，瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)視場邊緣的彌散斑均方根值相比視場中央的彌散斑均方根半徑值總體上都要大，說明瞄準(zhǔn)鏡成像過程中視場中央目標(biāo)的成像質(zhì)量最好。對仿真結(jié)果進一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增大，對于視場中央的日標(biāo)，低倍和高倍系統(tǒng)的成像質(zhì)量均是先逐漸變好而后又逐漸變差，并且在- 20℃左右達到最好，說明在低溫環(huán)境下瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)視場中央目標(biāo)的成像質(zhì)量比高溫環(huán)境要好；對于視場邊緣的目標(biāo)，低倍系統(tǒng)的成像質(zhì)量逐漸變差，而高倍系統(tǒng)的成像質(zhì)量卻逐漸變好，說明在低溫環(huán)境下，低倍系統(tǒng)視場邊緣目標(biāo)的成像質(zhì)量要比高溫環(huán)境好，而高倍系統(tǒng)視場邊緣目標(biāo)的成像質(zhì)量比高溫環(huán)境要差。為了使車載瞄準(zhǔn)鏡能夠適應(yīng)各種極端環(huán)境，一方面可以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計初始階段，將溫度等環(huán)境因素考慮進去，采用光學(xué)被動消熱差方法來合理選擇材料和設(shè)計結(jié)構(gòu)，另一方面可以在光學(xué)結(jié)構(gòu)中增加自動調(diào)焦機構(gòu)，從而保證該光學(xué)系統(tǒng)能夠在不同環(huán)境中正常使用。

3  結(jié)論

本文在分析溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，建立了某火炮瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)模型并進行了仿真分析，得到了不同溫度下該瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明：該瞄準(zhǔn)鏡低倍系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)于高倍系統(tǒng)，視場中央目標(biāo)的成像質(zhì)量優(yōu)于視場邊緣目標(biāo)，在低溫環(huán)境下的成像質(zhì)量總體優(yōu)于高溫環(huán)境并且在- 20℃左右達到最好。本文的研究成果對進一步分析評估溫度對車載光電系統(tǒng)成像性能的影響打下了良好基礎(chǔ)，并對新型車載瞄準(zhǔn)鏡的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計具有重要的參考價值。

4摘要：為了研究溫度對車載瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的影響，在分析溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，以某火炮瞄準(zhǔn)鏡為研究對象，建立其光學(xué)系統(tǒng)模型，通過設(shè)置不同的環(huán)境溫度對系統(tǒng)模型進行了仿真分析。利用彌散斑的均方根值來表征光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，得到了不同溫度下該瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明：該瞄準(zhǔn)鏡在低溫環(huán)境下的成像質(zhì)量總體優(yōu)于高溫環(huán)境，并且在-20 qC左右達到最優(yōu)。此研究為進一步評估溫度對車載光電系統(tǒng)

成像性能的影響打下了良好基礎(chǔ)，為新型車載瞄準(zhǔn)鏡的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提供了重要的參考。