齊雁龍，項(xiàng)建勝

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一種半主動(dòng)激光紅外雷達(dá)三模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊雁龍，項(xiàng)建勝

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009）

介紹了一種緊湊型的半主動(dòng)激光、紅外、雷達(dá)三模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，半主動(dòng)激光、紅外光學(xué)系統(tǒng)采用折反式光路結(jié)構(gòu)，雷達(dá)系統(tǒng)采用拋物面天線(xiàn)發(fā)射接收信號(hào)。3種導(dǎo)引模式共用一個(gè)主反射鏡，半主動(dòng)激光系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)在主反射鏡處光線(xiàn)分離，雷達(dá)波與紅外光在主反射鏡共口徑反射后，在次反射鏡處信號(hào)分離，在緊湊空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了3種導(dǎo)引模式的融合。

折反系統(tǒng)；拋物面天線(xiàn)；半主動(dòng)激光；復(fù)合導(dǎo)引;光學(xué)系統(tǒng)

0 引言

隨著軍事科學(xué)的發(fā)展以及未來(lái)作戰(zhàn)環(huán)境的多變性復(fù)雜性，精確制導(dǎo)武器的要求也越來(lái)越高。復(fù)合導(dǎo)引是在原來(lái)單一模式導(dǎo)引技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合其他導(dǎo)引模式，并通過(guò)信息處理算法，提高目標(biāo)探測(cè)能力，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展較快[1-2]。復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)的難點(diǎn)主要是如何在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種模式的融合，提高不同模式之間的融合程度，提高信息利用率，以及盡量減小不同模式之間的性能影響。

本文從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，探討復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)中光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，不同模式之間的光學(xué)復(fù)合方法等。

1 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)整體布局

復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的整體布局要根據(jù)選擇的導(dǎo)引模式以及總體結(jié)構(gòu)尺寸，選擇合適的布局結(jié)構(gòu)，既能夠?qū)崿F(xiàn)不同的導(dǎo)引模式還要使得結(jié)構(gòu)緊湊滿(mǎn)足總體結(jié)構(gòu)尺寸。本文涉及到的復(fù)合導(dǎo)引模式由半主動(dòng)激光、長(zhǎng)波紅外以及毫米波雷達(dá)3種模式融合。由于毫米波雷達(dá)采用拋物面天線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收，這樣為了盡量減小空間的占用，提高導(dǎo)引模式的復(fù)合程度，以及不同導(dǎo)引模式具有同樣的觀(guān)察基準(zhǔn)（即處在同一坐標(biāo)系），紅外光學(xué)系統(tǒng)采用折反式光路結(jié)構(gòu)，與雷達(dá)系統(tǒng)共用拋物面反射鏡，在次反射鏡處通過(guò)選擇合理的微波透過(guò)基底材料及在表面鍍制非金屬介質(zhì)反射膜，這樣雷達(dá)信號(hào)透過(guò)次反射鏡進(jìn)入饋元，紅外光線(xiàn)反射后進(jìn)入紅外探測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)與紅外信號(hào)的分離。

在紅外系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)布局確定后，著手考慮半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)的布局。首先考慮融合程度比較高的一個(gè)方案激光系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)共口徑共光路，即激光與紅外系統(tǒng)共用主次反射鏡，在后續(xù)光路中通過(guò)分光棱鏡（或分光反射鏡）將激光與紅外光路分離。該方案光學(xué)系統(tǒng)前端（主次反射鏡）3種導(dǎo)引模式高度融合，比較節(jié)省空間，而且3種導(dǎo)引模式的觀(guān)察基準(zhǔn)統(tǒng)一，利于后續(xù)的信號(hào)處理。但是由于激光與紅外光路需要在后端分離，對(duì)分光器件要求比較高而且整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易裝調(diào)，不太適合彈載光學(xué)系統(tǒng)要求。因此這種方案不可行。然后考慮激光光學(xué)系統(tǒng)單獨(dú)布局，即激光光學(xué)系統(tǒng)位于最前端，這樣激光光學(xué)系統(tǒng)與其他導(dǎo)引模式不融合，需要單獨(dú)占用空間，而且其口徑不易做大否則會(huì)對(duì)雷達(dá)紅外信號(hào)造成較大的遮擋，可見(jiàn)這種方案的光學(xué)系統(tǒng)必然占用空間比較大，在有限的彈體空間內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)。

綜合考慮后，激光光學(xué)系統(tǒng)仍然與紅外雷達(dá)系統(tǒng)“共口徑”，此種“共口徑”較為特殊即通過(guò)擴(kuò)大雷達(dá)紅外主拋物面反射鏡的口徑，在主拋物面的有效通光口徑與最大口徑之間加工激光光學(xué)系統(tǒng)的反射面，也就是說(shuō)激光光學(xué)系統(tǒng)主反射面位于這樣的一個(gè)圓環(huán)上。在這樣的圓環(huán)上選擇合適的曲率半徑，即可實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)與其他導(dǎo)引模式信號(hào)的分離，同時(shí)可在其表面選擇非球面面型，提高了激光光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度，滿(mǎn)足激光光學(xué)系統(tǒng)像斑質(zhì)量要求。此種方案保持了3種導(dǎo)引模式的觀(guān)察基準(zhǔn)一致，通過(guò)加工高精度的復(fù)合主反射鏡即可保證其觀(guān)察基準(zhǔn)一致，而且降低了裝調(diào)精度要求。其工作原理圖如圖1所示。

當(dāng)然，該方案也存在一定的問(wèn)題，需要采取針對(duì)性措施加以解決。首先，紅外與激光共用一個(gè)主反射鏡，由于反射膜系對(duì)波段并不具備選擇性，這樣會(huì)造成激光、紅外光線(xiàn)進(jìn)入到對(duì)方系統(tǒng)中，如果不采取措施會(huì)出現(xiàn)信號(hào)干擾問(wèn)題。因此針對(duì)此問(wèn)題，在紅外、激光系統(tǒng)中分別引入相應(yīng)波段的窄帶濾光片，這樣雖然激光光線(xiàn)可以進(jìn)入紅外系統(tǒng)中，但會(huì)被長(zhǎng)波濾光片阻擋在紅外探測(cè)器之外，同樣的激光系統(tǒng)也可以通過(guò)窄帶濾光片把引入系統(tǒng)的紅外光線(xiàn)濾除掉，不會(huì)對(duì)激光探測(cè)器造成信號(hào)干擾。其次，該方案中激光光學(xué)系統(tǒng)的主反射鏡為在紅外反射面外增加的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其有效口徑利用率不高?？紤]到在整個(gè)探測(cè)方案工作模式中半主動(dòng)激光探測(cè)為輔助模式，它不作為主探測(cè)模式使用，因此它要求的有效探測(cè)距離不高，經(jīng)總體探測(cè)方案計(jì)算后認(rèn)為本文中的激光光學(xué)系統(tǒng)有效接收面積（不小于30cm2）是能夠達(dá)到探測(cè)距離要求的。復(fù)合導(dǎo)引方案中不同模式之間相互影響是不可避免的，為了達(dá)到綜合探測(cè)能力的提升，對(duì)其中某個(gè)導(dǎo)引模式的探測(cè)性能進(jìn)行一定的取舍也是必須的。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)的工作模式為目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后形成一能量均勻分布的像斑，進(jìn)入四象限探測(cè)器[3]。通過(guò)分析像斑在四象限探測(cè)器上四個(gè)象限的信號(hào)輸出來(lái)判斷，目標(biāo)方位信息。這是半主動(dòng)激光導(dǎo)引的基本工作原理，本文不再贅述。半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的就是通過(guò)控制像差使光線(xiàn)匯聚的光斑能量均勻。傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中優(yōu)化方法均為最小像差法，從而使光學(xué)系統(tǒng)彌散斑接近衍射極限的艾利斑大小，因此對(duì)半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)而言是不適合的，為了準(zhǔn)確得到線(xiàn)性導(dǎo)引區(qū)內(nèi)的目標(biāo)方位信息，半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)需要在線(xiàn)性區(qū)內(nèi)把目標(biāo)能量匯聚的均勻，大小一致。這樣在光學(xué)設(shè)計(jì)中需要盡量減小軸外像差（如彗差、像散等），適當(dāng)?shù)囊胍恍┣虿钆c離焦像差，從而使線(xiàn)性區(qū)內(nèi)的光斑能量均勻。

本文涉及到的半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

圖1 三模合光學(xué)系統(tǒng)工作原理圖

表1 半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

對(duì)于紅外系統(tǒng)而言其主反射鏡與雷達(dá)系統(tǒng)共用，因此其面型只能與雷達(dá)天線(xiàn)保持一致，即采用拋物面面型。由于紅外系統(tǒng)的視場(chǎng)要求為±2.5°，對(duì)于折反式光學(xué)系統(tǒng)而言比較大，采用經(jīng)典卡式系統(tǒng)軸外像質(zhì)不易控制。從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，希望主反射鏡采用高次非球面面型提高軸外像質(zhì)，但由于共用主反射鏡，不能夠自由選擇主反射鏡的面型參數(shù)，提高了設(shè)計(jì)難度。這一點(diǎn)需要在紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中適應(yīng)。為了到達(dá)要求的成像質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)自由度，采用一種折反二次成像式光路結(jié)構(gòu)，通過(guò)二次成像單元提高設(shè)計(jì)自由度。

在紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本文從系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)入手，建立光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。其具體設(shè)計(jì)原理為該光學(xué)系統(tǒng)采用二次成像式光路，第一次成像系統(tǒng)采用反射式結(jié)構(gòu)，第二次成像系統(tǒng)采用折射式結(jié)構(gòu)。利用這兩個(gè)系統(tǒng)在溫度變化時(shí)光熱特性相反的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)[4]。紅外光學(xué)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

根據(jù)上述指標(biāo)及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件Code.V中建立兩重結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)和紅外光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多輪迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)得出光學(xué)系統(tǒng)結(jié)夠如圖2、圖3所示。

從圖中可以看出，半主動(dòng)激光與紅外光線(xiàn)在復(fù)合反射鏡處分離，其中半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)次反射鏡處采用曼金反射鏡，這樣做可以有效地校正軸外像差，同時(shí)使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效減少了空間占用。紅外光學(xué)系統(tǒng)采用了二次成像式光路結(jié)構(gòu)，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)主次反射鏡后通過(guò)后續(xù)4個(gè)透鏡的像差校正，達(dá)到了系統(tǒng)成像質(zhì)量要求。為了使雷達(dá)波透過(guò)紅外次反射鏡，紅外次反射鏡基底材料選擇石英玻璃，其表面鍍制非金屬介質(zhì)反射膜。

表2 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)出的復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)150mm，最大口徑130mm，滿(mǎn)足外形結(jié)構(gòu)尺寸要求，并且給雷達(dá)系統(tǒng)預(yù)留了充足的空間，可以較好地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的性能。其中半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)焦距80mm，有效接收面積34.55cm2；紅外光學(xué)系統(tǒng)焦距134mm，有效接收面積65cm2。

3.1 半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

根據(jù)前面的分析可知半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)主要考核線(xiàn)性區(qū)內(nèi)的光斑大小及能量分布情況。由于半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)為非成像光學(xué)系統(tǒng)，從幾何光學(xué)角度就可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，通過(guò)Code.V軟件分析了該系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，如圖4所示。從圖中可以看出線(xiàn)性區(qū)內(nèi)光斑大小一致，能量分布均勻，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同樣從幾何能量包絡(luò)圓直徑與能量分布圖可以更直觀(guān)地得出能量分布情況，如圖5所示。

圖2 復(fù)合導(dǎo)引光學(xué)系統(tǒng)光路圖

圖3 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)3D模型

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)上面分析可以得出線(xiàn)性區(qū)內(nèi)的像點(diǎn)能量分布均勻，大小一致均為2.9mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)采用折反二次成像式光路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度達(dá)到了系統(tǒng)成像質(zhì)量要求。而且根據(jù)前面的分析，利用反射元件與折射元件熱差特性相反的原理，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)而言，光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）是比較全面評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的指標(biāo)。因此，我們通過(guò)MTF來(lái)評(píng)價(jià)紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。系統(tǒng)在－45℃～70℃溫度范圍內(nèi)全視場(chǎng)MTF如圖6、7、8所示。

從MTF曲線(xiàn)來(lái)看，系統(tǒng)在不同溫度下成像質(zhì)量均已接近衍射極限，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖5 幾何能量分析

圖6 系統(tǒng)在20℃下的MTF

Fig 6 MTF@20℃

圖7 系統(tǒng)在－45℃下的MTF

圖8 系統(tǒng)在70℃下的MTF

Fig 8 MTF@70℃

4 結(jié)論

本文從原理上闡述了一種多模復(fù)合導(dǎo)引光學(xué)系統(tǒng)的布局形式和設(shè)計(jì)方法，該光學(xué)系統(tǒng)方案具有模式融合度高，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，可以較好地實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)引模式的融合，降低不同模式之間的干擾，有利于提升整體系統(tǒng)性能，具備一定的可實(shí)現(xiàn)性。

[1] 徐春夷. 復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 制導(dǎo)與引信, 2008, 29(1): 19-20.

[2] 王慶華. 國(guó)外多模復(fù)合尋的制導(dǎo)武器裝備與干擾分析[J]. 艦船電子工程，2009, 29(4): 43-46.

[3] 胡博, 常偉軍, 孫婷, 等. 激光半主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2012, 33(2): 403-404.

[4] 項(xiàng)建勝, 潘國(guó)慶, 張運(yùn)強(qiáng). 一種折反二次成像式長(zhǎng)波無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2012, 34(11): 644-647.

A Design of Optical System Composed by Semi-active Laser,Infrared and Radar

QI Yan-long，XIANG Jian-sheng

(,471009,)

A compact optical system composed of semi-active laser, infrared and radar is introduced. The catadioptric structure is used in semi-active laser and infrared system. The signal is launched and received by a parabolic antenna in radar system. The same reflective mirror is used in the three guide models, the signal of semi-active laser and infrared system is split at the reflective mirror, the radar signal and infrared system is split at the second reflective mirror after reflected by the primary mirror. So the three guide models are realized in a compact space.

catadioptric system，parabolic antenna，semi-active laser，composite guide，optical system

TJ760.3

A

1001-8891(2015)07-0588-05

2015-04-08；

2015-05-27。

齊雁龍（1982-），工程師，研究方向：紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail：qiyanlong@126.com。