尹 娜，張運強,2

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激光主動/紅外共口徑復合成像光學系統(tǒng)設(shè)計

尹 娜1，張運強1,2

（1. 中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2. 航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009）

提出了一種適用于彈載環(huán)境的主動激光成像/紅外成像同軸共口徑復合光學系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計完成了能夠?qū)崿F(xiàn)大視場掃描且具有優(yōu)良成像質(zhì)量的共口徑復合光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了半角掃描機構(gòu)在俯仰和偏航方向?qū)崿F(xiàn)±15°掃描視場，并在－50℃～50℃溫度范圍內(nèi)全視場成像質(zhì)量接近衍射極限。

主動激光/紅外成像；共口徑復合；半角掃描

0 引言

隨著光電對抗技術(shù)的進步，面源、伴飛等紅外干擾彈相繼出現(xiàn)，對采用單一導引體制的紅外制導導彈形成了嚴重威脅。為了確保紅外導彈在戰(zhàn)場上的生存能力和攻擊的有效性，采用激光主動成像與紅外成像復合技術(shù)，利用主動激光脈沖穿透大面積干擾煙霧照射目標，獲得潛在目標的強度像和距離像，實現(xiàn)目標與誘餌的識別，從而提高紅外導彈近距抗多點源人工誘餌干擾成功概率。主動激光成像與紅外成像復合已成為多模制導導彈的一個發(fā)展趨勢[1]。

基于上述需求，本文提出了一種適用于大視場彈載光學系統(tǒng)的同軸共口徑復合光學系統(tǒng)設(shè)計方案。同軸共口徑復合方式相對于分口徑復合方式一方面能夠大幅度降低導彈的體積和重量，簡化硬件結(jié)構(gòu)，另一方面也會提高光學系統(tǒng)設(shè)計和裝調(diào)難度；相對于共口徑不同軸復合方式它能夠?qū)崟r確保主動激光與紅外系統(tǒng)作用目標的一致性，有效避免丟失目標的可能。本文在合理方案論證的基礎(chǔ)上設(shè)計完成了能夠滿足彈載環(huán)境使用的、可得到足夠掃描視場的、具有優(yōu)良成像質(zhì)量的共口徑復合光學系統(tǒng)。

1 同軸共口徑復合方案

主動激光成像和紅外成像同軸共口徑復合包括了激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收成像系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)三者之間的彼此同軸共口徑。

首先主動激光發(fā)射和接收系統(tǒng)同軸共口徑意味著發(fā)射光路將占用部分接收口徑，則有可能造成接收光能的損失。在這種情況下卡塞格林結(jié)構(gòu)具有天然的優(yōu)勢[2]。如圖1所示，在次鏡后端安置激光發(fā)射光路，這樣既可實現(xiàn)激光發(fā)射與接收同軸，又不會造成接收能量被遮擋。但是卡塞格林系統(tǒng)本身瞬時視場較小，而為保證足夠的作用距離其接收口徑又偏大，很難通過掃描的方式獲得較大的視場，因此無法滿足大視場彈載光學系統(tǒng)要求。

圖1 卡塞格林結(jié)構(gòu)示意

為滿足大視場要求，在透射式二次成像光學系統(tǒng)中利用平面反射鏡構(gòu)建半角機構(gòu)，通過反射鏡的擺動在俯仰和偏航方向獲得足夠大的掃描視場，見圖2。其中發(fā)射光路置于半角運動機構(gòu)之外，激光經(jīng)反射鏡折轉(zhuǎn)，通過固定反射鏡的中心通孔，到達半角機構(gòu)轉(zhuǎn)動樞軸中心，再通過擺鏡反射并隨擺鏡轉(zhuǎn)動沿接收系統(tǒng)光軸出射，從而實現(xiàn)激光發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)同光軸共口徑復合。這種復合方式滿足了大視場要求，但不可避免的給激光和紅外接收系統(tǒng)帶來了能量損失，損失能量的多少取決于固定反射鏡上所開的通孔的直徑。好在導彈用主動發(fā)射激光一般口徑和束散角都很小，在激光器距離固定反射鏡足夠近的情況下，能量損失可以得到有效控制。

圖2 透射式掃描結(jié)構(gòu)示意

2 光學系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分為激光與紅外接收成像系統(tǒng)和激光發(fā)射系統(tǒng)兩部分完成。

2.1 接收成像系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 激光和紅外接收成像系統(tǒng)設(shè)計要求

1）波段：激光1.064mm，紅外3～5mm；

2）視場：激光1°×1°，紅外3.6°×3°；

3）探測器：激光探測器像元中心距200mm，像元數(shù)32×32；紅外探測器像元中心距30mm，像元數(shù)320×256；

4）掃描場：偏航和俯仰方向±15°；

5）工作溫度范圍：－50℃～50℃。

根據(jù)以上要求可計算得紅外和激光接收成像光學系統(tǒng)的焦距分別為150mm和366mm。

2.1.2 掃描鏡組的消色差和熱差設(shè)計

掃描鏡組作為該系統(tǒng)的望遠物鏡其成像質(zhì)量幾乎決定了整個系統(tǒng)的分辨能力，因此在最小重量、體積和可用材料的限制下完成其色差和熱差的合理平衡將成為系統(tǒng)像差校正的關(guān)鍵。1.064mm與3～5mm雙波段可用透鏡材料非常有限。常用材料中能夠同時滿足兩個波段透過率要求的材料有硒化鋅、多光譜硫化鋅、氟化鈣和氟化鋇。圖3為幾種常用紅外材料的T-C圖，其中＝Dt/為規(guī)劃熱差系數(shù)，＝D/為色差系數(shù)[3]。

推進生態(tài)清潔小流域工作是建設(shè)美麗首都的重要抓手……………………………………………………… 楊進懷(2.42)

圖3 常用紅外材料T-C圖

密接薄透鏡消色差方程：

密接薄透鏡消熱差方程（無窮遠物）：

式中：為鏡筒材料的熱膨脹系數(shù)。

聯(lián)立方程組(1)、(2)得到對于物在無窮遠的密接正負薄透鏡組，同時消色差和熱差的條件為：

即二透鏡材料在-圖上連線經(jīng)過軸上由鏡筒材料膨脹系數(shù)決定的－點。

由圖3可知，在硒化鋅、硫化鋅、氟化鈣和氟化鋇這幾種材料中不存在滿足方程(3)的透鏡組合，但同時也可以看到若對硒化鋅或硫化鋅正透鏡使用衍射面型，使其具有負的色散系數(shù)，亦有可能與氟化鈣或氟化鋇正透鏡搭配得到滿足雙消條件的正正透鏡組合。且兩個正透鏡還可以互相分擔光焦度，減小透鏡的曲率從而降低單色像差。此外也可以通過增加透鏡數(shù)量得到滿足雙消條件的組合。但是考慮到掃描鏡組與擺鏡一同轉(zhuǎn)動成為電機負載，為降低轉(zhuǎn)動力矩掃描物鏡組應(yīng)質(zhì)體小輕。因此本設(shè)計中掃描物鏡組采用了由帶有衍射面的硒化鋅透鏡和氟化鈣透鏡。使用衍射元件必須考量其在1.064mm和3～5mm雙波段的衍射效率。根據(jù)探測器的光譜響應(yīng)能力，紅外系統(tǒng)主波長取4.25mm。按照諧衍射理論[4]，當衍射透鏡在4.25mm的1級衍射取得極大衍射效率時，其在1.064mm的4級衍射將取得極大衍射效率。理論計算雙波段理論衍射效率均可達92%以上，能夠滿足使用要求。

由物鏡組接收的紅外和激光能量經(jīng)反射鏡折轉(zhuǎn)后通過中繼鏡組到達分光器件，再通過各自的成像鏡組成像在相應(yīng)的探測器上。分光器件要在高效分束的同時完成激光光路90°折轉(zhuǎn)，在目前的工藝條件下45°傾斜平板成為最優(yōu)選擇。我們知道平行平板在非平行光路中具有除場曲之外的所有像差，尤其是像散難以由常規(guī)透鏡進行補償，因此需要在系統(tǒng)中構(gòu)建平行或近似平行光路以最大程度降低平板像差影響，中繼鏡組的主要功能即為為其后的分光平板構(gòu)建近似平行光路，同時由于中繼鏡組距離一次像面很近，它還有很好的平場曲控畸變的功能。本系統(tǒng)中繼鏡組采用了兩片硫化鋅透鏡，分光平板采用了鍍有高效分光膜層的鍺平板，而激光成像鏡組和紅外成像鏡組則分別采用了K9玻璃和硅鍺等紅外晶體。最后設(shè)計完成的激光和紅外接收成像系統(tǒng)如圖4所示。

2.2 激光發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

由激光器發(fā)出的高斯激光需經(jīng)過準直擴束降低束散角，以保證在經(jīng)過一定工作距離后激光照射能量能夠覆蓋典型目標且不至于過分發(fā)散造成多數(shù)能量損失。本系統(tǒng)要求將由激光器發(fā)出的高斯激光由散角束4mrad準直到束散角≤1mrad。

我們知道高斯光束可由望遠系統(tǒng)進行準直，且其束散角壓縮比等于望遠系統(tǒng)擴束比的倒數(shù)[5]。前方掃描物鏡組焦距已由接收成像系統(tǒng)確定為321mm，則設(shè)計一個焦距約為80mm的負透鏡與之構(gòu)成一個4倍伽利略望遠系統(tǒng)，即可滿足系統(tǒng)的準直要求。實際設(shè)計中我們采用了一個焦距為82mm的BK7負透鏡，最后設(shè)計完成的激光發(fā)射系統(tǒng)見圖4。

2.3 設(shè)計結(jié)果

光學系統(tǒng)光路圖如圖4所示，紅外成像系統(tǒng)、激光成像系統(tǒng)與激光發(fā)射系統(tǒng)在掃描過程中時刻保持同光軸共口徑。固定反射鏡上所開通孔直徑7mm，反射鏡直徑56mm，經(jīng)計算由開孔造成的能量損失百分比為3%，經(jīng)評估能夠滿足作用距離要求。

圖4 設(shè)計完成的光學系統(tǒng)光路圖

Fig.4 Designed optical system

光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量見以下各圖，其中圖5為紅外成像系統(tǒng)點列圖，圖6位為激光接收成像系統(tǒng)的點列圖，圖7為激光發(fā)射系統(tǒng)傳函圖。由圖可見，紅外成像系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)在全溫度范圍、全視場像斑均小于一個像素大小，激光發(fā)射系統(tǒng)的傳函亦接近衍射極限。

圖5 紅外成像系統(tǒng)點列圖

圖6 激光接收系統(tǒng)點列圖

3 結(jié)論

本文結(jié)合紅外導彈抗面源干擾需求，提出了一種主動激光成像與紅外成像同軸共口徑復合光學系統(tǒng)設(shè)計方案，通過在透射式二次成像光學系統(tǒng)中構(gòu)建半角掃描機構(gòu)實現(xiàn)俯仰和偏航方向±15°掃描，在－50℃～50℃溫度范圍內(nèi)設(shè)計得到了具有優(yōu)良成像質(zhì)量的激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收成像系統(tǒng)和紅外成像系統(tǒng)，為主動激光與紅外同軸復合導引頭的研制提供了一種新思路。

圖7 激光發(fā)射系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

[1] 遆小光, 姚郁, 周鳳岐. 共口徑紅外/激光雙模成像導引頭研究[J]. 紅外與激光工程, 2005, 34(5): 597-581.

DI Xiaoguang, YAO Yu, ZHOU Fengqi. Common aperture IR/Ladar dual-mode imaging seeker system[J]. 2005, 34(5): 597-581.

[2] 左保軍, 況耀武. 紅外/激光雙模導引頭的光學系統(tǒng)[J]. 紅外與激光工程, 2009, 38(3): 495-499.

ZUO Baojun, KUANG Yaowu. Optical design of the IR/ladar dual-mode seeker[J]., 2009, 38(3): 495-499.

[3] 胡玉禧, 周紹祥, 楊建峰, 等. 紅外系統(tǒng)的光機熱一體化設(shè)計[J]. 紅外技術(shù), 2000, 22(2): 32-35.

HU Yuxi, ZHOU Shaoxiang, YANG Jianfeng, et al. The optical- mechanical integrated design of a thermal infrared optics[J]., 2000, 22(2): 32-35.

[4] 金國藩, 嚴瑛白, 鄔敏賢, 等. 二元光學[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1998.

JIN Guofan, YAN Yingbai. WU Minxian, et al.[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1998.

[5] 翁開華, 劉金清. 激光準直系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 福建師范大學學報, 2001, 17(2): 35-38.

WENG Kaihua, LIU Jinqing. Laser collimated system designing[J].(), 2001, 17(2): 35-38.

Design of an Active Laser/Infrared Common Aperture Compound Imaging Optical System

YIN Na1，ZHANG Yunqiang1,2

(1.,471009,; 2.,471009,)

A scheme of active laser/IR common aperture compound imaging optical system which can be applied for wide-field-of-view missile-borne system was proposed. The system got a ±15°scanning field in pitch and yaw with a half-angle scanning mechanism and good imaging quality close to diffraction limit within the temperature range of －50℃-50℃.

active laser/IR imaging，common aperture compound，half-angle scanning

TN216

A

1001-8891(2016)01-0077-04

2015-08-10；

2015-12-25.

尹娜（1981-），女，漢，碩士，光學工程師，主要從事紅外光學系統(tǒng)設(shè)計工作。