錢坤,劉家國,李婷，李軍偉，田文明

(光學(xué)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，精確制導(dǎo)武器使用的比例日益加大，導(dǎo)引頭作為精確制導(dǎo)武器的“眼睛”，起到至關(guān)重要的作用，提高精確制導(dǎo)武器的效能，根本就在于提高其導(dǎo)引頭的性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，單一模式制導(dǎo)的導(dǎo)引頭已不能滿足復(fù)雜戰(zhàn)場中精確制導(dǎo)的要求，而復(fù)合制導(dǎo)把2種或2種以上的制導(dǎo)方式復(fù)合在一起，發(fā)揮2種或幾種制導(dǎo)方式的優(yōu)點(diǎn)，有效對(duì)抗戰(zhàn)場環(huán)境上的各種干擾，提高制導(dǎo)精度，是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。毫米波制導(dǎo)方式穿透煙霧、沙塵能力強(qiáng)，但易受干擾；而紅外制導(dǎo)方式對(duì)毫米波干擾不敏感，但云霧煙塵對(duì)紅外有較強(qiáng)的吸收與衰減，使紅外作用距離有所減小；激光制導(dǎo)是目前制導(dǎo)武器中精度較高的武器，但需要人在回路，且抗干擾及云霧煙塵能力不強(qiáng)[1-3]。因此將上述3種制導(dǎo)方式結(jié)合起來，形成復(fù)合制導(dǎo)，能夠克服某種單一制導(dǎo)方式的不足，適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境和作戰(zhàn)方式，提高武器系統(tǒng)的制導(dǎo)精度。

本文提出一種毫米波/半主動(dòng)激光/紅外成像共口徑三模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠解決3種制導(dǎo)方式的共口徑復(fù)合，最大限度利用光學(xué)口徑，增大作用距離。

1 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)總體布局

復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的總體布局要根據(jù)選擇的導(dǎo)引模式以及總體結(jié)構(gòu)尺寸，還要利于3種模式的復(fù)合，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)緊湊滿足總體尺寸要求[4]。文獻(xiàn)[4]中提出了一種毫米波、半主動(dòng)激光、長波紅外成像3種制導(dǎo)方式“共口徑”的復(fù)合設(shè)計(jì)，但是這種“共口徑”方式只是毫米波和紅外共用主鏡全部口徑，半主動(dòng)激光通道只利用了主鏡邊緣反射的激光能量，這種方式降低了設(shè)計(jì)及裝調(diào)難度，但3種制導(dǎo)方式的觀察基準(zhǔn)仍保持一致，因此這種設(shè)計(jì)方式不失為一種較好的三模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。但是這種激光只利用主鏡邊緣口徑的設(shè)計(jì)還是會(huì)帶來半激光制導(dǎo)通道口徑利用率低，影響此通道的作用距離；并且頭罩后方、次鏡前方需要布置激光反射鏡及激光探測器，對(duì)壓縮光路縱向總長不利，力矩較長，給伺服穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來難度。

針對(duì)文獻(xiàn)[4]的設(shè)計(jì)不足，本文提出一種完全共口徑的三模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思路如下：為最大限度利用口徑且能夠分離3種不同制導(dǎo)方式的能量，總體上采用拋物面天線-卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)復(fù)合的結(jié)構(gòu)方式，主鏡收集入射的3種能量，次鏡上鍍介質(zhì)反射膜，能夠反射紅外能量而使激光和毫米波能量幾乎無損透過，達(dá)到分離紅外能量和激光、毫米波能量目的。考慮分離激光與毫米波能量，由于整體光學(xué)布局采用共用主反射鏡，經(jīng)過主次鏡后兩路能量則會(huì)匯聚在光軸上，焦點(diǎn)呈前后分布。若將激光探測器放置在激光光路焦點(diǎn)位置，則必然會(huì)對(duì)前方毫米波的收發(fā)造成遮擋，影響毫米波探測通道性能，如下圖1所示，因此需要對(duì)激光探測器位置布局進(jìn)行改變。

圖1 激光探測器對(duì)毫米波傳輸路徑遮擋示意圖Fig.1 Laser detection blocking the MMW transmission path

分析半主動(dòng)激光探測原理，是光學(xué)系統(tǒng)將入射激光能量會(huì)聚成一定大小的點(diǎn)光斑入射到激光四象限探測器上，根據(jù)每個(gè)象限元件接收到的能量大小進(jìn)行和差運(yùn)算來確定目標(biāo)相對(duì)光軸偏差?；谶@一原理，考慮將常規(guī)的整體式激光四象限探測器分成4個(gè)分離器件，每個(gè)器件就是一個(gè)象限元件；再采用特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)，引入4個(gè)直角反射光波導(dǎo)，將激光點(diǎn)光斑分成4份分別導(dǎo)入到位于光軸中心邊緣依次相距90°的4個(gè)分離的象限元件上，如下圖2所示。

圖2 激光探測光學(xué)系統(tǒng)總體布局圖Fig.2 Laser detection optical system layout

直角反射光波導(dǎo)采用合適的材料及鍍膜，對(duì)毫米波具有高透過率，對(duì)毫米波探測通道的性能影響小。毫米波經(jīng)主鏡反射，透過次鏡、激光鏡片、光波導(dǎo)后聚焦于位于光波導(dǎo)前方的毫米波饋源上，饋源通過微波波導(dǎo)與主鏡后方電子艙中的毫米波收發(fā)器件連接。

采用上述拋物面天線-卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)復(fù)合的結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，且次反射鏡尺寸較小，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)后，其加工及鍍膜工藝相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)[5]。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合總體指標(biāo)進(jìn)行分析，確定光學(xué)系統(tǒng)的具體指標(biāo)如表1所示。

表1 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main performances of optical system

根據(jù)上述表1指標(biāo)開展光學(xué)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。三模共用主反射鏡，面型為拋物面，紅外探測光學(xué)系統(tǒng)視場角要求為6.4°×4.8°，對(duì)于折反式光學(xué)系統(tǒng)來說較大，軸外像差校正困難。為了到達(dá)要求的成像質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)自由度，增加二次成像鏡組[6]，通過二次成像單元提高設(shè)計(jì)自由度。同時(shí)，次鏡和紅外光路的二次成像系統(tǒng)均采用高次非球面，增加校正像差的變量，從而實(shí)現(xiàn)全視場像質(zhì)良好。激光探測通道屬于能量探測光學(xué)系統(tǒng)，像差控制主要目的是保證聚焦光斑內(nèi)能量分布均勻，因此需要校正彗差、像散、場曲和畸變4種軸外像差[7-9]。球差只影響光斑的大小而不影響其分布對(duì)稱性，控制在一定范圍即可。

整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于激光與毫米波能量的分離以及如何將激光光斑分成4份分別導(dǎo)入到各自的單元象限探測器上，同時(shí)保證毫米波探測性能所受影響較小。首先是次鏡、激光鏡片及直角反射光波導(dǎo)材料的選擇，要保證材料對(duì)1.064 μm激光和毫米波同時(shí)具有高透過率，經(jīng)反復(fù)選擇比較，采用硒化鋅材料，其在1.064 μm波段具有高透過率的同時(shí)，在94 GHz中心頻段內(nèi)損耗角正切tan δ和介電常數(shù)ε較小[10]，對(duì)毫米波的吸收和反射小[11]，可以保證毫米波的高透過率。其次在激光光斑像面上均布4個(gè)直角反射光波導(dǎo)，每個(gè)直角反射光波導(dǎo)將激光光斑1/4的能量多次反射傳導(dǎo)到位于光波導(dǎo)末端的激光單元象限探測器上，實(shí)現(xiàn)激光光斑四等分傳導(dǎo)。為了補(bǔ)償毫米波傳輸經(jīng)過光波導(dǎo)在45°“劈尖”位置時(shí)產(chǎn)生的傳輸路徑差，需要在此位置上再放置4個(gè)與之相補(bǔ)的直角棱鏡，這樣對(duì)于毫米波傳輸路徑形成一個(gè)等厚的平板介質(zhì)，不影響毫米波的焦點(diǎn)位置。激光及毫米波能量分離示意圖如圖3。

圖3 激光和毫米波能量分離示意圖Fig.3 Laser and millimeter wave separation schematic

根據(jù)上述指標(biāo)及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件CODE V中分別對(duì)半主動(dòng)激光光學(xué)系統(tǒng)和紅外光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)得出光學(xué)系統(tǒng)結(jié)果。最后設(shè)計(jì)出的復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)焦距97 mm，系統(tǒng)總長140 mm，中心遮攔比0.4，光學(xué)有效接收口徑88 mm，光路中給毫米波饋源及微波波導(dǎo)留夠了充足布置空間。光路圖如下圖4所示。

光路的三維模型如下圖5所示。

圖4 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)光路圖Fig.4 compound optical system layout

圖5 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)三維圖Fig.5 3D model of compound optical system

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析評(píng)價(jià)

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是光學(xué)系統(tǒng)在特定空間頻率下的強(qiáng)度調(diào)制對(duì)比度傳遞能力的度量，可以綜合評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量[12]。紅外支路的MTF設(shè)計(jì)曲線如圖6所示，從MTF曲線可見全視場成像質(zhì)量接近衍射極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 紅外光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線Fig.6 MTF curve of IR optical system

對(duì)于激光半主動(dòng)探測光學(xué)系統(tǒng)來說，其性能評(píng)價(jià)主要是光斑的能量集中且分布均勻，還要確保光斑的圓度[13-15]。對(duì)上述要求可通過點(diǎn)列圖、幾何包圍能量圖來進(jìn)行評(píng)價(jià)。點(diǎn)列圖可以反映不同視場的光斑大小及能量分布，對(duì)分析光斑分布均勻性有一定指導(dǎo)意義。幾何包圍能量是像直徑函數(shù)的能量百分比，包含100%能量的光斑直徑。圖7給出了0°,1°,1.5°,2°和2.5°視場的光斑點(diǎn)列圖。圖8給出各視場幾何能量包圍曲線。

圖7 激光光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagram of laser optical system

圖8 激光光斑幾何包圍能量Fig.8 Geometric encircled energy of laser spot

從圖7中可以看出，0°,1°,1.5°線性視場內(nèi)光斑能量分布比較均勻，大小基本一致。從圖8可見，0°,1°,1.5°線性視場光斑直徑大小分別為3.99 mm,4.10 mm,4.15 mm，最大偏差量為4%，滿足四象限探測對(duì)光斑尺寸的要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種共口徑毫米波/半主動(dòng)激光/紅外成像三模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，能最大限度利用光學(xué)口徑，結(jié)構(gòu)緊湊，3種模式融合度高、相互間干擾小，能有效提高作用距離，進(jìn)而帶來整體性能的提升。這種設(shè)計(jì)具有工程上較好的可實(shí)現(xiàn)性，可作為多模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考。