吳紅霞 杜繼東 張玉國 楊海龍

(北京振興計量測試研究所，北京 100074)

1 引 言

激光探測設備由于抗干擾能力強、瞄準、捕獲、跟蹤精度高，在現(xiàn)代精確瞄準、捕獲、跟蹤系統(tǒng)中應用越來越廣。在對激光探測設備進行仿真測試過程中，激光目標模擬器是應用到的重要仿真測試設備，而激光目標模擬器的激光功率穩(wěn)定性及均勻性是激光目標模擬器的重要參數[1-3]。在使用激光目標模擬器進行仿真測試時，為保證其模擬的目標特性與真實的激光目標特性相同，確保仿真測試結果的準確性，需要對激光目標模擬器的激光功率穩(wěn)定性及均勻性進行現(xiàn)場校準。

2 方案設計

2.1 總體方案

激光目標模擬器現(xiàn)場功率校準裝置主要由光闌、聚焦光學系統(tǒng)、能量探測單元、時域探測單元、二維位移機構、微型轉臺和控制軟件等組成。其中，時域探測單元包括高速探測器和高速示波器。校準裝置示意圖如圖1所示。

圖1 激光目標模擬器功率現(xiàn)場校準裝置示意圖Fig.1 Power field calibration device for laser target simulator

激光目標模擬器發(fā)出的光通過光闌后，進入聚焦光學系統(tǒng)。在聚焦光學系統(tǒng)后方安裝有能量探測單元，可以直接測得激光目標模擬器輸出的激光輻射能量。在準確測試能量的基礎上，切換高速光電探測器進入光路中，高速光電探測器接收激光目標模擬器輻射的激光輻射并輸出電壓，被后續(xù)示波器讀出后可以準確測得激光的脈沖寬度以及脈沖頻率[4]，校準裝置三維圖如圖2所示。綜合以上測量結果，用校準數學模型(1)和(2)，可分別計算得到激光目標模擬器的輸出光峰值功率以及平均功率值為

(1)

(2)

圖2 激光目標模擬器現(xiàn)場功率校準裝置三維圖Fig.2 Three-dimensional image of laser target simulator field power calibration device

當校準激光目標模擬器輸出功率穩(wěn)定性時，不使用光闌。聚焦光學系統(tǒng)將模擬器發(fā)出的無窮遠處的激光能量匯聚至焦平面處。調整轉臺位置，確保轉臺上的能量探測單元位于聚焦光學系統(tǒng)的焦平面處，從而測得激光目標模擬器的激光輻射能量。調整轉臺角度，使得高速光電探測器進入光路中，測得激光的脈沖寬度以及脈沖頻率。在規(guī)定時間內，多次測得功率值，從而計算出功率穩(wěn)定性[5]。

當校準激光目標模擬器輸出功率均勻性時，需將Φ10光闌放入光路中。移動二維位移機構，使激光目標模擬器出瞳處不同位置對準光闌，測試位置如圖3所示。能量探測單元依次獲取激光能量值后，再根據時域探測單元測得的數據，計算出功率均勻性[6]。

圖3 均勻性測試位置圖Fig.3 Homogeneity test location

2.2 聚焦光學系統(tǒng)設計

聚焦光學系統(tǒng)可以將激光目標模擬器發(fā)出的激光輻射匯聚至焦平面處，在焦平面上形成圓形光斑，如圖4所示。使用時，聚焦光學系統(tǒng)和模擬器鏡頭出入瞳匹配。綜合光學系統(tǒng)的出瞳口徑、光學系統(tǒng)總體長度、出射光束能量均勻性等因素，設計光學系統(tǒng)的相對數值孔徑為2。

圖4 聚焦光學系統(tǒng)光路圖Fig.4 Optical layout chart for focus optical system

依據光學技術指標要求，進行光學仿真設計。光學系統(tǒng)為透射式，在設計過程中，考慮到整體的入瞳距、入瞳口徑、法蘭安裝位置、空間布局等要求，經過反復優(yōu)化，光學系統(tǒng)焦距定為80mm。具體設計結果如圖5和圖6所示，結果數據見表1。

圖5 聚焦光學系統(tǒng)設計結果(MTF圖)Fig.5 Results of focus optical system design (MTF)

圖6 聚焦光學系統(tǒng)設計結果(彌散斑圖)Fig.6 Results of focus optical system design (dispersion pattern)

表1 聚焦光學系統(tǒng)波前誤差函數Tab.1 Wave-front error function in focused optical systems視場光線追跡數彌散斑直徑(RMS)0°視場3160.00840.7視場3160.02611.0視場3160.0505

在光學系統(tǒng)中，空間頻率為40lp/mm處光學傳遞函數大于0.8。采用蒙特卡洛法對光學系統(tǒng)進行公差分析，根據當前加工經驗和裝調技術，能夠保證調試后的光學系統(tǒng)與仿真結果控制在MTF下降0.1之內。光學系統(tǒng)仿真的波前誤差分別為λ/100(0°視場角)，λ/50(0.7倍全視場角)和λ/20(1倍全視場角)。光學彌散斑直徑控制在艾麗斑以內，其實物如圖7所示。

圖7 光學鏡頭實物圖Fig.7 Optical lens physical image

2.3 能量探測單元

能量探測單元選擇卓立漢光公司的激光能量計，其中包含PD10-C和PD10-pj-C兩個探測器和一個數字表，激光能量校準范圍可以覆蓋2nJ～20μJ，當激光模擬器脈沖寬度在(10～100)ns區(qū)間內時，激光目標模擬器峰值功率校準范圍可以覆蓋(10-5～10-1)W。

探測器對激光的探測過程為：首先，探測器吸收激光能量后引起溫度的升高，并且溫度的變化與入射能量的變化相對應；其次，元件通過其溫度敏感特性將溫度變化轉換成相對應的電信號。后續(xù)再經過信號采集及處理等，完成激光能量的獲取[7,8]。

2.4 時域參數測試方案

一般激光目標模擬器對激光時域精度要求極高，因此，必須采取相應措施，保證時域參數被精確校準。在激光時域參數校準中，利用高速探測器結合高速示波器進行測試，測試原理如圖8所示。

圖8 激光目標模擬器時域參數測試圖Fig.8 Test diagram of time domain parameters in laser target simulator

激光目標模擬器發(fā)出的激光，經傳光光纖后，進入高速探測器，由高速探測器將其轉換為高速電脈沖信號，送入示波器，進行測量。本方案中可選用Si PIN光電探測器，其響應時間為1ns。

2.5 微型轉臺

微型轉臺選擇卓立漢光公司的RSA60電動旋轉臺，旋轉臺直徑為60mm，旋轉臺上方安裝有轉接板，轉接板上固定有能量探測單元和高速探測器，如圖9所示。通過控制小型轉臺的旋轉可以切換不同的探測器進行測試。

圖9 微型轉臺組件圖Fig.9 Miniature tunable components

2.6 二維位移機構

二維位移機構使用兩個卓立漢光MAR200-90電動平移臺，如圖10所示。兩個平移臺組合使用，可以在二維方向上移動，移動行程為(0～200)mm，可以覆蓋激光目標模擬器光瞳。

圖10 電動平移臺示意圖Fig.10 Electric translation table

3 結束語

本文設計一種激光目標模擬器功率穩(wěn)定性及均勻性現(xiàn)場校準裝置，給出了總體方案和聚焦光學系統(tǒng)設計及能量探測單元、微型轉臺、二維位移機構等的選型。激光目標模擬器輸出的激光經過校準裝置中的聚焦光學系統(tǒng)后，通過探測器將光信號轉換為電信號，再經信號處理、計算等，得到測試結果。校準裝置可以在現(xiàn)場校準激光目標模擬器的功率穩(wěn)定性及均勻性，對于激光半實物仿真測試具有重要的實際意義和應用價值。