宋巖峰,郝 群,孫衛(wèi)平,劉 灝,李 杰

(1.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西 西安 710065；2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京 100081)

1 引 言

激光半主動制導(dǎo)具有制導(dǎo)精度高、首發(fā)命中率高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、使用方便等特點(diǎn),被公認(rèn)為一種成熟、精確的制導(dǎo)體制,被廣泛應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)武器裝備中[1-2]。激光導(dǎo)引頭作為激光半主動制導(dǎo)武器的關(guān)鍵部件,通過前端光學(xué)系統(tǒng)接收激光照射器照射在目標(biāo)上的激光漫反射回波,并在四象限探測器靶面上形成一定大小的光斑。通過計(jì)算四象限探測器上激光光斑的重心位置,解算出彈目參數(shù)后發(fā)送給制導(dǎo)控制系統(tǒng),從而形成制導(dǎo)回路[3-4]。

光學(xué)系統(tǒng)作為半主動激光導(dǎo)引頭的關(guān)鍵部件,其性能好壞直接影響著導(dǎo)引頭的探測距離和制導(dǎo)精度等重要指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式上,通常有折射式結(jié)構(gòu)和折反式結(jié)構(gòu)等兩種。其中,折射式光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、中心無遮攔、光能損失小、容易實(shí)現(xiàn)大視場、成本較低等。但是,折射式光學(xué)系統(tǒng)存在著光學(xué)元件口徑不宜過大、軸向尺寸較大等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]給出的激光半主動導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng),焦距為21.6 mm,軸向尺寸則達(dá)到了52.8 mm；折反式光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)則是光學(xué)元件相對較少、軸向尺寸較小、口徑容易做大、體積相對更小、重量相對更輕等,更適用于口徑較大、作用距離較遠(yuǎn)的制導(dǎo)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)[5-6],如美軍的AGM-114K“Hellfire”激光半主動反坦克導(dǎo)彈,如圖1所示。

圖1 AGM-114K“Hellfire”激光半主動導(dǎo)引頭

針對某遠(yuǎn)程反坦克導(dǎo)彈激光半主動導(dǎo)引頭的技術(shù)指標(biāo)要求,對折反式激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參量、光斑要求和像差校正等進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了折反式激光半主動激光導(dǎo)引頭的光學(xué)系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)要求

2.1 導(dǎo)引頭戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求

(1)工作波長:1.064 μm；

(2)探測距離:優(yōu)于8 km；

(3)線性視場:不小于±3°；

(4)瞬時視場:±6°；

(5)測角精度:優(yōu)于0.2°；

(6)激光照射距離:不小于2 km；

(7)激光照射能量:不小于50 mJ；

(8)目標(biāo)漫反射率:不小于0.4；

(9)探測器直徑:Φ10 mm；

(10)目標(biāo)視線與導(dǎo)引頭光軸的夾角:不大于45°。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)決定了光學(xué)系統(tǒng)的性能,影響著導(dǎo)引頭的探測距離、搜索和跟蹤能力,以及導(dǎo)引頭的測角精度,從而影響到激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能。激光半主動導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)包括有效通光口徑和系統(tǒng)焦距等。

(1)有效通光口徑

探測距離作為激光制導(dǎo)武器的關(guān)鍵參數(shù),直接影響著制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)性能。激光導(dǎo)引頭的探測距離不僅與激光照射系統(tǒng)、導(dǎo)引頭接收系統(tǒng)的性能有關(guān),還和目標(biāo)的漫反射率以及大氣消光系數(shù)等有關(guān)[7]。激光導(dǎo)引頭探測器接收到的激光回波信號功率Pr可通過以下公式進(jìn)行估算:

(1)

式中,Qt為照射激光脈沖能量；τt為照射激光脈沖寬度；ρ為目標(biāo)反射率；R1為激光目標(biāo)指示器與目標(biāo)之間距離；R2為導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間距離；α為大氣消光系數(shù)；Ar為導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑面積；Tr為導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)透過率；θ為目標(biāo)視線與導(dǎo)引頭光軸的夾角。

假設(shè)照射激光脈沖能量Qt=0.05 J,垂直靶面進(jìn)行照射；照射激光脈沖寬度τt=15 ns；目標(biāo)反射率ρ=0.4；激光目標(biāo)指示器與目標(biāo)之間距離R1=2 km；導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間距離R2=8 km；大氣消光系數(shù)α=0.12；導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑Φ65 mm,即Ar=33.2 cm2；導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)透過率Tr=0.3；目標(biāo)視線與導(dǎo)引頭光軸的夾角θ=45°,可以估算激光回波信號功率Pr值為1.4×10-6W。

光電探測器的探測靈敏閾值表明探測器所能探測到的最小脈沖功率,單位W。目前,四象限光電探測器的探測靈敏閾值優(yōu)于1×10-7W。因此,系統(tǒng)有效通光孔徑應(yīng)不小于Φ65 mm。為了壓縮系統(tǒng)的軸向長度,本系統(tǒng)采用折反式結(jié)構(gòu)。

折反式光學(xué)系統(tǒng)的有效入瞳面積S為:

(2)

式中,D1為主反射鏡口徑；D2為次反射鏡口徑。

光學(xué)系統(tǒng)的有效入瞳直徑D為:

(3)

假設(shè)D1=80 mm,D2=40 mm,那么光學(xué)系統(tǒng)的有效口徑D=69.3 mm,大于65 mm,可以滿足系統(tǒng)8 km的探測距離要求。

(2)系統(tǒng)焦距

對于激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈,從目標(biāo)方位測角精度來考慮,其光學(xué)系統(tǒng)的瞬時視場越小越好；從導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)能力方面考慮,光學(xué)系統(tǒng)瞬時視場較大為好。因此,光學(xué)系統(tǒng)的瞬時視場要同時考慮以上兩個因素對導(dǎo)引頭整體性能的影響。

依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)要求,系統(tǒng)瞬時視場要求為2ω=±6°,選擇的探測器直徑Dd=10 mm,可以計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)焦距f′:

(4)

2.3 激光光斑要求

激光半主動制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)屬于非成像系統(tǒng),但是光學(xué)系統(tǒng)的像差可能會引起激光光斑位置產(chǎn)生偏差以及能量的分布不均,從而影響導(dǎo)引系統(tǒng)的測角精度。

因此,激光半主動導(dǎo)引頭對其光學(xué)系統(tǒng)的光斑也提出了相應(yīng)的要求[8-9]:

(1)通常情況下,激光光斑直徑要求為探測器光敏面直徑的一半。在線性視場范圍內(nèi),四象限探測器要求激光光斑均有分布,且四個象限均有響應(yīng)。激光光斑直徑越小,線性區(qū)雖然越大,但是測角精度則會越低；光斑直徑越大,線性區(qū)則越小,可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤產(chǎn)生影響。

(2)光斑能量分布要求均勻。光斑能量分布不均會使得解算光斑中心位置產(chǎn)生偏差,從而影響系統(tǒng)的測角誤差。

(3)確保光斑的圓度,即光斑應(yīng)為圓形。如果光斑不圓,由于形狀的不均而產(chǎn)生光斑位置誤差,從而影響測角精度；

(4)線性視場內(nèi)要求光斑穩(wěn)定。線性區(qū)不同視場,四象限探測器要求光斑大小一致。國內(nèi)四象限激光探測系統(tǒng)要求光斑穩(wěn)定性一般為3 % ～ 5 %,國外一般要求優(yōu)于3 %。

3 折反式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)選型

在各種飛行器和導(dǎo)彈的搜索跟蹤系統(tǒng)中,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化是設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn),R-C雙反射光學(xué)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量輕、大口徑等優(yōu)勢成為主要選擇[10]。為了避免使用非球面,R-C雙反射光學(xué)系統(tǒng)主反射鏡設(shè)計(jì)為球面反射鏡；同時,將次反射鏡簡化為平面反射鏡,以降低次反射鏡裝調(diào)的復(fù)雜程度。但是,在不使用非球面的情況下,兩反射鏡式光學(xué)系統(tǒng)難以保證系統(tǒng)視場和像差校正。因此,本系統(tǒng)在次反射鏡后距離像面附近增加校正透鏡元件,從而保證系統(tǒng)像差校正有著足夠的變量和校正后的光斑質(zhì)量。由于校正透鏡元件處在會聚光路中,其尺寸比系統(tǒng)口徑小得多。另外,為了提高光學(xué)系統(tǒng)的抗干擾性能,在光路中加入消雜散光光欄和窄帶干涉濾波片,以減弱或消除背景光及雜散光對目標(biāo)方位測角精度的影響。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 折反光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 像差校正的考慮

半主動激光制導(dǎo)武器通常工作在單一激光波長,且在接收光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置了窄帶濾波片。因此,激光制導(dǎo)武器的接收光學(xué)系統(tǒng)像差校正通常只考慮單色像差,包括球差、彗差、像散、場曲和畸變等。其中,球差為軸對稱性像差,不影響激光光斑的均勻性,只影響彌散斑的大小,在光學(xué)設(shè)計(jì)中對球差大小和離焦量進(jìn)行控制得到要求大小的光斑；彗差、場曲和像散,作為軸外像差,對光斑形狀和均勻性有一定的影響；畸變的存在則對導(dǎo)引頭測角解算的正確性產(chǎn)生影響。因此,這幾種像差需在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行綜合考慮。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果及質(zhì)量評價

綜合激光導(dǎo)引頭的總體技術(shù)要求,依據(jù)選定的四象限探測器特征參數(shù),對激光半主動導(dǎo)引頭折反式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),主要參數(shù)如下:有效焦距47.5 mm,有效入瞳口徑70 mm(主反射鏡直徑80 mm,次反射鏡直徑40 mm),相對孔徑0.67,軸向長度51.5 mm,離焦0.25 mm,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

點(diǎn)列圖可以反映不同視場的光斑大小和能量分布,對分析光斑分布均勻性有重要的指導(dǎo)意義。圖4分別給出了線性視場內(nèi)0°、1°、2°和3°視場的光斑點(diǎn)列圖?？梢钥闯?各視場光斑直徑大小均為Φ5 mm(探測器光敏面直徑Φ10 mm,光斑直徑要求為光敏面尺寸的一半),穩(wěn)定且分布均勻,滿足四象限探測對光斑尺寸和光斑質(zhì)量的要求。

圖5分別給出了瞬時視場0°、1°、3°、4°、5°和6°的光斑點(diǎn)列圖?？梢钥闯?光斑直徑最大變化量約0.08 mm,光斑直徑穩(wěn)定性優(yōu)于2 %。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 線性區(qū)不同視場點(diǎn)列圖

圖5 不同視場點(diǎn)列圖

光線足跡圖可以顯示不同視場光斑在探測器光敏面的位置,直觀得出光斑和探測器中心的相對位置。圖6分別給出了0°、1°、2°和3°視場的光斑痕跡圖。可以看出,視場為3°時,光斑邊緣與探測器邊緣重合,滿足線性視場±3°的系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖6 光線足跡圖

包圍圓能量曲線表示光斑能量隨光斑直徑的分布情況。圖7給出了0°、1°、2°和3°視場的包圍圓能量曲線?？梢钥闯?整個線性視場的光斑能量分布均勻一致。

圖7 包圍圓能量曲線

畸變不僅影響不同視場光斑直徑穩(wěn)定性和光斑能量分布穩(wěn)定性,還直接決定著系統(tǒng)的線性度,是激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)指標(biāo)。圖8給出的畸變曲線表明,本系統(tǒng)線性區(qū)畸變可控制在0.2 %以內(nèi),滿足此類光學(xué)系統(tǒng)畸變通常在0.5 % 之內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。

圖8 系統(tǒng)畸變曲線

4 結(jié) 論

依據(jù)半主動激光導(dǎo)引頭的總體指標(biāo)要求,分析、計(jì)算了折反式激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選型,分析了激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的像差和光斑要求,進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,整個線性視場范圍內(nèi),折反式激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)光斑直徑穩(wěn)定無變化,能量分布均勻一致；瞬時視場范圍內(nèi),光斑直徑穩(wěn)定性優(yōu)于2 %。設(shè)計(jì)結(jié)果很好地滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,為激光半主動導(dǎo)引頭的下一步研制奠定了良好基礎(chǔ)。