半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試技術(shù)研究

李 喆， 范衛(wèi)東， 李 源

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009）

0 引言

半導(dǎo)體激光引信是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而實現(xiàn)的一種主動式近炸引信［1］，引信本身發(fā)射激光光束，這一激光光束到達(dá)目標(biāo)發(fā)生反射，部分反射激光被引信接收系統(tǒng)所接收變成電信號，經(jīng)過實時處理實現(xiàn)對目標(biāo)探測［2］。半導(dǎo)體激光引信具有較強(qiáng)的抗外界電磁場干擾的能力，能夠?qū)崟r精確探測目標(biāo)，在空空導(dǎo)彈中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

半導(dǎo)體激光引信光學(xué)系統(tǒng)是半導(dǎo)體激光引信的重要組成部分，高素質(zhì)的、穩(wěn)定的、按指標(biāo)實現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)對引信總體性能的實現(xiàn)是一個基本保障，光學(xué)參數(shù)的各項性能指標(biāo)直接關(guān)系到引信乃至整個武器系統(tǒng)的質(zhì)量，因此對半導(dǎo)體激光引信各項光學(xué)參數(shù)的測試顯得極為重要。半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)主要包括半導(dǎo)體激光發(fā)射系統(tǒng)和接收探測系統(tǒng)的各項參數(shù)，目前在實驗室內(nèi)，對半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試包括發(fā)射光束束散角、發(fā)射光束傾角、接收系統(tǒng)光軸角度、接收系統(tǒng)視場角度測量［4］。本文對半導(dǎo)體激光引信主要光學(xué)參數(shù)測試技術(shù)進(jìn)行了研究分析，通過一種半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)實現(xiàn)了各項光學(xué)參數(shù)的全自動綜合測試。

1 半導(dǎo)體激光引信主要光學(xué)參數(shù)原理

半導(dǎo)體激光引信的探測區(qū)域由發(fā)射光束和接收視場交叉形成，由圖1所示。圖示箭頭指示圓周方向為視野方向，垂直視野方向平面的方向為視場方向。根據(jù)某型武器系統(tǒng)要求，半導(dǎo)體激光引信各個光學(xué)參數(shù)定義如下，角度a：接收系統(tǒng)視場角2°～4°；角度b：發(fā)射光束束散角，60′；角度c：發(fā)射光束傾角90′；角度d：接收系統(tǒng)光軸角度50′～80′；視野角度設(shè)定為±40°。

圖1 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)示意圖

1．1 光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)

光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、擴(kuò)束系統(tǒng)三部分組成，框圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)框圖

半導(dǎo)體激光器在垂直、平行PN結(jié)方向具有一定發(fā)散角。半導(dǎo)體激光器發(fā)光面尺寸在垂直PN結(jié)方向較小，而在平行PN結(jié)方向則要大的多，考慮在易于準(zhǔn)直的垂直PN結(jié)方向進(jìn)行準(zhǔn)直，在平行PN結(jié)方向?qū)馐M(jìn)行擴(kuò)束，以滿足光束束散角的要求。利用Light Tools光學(xué)軟件對該光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，如圖3所示。

圖3 Light Tools光學(xué)軟件對發(fā)射光束仿真圖

1．2 光學(xué)接收系統(tǒng)

圖4（a）為光學(xué)接收系統(tǒng)光路示意圖，整個接收光學(xué)系統(tǒng)由反射鏡1、帶通干涉濾光片2和探測器3組成。反射鏡是整個系統(tǒng)的核心，在視場方向，一定通光孔徑和特定反射面型的反射鏡與探測器相互形成了合乎要求的接收空間視場，回波以不同的角度入射至反射鏡的入口，經(jīng)過反射鏡的反射聚焦在探測器上，如圖4（a）所示。同時，在視野方向光學(xué)接收系統(tǒng)是利用側(cè)面反射面的反射作用來增加視野角度，如圖4（b）所示。

圖4 光學(xué)接收系統(tǒng)示意圖

2 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)原理示意圖、原理框圖，如圖5、圖6所示。它由光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)和測試控制系統(tǒng)兩大部分組成，經(jīng)緯儀裝置用于調(diào)整檢測控制臺臺面水平、被測引信（視野轉(zhuǎn)軸1）與象限轉(zhuǎn)臺（轉(zhuǎn)臺軸2）同軸性和垂直度。

圖5 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)原理示意圖

圖6 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)原理框圖

2．1 光學(xué)發(fā)射參數(shù)測試系統(tǒng)

線陣CCD結(jié)構(gòu)簡單，能夠快速完成光電信號變換實現(xiàn)動態(tài)測量，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，輸出信號經(jīng)過二值化處理可準(zhǔn)確確定物體外形、位置等［5］?；谝陨咸攸c(diǎn)，線陣CCD在精確測量系統(tǒng)中廣泛引用，原理如圖7所示。

圖7 線陣CCD原理示意圖

應(yīng)用前后位置的兩個線陣CCD實現(xiàn)對光學(xué)發(fā)射參數(shù)的測試，采用的線陣CCD具有三色多像元感應(yīng)功能及較高的灰度分辨能力。系統(tǒng)采用如圖8結(jié)構(gòu)的分束棱鏡線陣CCD采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光光束在同一個角度內(nèi)分成兩束同時進(jìn)行測量，分束棱鏡上加裝光闌保證兩個線陣CCD測試光束的一致性，同時采用多像素、微米級像元構(gòu)成的線陣CCD保證測試精度。該采集系統(tǒng)由線陣轉(zhuǎn)臺和線陣高度臺控制保證對發(fā)射光束的精密對準(zhǔn)和大傾角寬光束的測量。

圖8 分束棱鏡線陣CCD采集系統(tǒng)（俯視圖）

2．1．1 發(fā)射光束傾角測試

首先將引信固定在一個與水平面平行的轉(zhuǎn)臺上，CCD線陣系統(tǒng)也需調(diào)整到與水平面平行且正對發(fā)射組件出光面。發(fā)射光束傾角在CCD上成像示意圖如圖9所示。發(fā)射光束在CCD1和CCD2上成像的最大值點(diǎn)與CCD交點(diǎn)分別為1、2，1和2的連線可以視為發(fā)射光束傾角（光軸），1、2兩點(diǎn)在CCD1和CCD2上成像位置高度為hc，hc可由軟件像素差得出；CCD1與CCD2間距為L，L為固定值，由圖9可得

Δhc可測，由上式可得發(fā)射光束傾角c。

圖9 發(fā)射光束傾角在CCD上測試示意圖（側(cè)視圖）

2．1．2 發(fā)射光束束散角測試

由前項測出光束傾角c，微調(diào)CCD接收器傾角c°，使兩CCD垂直光軸。此時發(fā)射光束垂直打到CCD1和CCD2上，由于光束束散角的存在，CCD位置調(diào)整后光束的成像示意圖如圖10，1、2、3、4點(diǎn)由最大能量的1／2處確定。

圖10 CCD位置調(diào)整后光束的成像示意圖（側(cè)視圖）

從圖10可得光束上沿在CCD2和CCD1上成像位置高度差△h1；光束下沿在CCD2和CCD1上成像位置高度差△h2：

L固定，△h1＋△h2可由兩個CCD像素差確定，可得發(fā)射光束束散角b。

2．1．3 實驗結(jié)果及分析

用分束棱鏡CCD線陣采集系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 分束棱鏡CCD線陣采集系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

圖11 線陣CCD測試結(jié)果

發(fā)射系統(tǒng)光束傾角基本與設(shè)計要求相同。但是，發(fā)射系統(tǒng)束散角數(shù)據(jù)有些偏大，分析是由于CCD對半導(dǎo)體激光的響應(yīng)度較高，在計算擬和過程中出現(xiàn)誤差造成。如圖11（1）所示，在光束形狀接近高斯光束時，擬和曲線與光束形狀相近，如圖11（2）所示，在光束形狀不接近高斯光束時，擬合圖形與原圖有一定差別，周邊有一些較大毛刺，會使擬和曲線有一定的展寬，計算角度時截取最大能量值的1／2點(diǎn)，造成了角度計算值出現(xiàn)差別，這需要針對毛刺過大光束采用更有效濾波擬合，使結(jié)果更真實的反映發(fā)射組件光束情況。

2．2 光學(xué)接收參數(shù)測試系統(tǒng)

對光學(xué)接收視場光軸、接收視場大小的確定需要借助外界準(zhǔn)直光源系統(tǒng)，要求該光源系統(tǒng)輸出光束能覆蓋整個接收窗口，保證在變換較大入射角度時還能全部覆蓋，該光束有較好的準(zhǔn)直性，保證經(jīng)過一定光程不會發(fā)散。該系統(tǒng)采用一種長焦距的單透鏡平行光管，實現(xiàn)了高斯光束的準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后光束具有高質(zhì)量的出射波前和均勻的光強(qiáng)分布［6］。圖12是進(jìn)行光學(xué)接收參數(shù)測試的光路示意圖，由平行光管組成的準(zhǔn)直光源系統(tǒng)輸出準(zhǔn)直光束經(jīng)過光源轉(zhuǎn)臺反射變?yōu)榇怪彼矫娴墓馐?，再?jīng)過反射鏡反射形成水平方向光并覆蓋接收窗口，通過光源高度臺和反射鏡的隨動，實現(xiàn)了光路以產(chǎn)品接收窗口為中心的角度變化，完成各個角度的探測器電壓輸出測量。

圖12 接收組件視場方向測試光路圖

2．2．1 光學(xué)接收系統(tǒng)光軸、視場角測試

光學(xué)接收系統(tǒng)各個參數(shù)測量光路示意圖如圖13圖示。系統(tǒng)設(shè)計光源軸與方位轉(zhuǎn)臺軸距離為l，接收窗口中心與光學(xué)平臺臺面高度距離為h。當(dāng)接收系統(tǒng)光軸處于水平位置，反射鏡鏡面中心在接收系統(tǒng)光軸上，反射鏡傾斜角度k1＝＋45°。設(shè)此時鏡面中心高度為0位移。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的視場角α，調(diào)節(jié)反射鏡位移高度為h和傾斜角度為k，h和α值按式（5）、（6）計算得到。

圖13 接收組件光學(xué)參數(shù)測量光路示意圖

根據(jù)軟件控制反射鏡轉(zhuǎn)臺改變反射鏡傾角，實現(xiàn)了光束以產(chǎn)品接收窗口為中心的各個角度入射，連續(xù)測試紀(jì)錄反射鏡傾角和對應(yīng)探測器輸出電壓值，并找出探測器輸出電壓最大值U，并與U值進(jìn)行比較，找出對應(yīng)1／2 U的反射鏡傾角a1和a2，2×（a2－a1）即為該象限接收視場角a。反射鏡傾角與探測器輸出電壓關(guān)系示意圖如圖14所示。

圖14 反射鏡傾角與探測器輸出電壓關(guān)系曲線

圖15 視場方向電壓測試圖

圖15是光學(xué)接收系統(tǒng)某視野角度下的視場方向電壓測試圖，為了得到更為精確光軸位置，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行密測。

2．2．2 實驗結(jié)果及分析

應(yīng)用圖12所示系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

接收機(jī)光軸位置在1°左右，與設(shè)計要求基本吻合，在個別視野角度下偏差有些大，原因與探測器粘接時有微小的凹凸變化有關(guān)；視場角絕對值與設(shè)計要求相比偏小，分析主要與視場邊界定義有關(guān)，如圖15所示，選取U／2與選取U／e時邊界的范圍是不同的，軟件處理方式的改變會影響視場角度的數(shù)值。

3 結(jié)論

通過對半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試技術(shù)的研究分析，深入剖析了各個光學(xué)參數(shù)的含義及機(jī)理，構(gòu)建了一個半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將機(jī)械、光學(xué)與電子三大系統(tǒng)通過計算機(jī)軟件結(jié)合起來，實現(xiàn)了半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)全自動測量以及最終的數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過分析驗證，能夠滿足半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測試要求。

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