大視場四象限探測光學系統設計

薛珮瑤，吳 耀，馮 茜，李 川

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450047)

1 引言

將激光制導技術應用于傳統炮彈，是炮彈技術發展的飛躍，可以使炮彈“長了眼睛”。加上激光導引頭制導后，可使炮彈的命中率得到顯著提高。同時，與造價高昂的紅外或電視制導相比較，激光制導炮彈以其低成本和高精度的顯著優勢得到快速發展，在多次戰爭中發揮了重要作用。“銅斑蛇”和“紅土地”是激光制導炮彈的典型代表。美國研制的“銅斑蛇”半主動激光制導炮彈，是一種155 mm口徑的炮彈，命中精度為0.4～0.9 m。俄羅斯研制的“紅土地”激光制導炮彈在性能上較“銅斑蛇”更勝一籌。該炮彈由152 mm火炮發射，采用了火箭增程，射程超過22 km，命中概率高達 90%［1］。以色列研制的“火球”120 mm激光制導迫擊炮彈，與目前正在大量部署的地基和天基激光指示器一起使用，圓概率誤差約1 m。鑒于激光制導炮彈的高命中精度和低成本，使得它在近40多年來得到各國軍方的重視，得到飛速發展。我國激光制導炮彈的發展歷程主要是仿制俄羅斯早期的“紅土地”，目前已經定型。但是該型號激光制導炮彈成本較高，而且是俄羅斯早期激光制導產品。隨著激光技術的發展和戰場需求的提高，研制更高性價比、更符合作戰需求的激光制導武器具有重要的軍事意義。捷聯式激光半主動導引頭相對于其它幾種激光半主動導引頭雖然精度相對稍低，但它具有成本低、可靠性高、結構簡單、體積小、抗過載能力強、技術成熟等優點，是消耗型精確打擊炮彈的理想選擇［2］。

四象限探測器、多元探測器(如CCD)和紅外探測器是光學跟蹤中普遍采用的3種位置傳感器，其探測機理不同。前者屬于主動能量探測(非成像)，光學像質不要求達到衍射極限，鏡片數量少、體積小、價格低。后兩者均是被動成像探測［3］，光學像質都要求達到衍射極限，鏡片數量多、體積大、價格高，故國內外一般均采用四象限光電探測器作為精跟蹤和通信光接收器［4］。

四象限探測光學系統起著收集、會聚激光能量的作用，探測器接收目標反射的激光信號，將微弱光信號轉換為電信號，通過分析光斑在探測器光敏面上的分布狀況來獲取目標的位置信息，實現對目標的跟蹤和逼近［5］，具有位置分辨率高、響應速度快等優點，在衛星光通信中的高精度APT技術、激光半主動導引頭、激光自動跟蹤等各個領域得到了廣泛應用［6］。國內四象限探測光學系統視場可達±15°，但線性區較小。研制大視場、大線性區、高精度測角、小型化、可靠性、工程實現容易的捷聯導引頭是對導引頭性能改進的方向之一。

某四象限探測光學系統具有如下特點:

(1)線性視場較大:±6°;

(2)線性視場內光斑能量分布均勻;

(3)體積小型化，結構緊湊、重量輕。

本文基于ZEMAX軟件完成四象限探測光學系統設計，依據設計結果完成系統的加工裝配及性能測試。測試結果表明，激光探測系統線性視場為±6°，測角精度優于0.15°，并根據實測數據擬合出目標角度(視場)—輸出特性曲線，實測曲線和理論曲線符合，結果表明該光學系統設計正確，滿足系統使用要求。

2 四象限探測器探測原理

四象限探測器的光敏面窗口分布為4個面積相等、形狀相同、位置對稱的四個象限，每個象限為一個光電器件，照射在光敏面上的光斑被四個象限分為4個部分，對應輸出不同幅度的電信號，然后利用和差電路來測定目標相對于光軸的偏移量大小和偏移量方位，其基本探測原理如圖1所示［7-9］。

圖1 四象限探測器原理圖Fig.1 Operating principle diagram of four-quadrant detector

圖中探測器直徑尺寸為2R;光斑直徑尺寸為2r;(x，y)為光斑的中心點坐標;探測器4個象限分別用A、B、C、D表示。通常4個探測器相互獨立，位于直角坐標系4個象限中，每個探測器代表一個象限，能接收一定的光能量，輸出一定的光電壓，輸出電壓大小與探測器接收的光功率成比例，對應的輸出信號為VA、VB、VC和VD。照射在光敏面上的光斑被4個象限分為4個部分，對應輸出不同幅度的電信號，方位和俯仰兩個方向的誤差信號為VX、VY:

式中，k為電路放大系數。如果四象限探測器光敏面接收到的光斑能量分布均勻且四個象限特性一致，則方位和俯仰兩個方向上的誤差信號僅取決于各象限上的光斑面積之差。

通過式(1)和式(2)便可以求出目標方位和俯仰偏移角α和β:

式(3)、(4)中，f是光學系統的焦距。

3 光學系統設計

3.1 對光學系統的要求

3.1.1 對光敏面接收光斑的要求

四象限探測器是通過四個象限的光斑面積進行信號處理從而求出目標的方位和俯仰偏角，因此對光斑有特殊的要求［10］，主要包括兩個方面:首先是光斑能量的均勻性。由四象限探測原理可知探測器在信號處理時是基于光斑能量分布均勻為前提，因此為了保證探測精度，不同視場光斑能量分布必須均勻;其次是光斑直徑大小。根據式(1)和式(2)，光斑面積不能比探測器面積大;另外光斑面積也不能太小，通常光斑直徑尺寸2r為探測器直徑尺寸2R的一半［11］。結合工程實際經驗，即探測器響應度差異，光斑直徑應稍大于探測器直徑尺寸，這樣可在測量范圍內使測量偏差保持在合理的限度內［12-13］。另外線性視場范圍內各個視場光斑直徑尺寸應大小一致，偏差量控制在5%以下。總之，回波光斑尺寸與光學系統視場大小密切相關，要結合探測器的幾何尺寸以及系統的靈敏度和角跟蹤誤差的要求，通過優化光學系統的設計來進行合理選擇。

3.1.2 對光學系統像差要求

實際光學系統都存在一定像差，在設計時必須對其進行控制，對四象限探測光學系統進行像差控制最主要的目的是保證聚焦光斑內能量分布均勻。系統中目標指示器光源都是波段較窄的激光器，在探測接收光學系統中會加入窄帶濾光片，因而不存在色差，只需要考慮球差、彗差、像散、場曲、畸變等5種單色像差。球差影響光斑的大小而不影響其分布對稱性;彗差、像散、場曲和畸變這4種像差的產生將影響光斑分布的均勻性［14-16］。但需要注意的是激光制導四象限探測光學系統是能量探測系統，屬于大像差系統，主要作用是接受能量，因此需校正的像差和評價方法不同于成像系統。成像光學系統優化設計方法是以尋找最小光學彌散斑為目標，而不考慮能量分布是否均勻。激光探測光學系統在優化設計時，要摒棄光學設計軟件的自動優化功能，人為地加入操作數去校正球差之外的那4種非對稱像差，以達到優化光線非對稱性的作用［17］。對于球差，首先在光斑聚焦焦面位置處將其控制在合理的范圍內，然后調節四象限探測器離焦距離，使線性視場范圍內各個視場光斑直徑尺寸滿足四象限探測光學系統對光斑尺寸的要求。

3.2 光學系統設計

3.2.1 光學系統技術指標

(1)波長λ:1 064 nm;

(2)通光口徑D:≥Φ20 mm;

(3)視場2ω:±12°;

(4)線性視場2ω':±6°;

(5)角精度:優于0.3°;

(6)光敏面尺寸:Φ10 mm。

3.2.2 設計結果

光學系統設計時盡可能簡化其結構形式、減輕重量。根據指標要求，利用ZEMAX軟件進行優化設計，最終采用兩片材料為ZF2的單透鏡片實現系統12°(±6°)大線性視場指標，并將濾光片放置在兩片單透鏡之間，減小了濾光片入射角度，降低了濾光片的設計加工難度，保證了波長的穩定性，降低了成本。設計結果如圖2所示。

圖2 光學系統三維圖Fig.2 3D optical diagram

光學系統入瞳D為22 mm，F數為0.8，系統總長為23 mm，總質量為18.4 g。通過優化透鏡曲率半徑和鏡片間的距離來減小5種單色像差，同時為了減小不同視場光斑大小的差異性，在第一個透鏡的第一面使用了二次非球面。

3.2.3 像質評價

探測光學系統主要關注光斑能量分布均勻性，因此不能用成像系統的傳統評價方法，一般主要是通過點列圖、光線足跡圖、包圍能量分布圖來評價。

(1)點列圖

點列圖可以反映不同視場的光斑大小及能量分布，對分析光斑分布均勻性有一定指導意義，圖 3分別給出了 0°、3°、6°、8°和 12°視場的光斑點列圖。

圖3 光學系統點列圖Fig.3 Spot diagram of optical system

從圖3 中可以看出，0°、3°、6°、8°和 12°視場光斑直徑大小分別為 7.1、7.25、7.3、7.3、7.3 mm，最大偏差量小于3%，且光線分布比較均勻，滿足四象限探測對光斑尺寸的要求。

(2)光線足跡圖

光線足跡圖主要是為了顯示不同視場光斑在探測器光敏面的位置，可以直觀地得到光斑和探測器中心的相對位置，圖4分別給出了0°、6°和12°時光斑的痕跡圖。

圖4 光斑痕跡圖Fig.4 Spots footprint

由圖4可以看出，視場為6°時，光斑邊緣剛好和探測器邊緣重合，滿足線性視場±6°的指標要求。

(3)包圍能量分布曲線

圓內能量是像直徑函數的能量百分比，包含80%能量的圓的直徑。圖5給出了不同視場下光斑包圍能量分布曲線。

圖5 不同視場包圍能量曲線Fig.5 Encircled energy curves for different fields

由圖5可以看出，各視場光斑能量的分布均勻一致，可以較好地滿足系統的使用要求。3.2.4 系統仿真

利用TracePro光學分析軟件，進行仿真建模分析，如圖6 所示。分別對 0°、3°、6°視場追跡光線，得到不同視場探測器上的光斑分布情況，如圖7所示。

圖6 系統仿真Fig.6 System simulation

圖7 不同視場光斑分布情況Fig.7 Spots distribution for different fields

由圖7可以看出，仿真結果與設計結果一致，各視場光斑能量分布較均勻，設計結果可行，可較好地滿足系統的使用要求。

4 實驗測試

完成四象限探測光學系統加工裝配后，利用1 064 nm光源、平行光管、精密轉臺和示波器搭建實驗平臺，對系統進行線性視場測試。光學系統和探測器均關于方位軸和俯仰軸對稱，在系統測試時可將目標和四象限探測系統俯仰調平，只改變目標方位角觀測探測系統輸出特性。實驗系統原理圖如圖8所示。

圖8 實驗系統原理框圖Fig.8 Principle diagram of testing system

4.1 線性視場測試

1 064 nm光經平行光管后出射為平行光束，再經過探測光學系統聚焦到四象限探測器光敏面上，探測器將光信號轉換為電信號。命令控制使高精度轉臺轉動范圍為－12°～12°(相對值)，每次轉動1°，數據采集處理后與理論式(1)、(3)進行對比，如圖9所示。

圖9 線性視場曲線Fig.9 Linear field curve

圖9可以看出線性視場測試曲線與理論曲線符合，四象限探測系統線性視場為±6°，滿足指標要求。

4.2 角精度測試

線性視場內測角精度是探測系統中另一重要指標要求，也是驗證四象限探測光學系統性能的一項重要參數。本系統測角精度數據見表1。

表1 角精度測量數據Tab.1 Testing data of angle precision (°)

表1表明，四象限探測系統在±6°線性視場內測角精度優于0.15°，極好地滿足系統使用要求。

5 結論

激光探測光學系統設計的好壞，對系統探測性能起著非常重要的作用。本文對采用四象限探測器的光學系統設計進行了深入細致的探討。根據系統對光斑均勻性的要求，對光學系統設計時的像差進行分析，總結其像差校正的特點，結合系統指標要求，研制一套線性視場為12°的光學系統，其線性視場實測曲線與理論曲線相符，測角精度優于0.15°，充分驗證設計過程的準確性。系統結構形式簡單，重量輕，較好地滿足了激光探測系統的使用要求。

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