半主動(dòng)激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)微型化設(shè)計(jì)與分析

劉雪松 王惠源

【摘要】文章從半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的探測原理出發(fā)，得出了導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求。結(jié)合現(xiàn)有工藝和技術(shù)設(shè)計(jì)了一套微型半主動(dòng)激光制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，并通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了分析和仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足各項(xiàng)參量要求，對(duì)導(dǎo)引頭小型化的研究具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì);半主動(dòng)尋的制導(dǎo);激光導(dǎo)引頭

引言

激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器（LSSGWS）具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于武器裝備中。激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器核心器件是激光導(dǎo)引頭，導(dǎo)引頭由位于前端的光學(xué)系統(tǒng)收集激光反射的回波，利用四象限探測器作為光電探測器件進(jìn)行制導(dǎo)。通常情況下，目標(biāo)信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限探測器靶面上形成一定大小的光斑，通過分析光斑覆蓋在探測器4個(gè)不同區(qū)域的面積來判斷目標(biāo)的方位。

鑒于激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)方式在導(dǎo)彈、炮彈等大型武器中的成功使用和良好效果。如何將其小型化，并應(yīng)用在小口徑武器已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。文章根據(jù)四象限探測器目標(biāo)方位探測的工作原理，對(duì)目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的光斑提出要求，結(jié)合像差對(duì)光斑能量分布的影響，利用ZEMAX進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然后提出評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果的方法，對(duì)激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

1.四象限探測器原理

四象限探測器的原理如圖1所示。目標(biāo)反射的激光信號(hào)通過制導(dǎo)武器前端的光學(xué)系統(tǒng)在四象限探測器表面形成一個(gè)激光光斑。

圖1 四象限探測器原理

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

若激光光斑正好落在象限探測器的中心，如圖1（a）。那么，A、B、C、D 4個(gè)象限探測器輸出的信號(hào)經(jīng)4路放大器放大后的輸出VA、VB、VB、VB的輻值應(yīng)完全相等，這說明彈丸正好對(duì)準(zhǔn)了目標(biāo)[5]。此時(shí)有：

（VA+VB）-（VC+VD）=0 ? ? ? ? ? ? ?（1）

（VA+VD）-（VB+VC）=0 ? ? ? ? ? ? （2）

若彈丸未對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，則4個(gè)象限輸出的電壓幅值不相等，進(jìn)而（1）、（2）式不成立。利用此偏差信號(hào)驅(qū)動(dòng)彈丸的舵面做出調(diào)整，直至激光光斑落在探測器中心，此時(shí)，彈丸軸線正對(duì)目標(biāo)飛行。

2.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擬定光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

a）波長：940nm;

b）接收透鏡通光口徑：Φ10mm;

c）接收視場2ω：±2°;

d）探測器：Φ4。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，考慮到國內(nèi)已有導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)形式，微型化的導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)采用如圖2所示的形式，該結(jié)構(gòu)源于卡塞格倫系統(tǒng)將將校正透鏡變?yōu)檎髡郑醋龀C正之用又能承受彈丸飛行高速運(yùn)動(dòng)的風(fēng)阻。再者，通過在厚透鏡兩側(cè)鍍反射膜，減少了反射鏡的個(gè)數(shù)，簡化了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于裝配，容易滿足微型化要求。

3.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過ZEMAX光學(xué)輔助設(shè)計(jì)軟件， 設(shè)計(jì)了一套激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)導(dǎo)引頭的光學(xué)系統(tǒng)， 并進(jìn)行優(yōu)化處理。優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)的各項(xiàng)參量為：有效焦距EFFL=12.5mm，入瞳口徑ENPD=5mm，實(shí)際工作F數(shù)WFNO=2.5，最大瞬時(shí)視場2=±2°，主反射鏡直徑D1=10mm，整流罩通光孔徑D=20mm，厚度z=1mm，光學(xué)系統(tǒng)軸向長度L=12mm，探測器直徑2R=4mm。

3.2 成像分析

對(duì)于激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器的光學(xué)系統(tǒng)，不能單獨(dú)用像差的大小作為評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，而要看像差分布曲線是否具有對(duì)稱性。如圖3（a）所示。

圖3（a） 1千米的幾何像差曲線

圖3（b） 1千米的視場點(diǎn)列圖

通過圖3（a）中視場角為0o、1o、1.5o、2o的像差特性分布曲線，可以看出通過光學(xué)系統(tǒng)所形成的彌散斑中心像差為零，遠(yuǎn)離彌散斑中心的像差分布曲線關(guān)于中心對(duì)稱。調(diào)節(jié)探測器距離厚透鏡的距離可以改變彌散斑在探測器上的成像直徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取彌散斑的直徑D為：D=R。即光斑直徑為探測器直徑的一半。

通過圖3（b）中視場角為0o、1o、1.5o、2o的光線點(diǎn)列圖，可以看出通過光學(xué)系統(tǒng)所形成的彌散斑成像情況。由此可知，在接收視場2ω為2o的時(shí)候，該光學(xué)系統(tǒng)滿足探測器的要求。

從圖2及圖3中可以看出， 目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所形成的彌散斑半徑及其成像質(zhì)量（彌散斑能量分布情況）可以滿足激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)引頭的使用要求。

4.結(jié)論

從導(dǎo)引頭的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，以滿足探測器的性能要求為目標(biāo)，結(jié)合已有導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套滿足探測器各項(xiàng)參量要求、具有較高成像質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)，該系統(tǒng)具有光學(xué)元件少、結(jié)構(gòu)簡單、裝配容易、體積小等優(yōu)點(diǎn)。文中的分析設(shè)計(jì)結(jié)果，較好的滿足了擬定設(shè)計(jì)要求，對(duì)今后半主動(dòng)激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉雪松（1987—），男，河北邯鄲人，碩士。