基于雙波長激光引信的光學系統研究

李正+王鋒+梅浩

摘要： 針對激光引信應用雙波長輻射源進行目標探測識別的需求， 設計了一種發射、 接收光學系統。 該光學系統工作于紫光和紅外光兩個波段， 具有結構簡單、 體積小等優點。 通過光學整形， 引信輻射光束均勻分布于光學視場中， 且兩種波長的光學視場有效交疊， 通過光學系統的收、 發配合能夠準確獲取引信目標的回波信息。

關鍵詞： 光學系統； 激光引信； 雙波長

中圖分類號： TJ43+9.2文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2017）05-0045-030引言

激光引信利用激光束為輻射源對目標進行主動探測， 由于其主動性好、 方向性強、 抗電磁干擾能力強， 在國內外各種戰術導彈系統中被廣泛應用。

目前， 大多采用單色激光作為激光引信的輻射源。 傳統的單色激光引信存在著易受云、 煙霧干擾的特點， 情況嚴重時會導致虛警等不良后果， 由此制約著整彈作戰能力。 針對這一問題， 國內有關單位進行了雙波長激光探測技術的理論探索和試驗研究[1-3]。

由于引信內部空間受限， 激光引信的光學系統通常僅由少片透鏡完成光學指標。 而對于雙波長激光引信來說， 同一光學材料對不同波長的激光束具有不同的折射率， 導致兩種波長的整形情況有較大差異， 應用同一探測器進行能量采集提升了光學設計的難度。 本文以雙波長激光引信為背景， 兼顧解決引信空間限制和色差帶來的不利因素， 設計了一種雙波長激光引信光學系統。

1主要技術參數

本文研究的雙波長光學系統， 基于雙波長激光引信離散視野、 單視場探測的總體要求， 針對紅外光和紫光兩個波段進行光學設計。

激光器同時出射紫光和紅外光兩個波段的激光作為輻射光源， 經光學系統進行整形， 發射光學系統最終出射視場角為1°的窄視野光束。 根據引信收、 發配合總體參數計算接收光學系統視場角， 有效接收目標的反射回波。

2光學系統設計

為了實現雙波長激光引信的精確目標探測，

收稿日期： 2016-12-16

作者簡介： 李正（1985-）， 女， 吉林松原人， 碩士， 工程師， 研究方向為光學系統設計。

引用格式： 李正， 王鋒， 梅浩 . 基于雙波長激光引信的光學系統研究[ J]. 航空兵器， 2017（ 5）： 45-47.

Li Zheng， Wang Feng， Mei Hao.Research on Optical System Based on DualWavelength Laser Fuze[ J]. Aero Weaponry， 2017（ 5）： 45-47. （ in Chinese）首先應利用光學系統進行輻射源的整形， 使兩種波長的發射光場與目標回波光場分布于特定的區域內， 才能保證雙波長激光束所探測到的為同一目標[4]。

根據上述技術指標進行分析， 雙波長激光引信的光學系統需要兼顧激光束的弧矢方向和子午方向進行壓縮整形。 紫光與紅外光兩種波段具有較大色差， 需要通過光學系統進行消色差設計， 傳統激光引信光學系統的單片功能透鏡已遠遠不能實現雙波長激光引信的總體指標。 激光引信內部空間有限， 對光學系統的設計構成較大制約， 在設計過程中既要控制透鏡個數， 同時系統總長也要盡可能縮短。

2.1發射光學系統設計

由于激光束在子午方向和弧矢方向的發散角不同， 無法應用一片透鏡達到指標要求， 所以應用兩片柱面鏡， 分別對激光束不同方向發散角進行整形， 將較大視場角壓縮到1°， 同時對視野方向進一步壓縮。 該設計方法避免了光學系統復雜性設計， 降低透鏡加工難度， 從而提高系統的工程應用性。

紫光和紅外光兩種波段之間的色差是影響光束準直效果的重要因素之一。 系統首先進行消色差設計， 應用兩種或兩種以上光學材料能夠有效校正色差。 本系統采用SF2/BK7兩種常見光學玻璃組合成雙膠合透鏡， 雙波長激光束經過雙膠合透鏡后， 視場角能夠滿足1°的指標要求。 由于光學系統所占空間有限， 要求雙膠合透鏡具有較小焦距， 這就使得個別透鏡的曲率增大， 各個透光面承擔的光線偏折角也有所增加， 由此產生較大的高級像差。 對光學系統中較敏感的面型引入偶次非球面， 以球面作為基底， 調整二次項變量進行優化設計， 校正高級像差。

將窗口玻璃設計為功能透鏡， 對激光束視野角進行壓縮整形。 為避免光束出現過大偏折角， 且考慮到便于透鏡安裝等因素， 將窗口玻璃設計為平凸柱面鏡， 平面朝向引信內部， 凸面朝外。 透鏡凸面引入非球面設計， 以此完成雙波長光束的視野角壓縮。

應用lightools軟件進行系統的光學仿真， 發射光學系統仿真結果如圖2所示。 該系統僅由兩片透鏡組成， 經過兩片柱面鏡的共同作用， 出射光束達到指標要求， 整形效果較好， 且該系統體積較小， 為引信其他分組件提供了更大的設計空間。

發射光學系統6 m位置的光束能量和光斑示意圖如圖3～4所示。 在6 m作用距離處， 紅外光相對于紫光稍稍發散， 但發散角較小， 滿足指標要求。 綜合光束能量與光斑分布情況來看， 在有效范圍內， 兩種光束能量分布均勻， 且光場相互重疊。 由此可見， 雙波長發射光束的光場分布基本沒有差別， 在激光引信對目標進行主動探測時， 能夠保證接收系統所獲取的紫光與紅外光回波信息的準確性。

2.2接收光學系統設計

發射光學系統的主動探測光束均勻輻射到探測目標表面， 形成漫反射回波， 由引信接收光學系統進行能量采集， 獲取回波信息。

接收光學系統通過一片平凸透鏡對雙波長光束進行匯聚， 利用探測器將光能量轉換為電信號輸出供后續信號處理。 將接收透鏡的凸面加非球面設計， 解決了邊緣光線偏折角過大的問題。endprint

在接收系統中， 雙波長激光束的會聚光斑能夠完全包含于探測器光敏面內， 使探測器有效接收到光學系統采集的能量信息， 滿足指標要求。 接收光學系統的仿真結果如圖5所示， 紅外光聚焦效果較好。 由仿真結果可知， 紫光雖然未能在光敏面處聚焦， 但根據光斑分布數據， 紫光的光斑分布在直徑2 mm的圓周范圍內， 遠包含于探測器直徑為5 mm的光敏面內， 探測效果滿足接收系統要求。

3結論

本文對紫光/紅外光雙波長激光引信發射、 接收光學系統進行了研究。 綜合考慮較高的光學指標要求及有限的系統空間限制等重要因素， 通過引入雙膠合柱面鏡設計， 并將窗口玻璃加入柱面曲率， 實現了發射系統要求的技術指標。 發射系統僅由兩片透鏡組成， 結構簡單、 系統體積小， 較好地完成了激光束整形。 根據引信總體指標和發射光學系統的出射光束形式， 設計了接收光學系統。 經試驗， 該系統能夠較好獲取目標回波能量， 對于激光引信光學系統研究有著重要的借鑒價值。

參考文獻：

[1] 梅浩， 于海山， 李正， 等. 雙色激光共軸近場探測系統設計[J]. 航空兵器， 2014（2）： 32-34， 38.

Mei Hao，Yu Haishan，Li Zheng，et al. Design of DualWavelength Coaxal NearField Laser Detecting System[J]. Aero Weaponry， 2014（2）： 32-34， 38. （in Chinese）

[2] 袁正， 孫志杰. 空空導彈引戰系統設計[M]. 北京： 國防工業出版社， 2007.

Yuan Zheng，Sun Zhijie. AirtoAir Missile FuzeWarhead Systems Design [M]. Beijing：National Defense Industry Press， 2007. （in Chinese）

[3] 袁正， 李元級. 現代空空導彈引信技術[J]. 航空兵器， 2000（2）： 11-15.

Yuan Zheng，Li Yuanji. Modern AirtoAir Missile Fuze Technology[J]. Aero Weaponry， 2000（2）： 11-15. （in Chinese）

[4] 李源. 半導體激光器近場光束整形設計初步研究[J]. 航空兵器， 2007（1）： 51-52， 64.

Li Yuan. Initial Research on Near Field Light Beam Orthopedics Design for Semiconductor Laser[J]. Aero Weaponry， 2007（1）： 51-52， 64. （in Chinese）

Research on Optical System Based on DualWavelength Laser Fuze

Li Zheng1， Wang Feng2， Mei Hao1

（1. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China；

2. Representative Office of Army Aviation in Luoyang， Luoyang 471009， China）

Abstract： According to the requirements of laser fuze towards target detection using dualwavelength， an emitting and receiving optical system is designed. The optical system which works in purple and infrared wavelength has a simple and compact structure. Emitting beams of laser fuze get even distribution and the optical fields of dualwavelength overlap after optimization. The echo information of laser fuze target can be acquired accurately through the cooperation of receiving and emitting of optical system.

Key words： optical system； laser fuze； dualwavelength

參考文獻：

[1]

Oppressive jamming will incapacitate its normal function for phased array radar。 for this problem， the basic of polarization mismatch will be used， and isolate the interference source at the receiver， improve the ability of antiinterference. In this paper， a joint beamforming technique for polarization and spatial domain is first proposed， which is derive， which is a problem of secondorder cone programs， to obtain the polarized beam with a null and polarization constraint in desired sidelobe region. Numerical examples are provided to demonstrate the usefulness and effectiveness of the proposed approaches.

Polarization； interference rejection； phased array radar0引言endprint