魚雷激光引信發(fā)射與接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

朱志巍 顧宏?duì)N 王 鵬

（海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

作為一種新型近炸引信，激光引信在精確定距、抗電磁干擾及目標(biāo)識別方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，周視激光引信系統(tǒng)在導(dǎo)彈上已得到廣泛應(yīng)用，其中較有代表性的如法國便攜式西北風(fēng)導(dǎo)彈、美國響尾蛇導(dǎo)彈等［1］。魚雷作為現(xiàn)代海戰(zhàn)的主戰(zhàn)武器之一，在戰(zhàn)爭中所發(fā)揮的作用也不可忽視。而現(xiàn)如今魚雷引信多以聲引信、磁引信為主［2］，激光引信在魚雷上的應(yīng)用仍處于科研階段，因此對激光引信在魚雷上應(yīng)用的研究意義重大。

大探測場激光引信系統(tǒng)有四種常見的光束布局方案：多輻射方案、分區(qū)方案、區(qū)域掃描方案、同步掃描方案［3］。目前基于魚雷應(yīng)用的激光引信中，南京理工大學(xué)采用同步掃描方案，采用掃描折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)折轉(zhuǎn)光束并帶動(dòng)光束旋轉(zhuǎn)［4］，實(shí)現(xiàn)繞雷軸全周向動(dòng)態(tài)探測，其不可避免的問題就是體積大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以與雷體結(jié)合，且自帶的折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于自身轉(zhuǎn)動(dòng)會影響雷體穩(wěn)定性。而與其他方案相比，分區(qū)方案結(jié)構(gòu)簡單，可探測的目標(biāo)尺寸小，不需要采取機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)周視探測，更有利于雷體的穩(wěn)定性。因此，結(jié)合現(xiàn)有的研究條件，我們認(rèn)為選擇分區(qū)方案是更合適的魚雷激光引信布局方案。

在本文中，將以魚雷為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)一種基于分區(qū)方案的魚雷激光引信發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)。

2 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因在水下光學(xué)窗口為450nm～580nm［5］，水下激光引信發(fā)射系統(tǒng)的激光光源選用532nm波段的脈沖激光。又由于海水信道相較空氣信道對光束會產(chǎn)生強(qiáng)烈的衰減［6］，因此，本文在設(shè)計(jì)中使用高功率的脈沖綠激光器。所選用激光器參數(shù)如表1所示。

表1 激光器參數(shù)

采用分區(qū)方案，圓周視場被分為6個(gè)分區(qū)，每一分區(qū)內(nèi)采用55°×1°的線狀光束實(shí)現(xiàn)覆蓋發(fā)射，且光束發(fā)射方向與雷體子午軸面成60°夾角［7］。因此本發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是子午方向θ∥≤1°，弧矢方向θ⊥≤ 55°。

結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求與所選激光器發(fā)散角參數(shù)，有1.5mrad=0.0859°＜1°，方向性較好，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中主要對弧氏方向發(fā)散角進(jìn)行擴(kuò)束處理。

如圖1，西安電子科技大學(xué)在設(shè)計(jì)激光引信光學(xué)系統(tǒng)中指出，采用先擴(kuò)束后壓縮方式來改變激光束的兩個(gè)束散角，使激光束成為一個(gè)能量集中的窄帶狀光束［8］。

表2 Object 1 source gaussian

表3 Object 2、3 Toroidal Lens

表4 Object 4 Detector Ret

其原理為激光器出光光束通過第一塊凹柱面透鏡后，由于凹面鏡的發(fā)散作用，光斑在弧氏方向被拉長，而凹柱面鏡對子午方向上的光束起平行玻璃板的作用，其光束不發(fā)生角度變化。當(dāng)光束通過第二塊凸柱面透鏡時(shí)，第二塊凸柱面透鏡對激光器弧矢方向的光束起平行玻璃板的作用，而由于凸面鏡的會聚作用，光斑在子午方向被會聚，使光束近似平行出射。同時(shí)要求激光器發(fā)射結(jié)需要放置在凹柱面鏡系統(tǒng)的弧氏焦距上。

由于在本設(shè)計(jì)中，所選用的激光器出光質(zhì)量較好，不需要對光束子午方向進(jìn)行準(zhǔn)直，只需要對弧氏方向進(jìn)行擴(kuò)束設(shè)計(jì)，因此光學(xué)系統(tǒng)中可以只選用凹柱面透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化即可。

利用上述設(shè)計(jì)思路，采用凹柱面透鏡系統(tǒng)改善光束，通過ZEMAX軟件非序列模式對透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［9］，各元件參數(shù)如表2、3、4所示。

其擴(kuò)束效果如圖2所示。

經(jīng)計(jì)算弧氏方向角度為55°，可以得出結(jié)論，本文所選用的激光器經(jīng)次光學(xué)系統(tǒng)的整形后能得到本系統(tǒng)所需要的線狀光源，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光引信接收系統(tǒng)作用［10］是對準(zhǔn)發(fā)射光束并接收盡可能多的目標(biāo)信息光能，將線狀光束探測到目標(biāo)后的反射光進(jìn)行會聚，進(jìn)入光電探測器進(jìn)行后續(xù)信號處理，十分類似于接收目標(biāo)回波的激光雷達(dá)接收天線。

常見的接收系統(tǒng)有反射式和透射式兩種［11］。如圖3所示，透射式接收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、對成像質(zhì)量要求不高。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，由于激光引信需要安裝在魚雷雷體上，體積限制使得接收光學(xué)系統(tǒng)無法使用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此可使用透射式光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光線接收會聚。

為了提高探測系統(tǒng)的性能，除了提高發(fā)射系統(tǒng)激光器功率外，提高對目標(biāo)回波的接收靈敏度也是一條重要途徑。雪崩光電探測器具有功耗低，體積小，靈敏度高，響應(yīng)度高、響應(yīng)時(shí)間快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)［12］，本文可采用雪崩光電探測器作為接收探測器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

在探測接收系統(tǒng)中，所選用的Si-APD探測器參數(shù)如表5：

表5 Si-APD探測器參數(shù)

接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為視場角55°，波長532nm，接收光敏面直徑1.5mm。

有上述分析可知，所要設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)為大視場透射式系統(tǒng)，視場角為55°。光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會聚后進(jìn)入探測器光敏面（Ф=1.5mm）即可，對成像質(zhì)量要求不高，不需要考慮像差因素。

結(jié)合上述設(shè)計(jì)思路，借鑒無焦透鏡的原理，利用孔徑光闌，加入窄帶干涉濾光鏡，通過ZEMAX軟件對透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，各透鏡參數(shù)如表6，透鏡外形如圖4。

表6 接收系統(tǒng)透鏡參數(shù)

IMA Standard Infinity - - 0.712255

彌散斑如圖5，分析像面成像結(jié)果可知，像面半徑為0.712mm，視場角為55°時(shí)像高為0.465mm，而光敏面直徑為1.5mm，所以成像已進(jìn)入光敏面，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文提出了一種應(yīng)用于魚雷雷體上的激光引信布局設(shè)計(jì)方案，并對激光引信的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原則是結(jié)構(gòu)簡單，方便后續(xù)加工制作和安裝實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合半導(dǎo)體激光器光束整形的經(jīng)驗(yàn)，利用凹柱面透鏡，在ZEMAX非序列模式中設(shè)計(jì)了基于532nm固體激光器的光束整形，將高斯光束整形為線狀光束，子午方向發(fā)散角＜1°，弧氏方向發(fā)散角為55°。且前后兩塊凹柱面透鏡材料、曲率半徑、厚度等各項(xiàng)參數(shù)均相同，方便加工制作，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)僅需調(diào)整兩塊凹柱面透鏡的位置即可改變光束發(fā)散角。

結(jié)合激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用透射式接收光學(xué)系統(tǒng)，借鑒無焦透鏡的原理，加入窄帶干涉濾光鏡，利用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)了大視場角的透射式光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中窄帶干涉濾光鏡作用是只允許532nm激光通過，無焦透鏡則主要用于對不同視場角的光線進(jìn)行會聚，將光線會聚到直徑為1.5mm的雪崩探測器光敏面上。