某型激光引信發(fā)射光束整形仿真設(shè)計(jì)

■ 張宇飛 馬培娜 黃珂 涂遠(yuǎn)欣 劉云/國營洛陽丹城無線電廠 95364部隊(duì)

0 引言

激光具有亮度高、方向性好、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，常用于目標(biāo)探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)中，武器引戰(zhàn)系統(tǒng)中采用脈沖激光作為引信裝置的發(fā)射光束是激光在軍事方面的典型應(yīng)用。激光引信是一種有源式主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，具有精度高、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，通過發(fā)射脈沖激光束可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的近距離探測(cè)，并適時(shí)引爆戰(zhàn)斗部造成殺傷。與無線電引信相比，激光引信對(duì)提升武器系統(tǒng)的整體性能有重要意義[1]。脈沖激光周視探測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)用于常規(guī)彈藥武器系統(tǒng)的近程探測(cè)激光引信系統(tǒng)[2]，它是一種近炸引信，發(fā)射光束的布局方式可分為多輻射、分區(qū)輻射、分區(qū)掃描和同步掃描[3]，如圖1所示。發(fā)射光束的光軸與運(yùn)動(dòng)方向垂直或成一定夾角，可形成圓盤狀或多面體的光束探測(cè)場(chǎng)。多輻射、分區(qū)輻射和分區(qū)掃描方式的系統(tǒng)采用多個(gè)發(fā)射器和多個(gè)接收器，其中，前兩種方式的系統(tǒng)可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)周向探測(cè)，但探測(cè)距離較近，接收視場(chǎng)的背景噪聲大；分區(qū)掃描則是利用機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)光束對(duì)空間掃描，探測(cè)距離相對(duì)較遠(yuǎn)；同步掃描只采用單個(gè)發(fā)射器與接收器，同時(shí)利用高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械電機(jī)實(shí)現(xiàn)光束全周掃描，相對(duì)功耗較低。

圖1 脈沖激光周視系統(tǒng)發(fā)射光束布局

1 某型引信光學(xué)系統(tǒng)簡介

某型引信的光發(fā)射系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器（LD）光源，為多輻射布局方式，有8個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器，發(fā)射光束的光軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向帶有前傾角。在多次試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，雖然該型武器制導(dǎo)率較好，但命中率較低，常常出現(xiàn)遇靶未炸的情況，即目標(biāo)已進(jìn)入引信探測(cè)區(qū)和戰(zhàn)斗部的殺傷范圍內(nèi)但戰(zhàn)斗部未引爆。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)未引爆原因是引信未能在有效范圍內(nèi)探測(cè)到目標(biāo)，造成無目標(biāo)信息反饋至接收系統(tǒng)。引信中LD發(fā)射系統(tǒng)光能量的空間分布是關(guān)鍵。

LD光源的出射光束為高斯分布，且在子午和弧矢兩個(gè)正交方向上存在不同的發(fā)散角，光斑發(fā)散較快的方向?yàn)榭燧S，發(fā)散較慢的方向?yàn)槁S，LD光斑在遠(yuǎn)場(chǎng)空間為類橢圓形，LD出射光一般需要經(jīng)過光柵、透鏡、棱鏡等光學(xué)元件整形后才可應(yīng)用。原引信裝置LD光源的快軸、慢軸發(fā)散角分別為40°和10°。經(jīng)過原透鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直后，在遠(yuǎn)場(chǎng)形成類似圓柱狀光束向8個(gè)方向輻射，由于發(fā)散角較小、方向性較強(qiáng)，會(huì)在探測(cè)空間留下較大空白區(qū)域，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的能量分布雖然避免了干擾信號(hào)（如大面積云團(tuán)），降低了虛警率，但容易規(guī)避真實(shí)目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入引信有效探測(cè)范圍時(shí)，很可能直接落入空白區(qū)域而沒有被發(fā)射光束照射，從而失去了反饋和接收目標(biāo)信息的時(shí)機(jī)，不能激發(fā)武器戰(zhàn)斗系統(tǒng)工作。

圖2 激光引信出射光束空間分布情況

基于原引信裝置激光發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)布局情況，針對(duì)其發(fā)射光束能量空間覆蓋范圍小、遇靶不炸概率高的問題，可以利用脈沖激光周視光學(xué)系統(tǒng)中的分區(qū)輻射設(shè)計(jì)，增加引信發(fā)射激光的發(fā)散角，填補(bǔ)原系統(tǒng)光能量輻射的空白區(qū)域。這種設(shè)計(jì)方法既符合原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，無需額外增加掃描電機(jī)，又能在引信周圍形成一個(gè)接近360°圓周的光能量覆蓋空間，有效增加激光的探測(cè)區(qū)域，提升打擊效果。

2 設(shè)計(jì)方案及指標(biāo)計(jì)算

柱面透鏡是激光光束整形系統(tǒng)中一種常用的光學(xué)元件[4]，其結(jié)構(gòu)不同于普通圓形球面或非球面透鏡，它的子午方向是直線形成的母線，弧矢方向是帶有曲率的曲面，只在一個(gè)方向上產(chǎn)生光焦度，即子午方向的焦距無窮遠(yuǎn)，弧矢方向的焦距有限遠(yuǎn)。柱面透鏡的這種結(jié)構(gòu)特征使光束經(jīng)過一個(gè)曲面時(shí)只在一個(gè)方向上發(fā)散或匯聚，另一個(gè)方向上基本保持原方向不變。如圖3所示，方形平行光斑經(jīng)過一片平凸型柱面透鏡后變成窄帶線狀光斑。同樣地，在LD光源后特定位置正交放置兩片柱透鏡，可以分別對(duì)快軸與慢軸方向整形，最終使LD類橢圓形光斑變成窄帶線光源[5]。

圖3 方形平行光經(jīng)過柱面鏡后光束匯聚示意圖

針對(duì)該引信裝置的物理結(jié)構(gòu)，提出兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)思路：一種方案為保持原引信LD光源的布局不變；另一種方案為將LD光源數(shù)量減至4個(gè)，4個(gè)LD光源呈四象限對(duì)稱分布，發(fā)射器光軸的空間方向保持不變。由于引信發(fā)射裝置帶有前傾角（約80°），周視系統(tǒng)中多個(gè)LD光源形成的光能量覆蓋面將不再是360°圓周平面，而是以引信本體的中軸線形成的正八面體（8發(fā)射器）或正四面體（4發(fā)射器）。因此，在確定每個(gè)LD光源對(duì)空間的覆蓋角度時(shí)，不能按照360°等分的方法計(jì)算。實(shí)際上，引信裝置外圍直徑及不同LD光源的分布情況可以抽象轉(zhuǎn)化為下面的幾何運(yùn)算，以此確定兩個(gè)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖4所示為兩種方案的發(fā)射器空間分布圖，藍(lán)色圓點(diǎn)表示LD發(fā)射器的空間位置部分，藍(lán)色區(qū)域表示每個(gè)發(fā)射器光能量空間角度的平面俯視圖（轉(zhuǎn)化到引信裝置內(nèi)部，借助引信的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行角度計(jì)算），需要確定的每個(gè)LD的快軸發(fā)散角即為∠COB在多面體中的立體角。

圖4 兩種方案的發(fā)射器空間分布圖

對(duì)多面體中每個(gè)LD光束對(duì)應(yīng)的空間布局進(jìn)行分析：點(diǎn)A為正多面體的頂點(diǎn)，OA為引信本體中軸線，也是激光周視系統(tǒng)的中軸線；OB、OC為引信裝置外圍半徑；發(fā)射裝置光軸的前傾角為∠OAB=80°，在8個(gè)發(fā)射器方案中，∠BOD=22.5°，4個(gè)發(fā)射器方案中，∠BOD=45°；∠BAC是∠COB的立體角，也是每個(gè)LD的快軸束散角。

通過三角函數(shù)關(guān)系，計(jì)算可得：8發(fā)射器方案中，∠BAC≈ 42.15°；4發(fā)射器方案中，∠BAC≈ 83.28°。

3 脈沖激光整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

定義LD光斑的快軸方向發(fā)散角θt=40°，慢軸方向的發(fā)散角θs=10°。通過上述計(jì)算，光斑整形后慢軸方向發(fā)散角θs′≤1°，8發(fā)射器方案的快軸方向發(fā)散角θt′=42.15°，4發(fā)射器方案的快軸方向發(fā)散角θt′=83.28°。

另外，設(shè)定系統(tǒng)波長λ=900nm，屬于近紅外波段，光學(xué)系統(tǒng)的材料可選用BK7冕玻璃。

3.1 建立LD光源模型

光學(xué)系統(tǒng)的光源為LD點(diǎn)光源，快、慢軸方向發(fā)散角的半角分別為20°、5°，且能量分布為高斯型，可得數(shù)值孔徑NA=0.342，光斑發(fā)散角的比例參數(shù)V=0.7596，以此建立的光源模型如圖5所示，光斑形貌為類橢圓形。

圖5 LD光源（θt=40°、θs=10°）距出射面20m處的形貌

3.2 8發(fā)射器設(shè)計(jì)方案

在8發(fā)射器方案中，由于LD光源本身快軸束散角已經(jīng)達(dá)到40°，接近要求的42.15°，所以對(duì)快軸方向光斑不擴(kuò)束，只考慮對(duì)慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直壓縮。若快軸方向不擴(kuò)束，相鄰兩個(gè)LD光源的光束之間仍留有空白，空白區(qū)域夾角約為2.15°。根據(jù)試驗(yàn)條件，目標(biāo)最小處的尺寸約為1.6m，按照空白區(qū)域夾角計(jì)算，能探測(cè)到目標(biāo)最小尺寸時(shí)的距離為L=1.6/（2×tan（2.15°/2））m=42.63m。該距離大于引信有效探測(cè)范圍（暫不考慮擴(kuò)束后能量衰減），表明在有效探測(cè)范圍內(nèi)，小尺寸目標(biāo)可以被激光束照射。因此，在LD快軸方向不擴(kuò)束、探測(cè)區(qū)留有空白的情況下，光束自身發(fā)散角滿足要求，只對(duì)慢軸方向壓縮即可。

設(shè)定柱面鏡初始結(jié)構(gòu)為平凸結(jié)構(gòu)，為方便裝調(diào)，使透鏡距離光源10mm，且柱面鏡的子午面與LD光源快軸方向平行。根據(jù)近軸光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算方法[6]：

式中，n0為空氣折射率，n1為玻璃材料折射率，在紅外900nm波長下，BK7玻璃折射率約為1.508；l0、l1為折算到物、像空間的物距和像距；r為透鏡折射面曲率半徑。

計(jì)算得到初始結(jié)構(gòu)曲率半徑約為-6.7mm。系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)并優(yōu)化，得到如圖6所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光束快軸方向角度保持不變，慢軸方向壓縮，點(diǎn)光源在空間傳播20m后光斑尺寸約為114.4mm×14.56m，發(fā)散角約為0.33°、40.01°，符合設(shè)計(jì)要求。光學(xué)系統(tǒng)透鏡曲面為球面，總長15mm（不含LD裝置），寬度8mm。

圖6 8發(fā)射器單個(gè)LD光束整形系統(tǒng)

3.3 4發(fā)射器設(shè)計(jì)方案

目前在類似的光束整形系統(tǒng)中，不論是先準(zhǔn)直后擴(kuò)束還是先擴(kuò)束后準(zhǔn)直，大多需要用到兩個(gè)柱面透鏡才能實(shí)現(xiàn)。上述8發(fā)射器方案對(duì)光斑慢軸方向壓縮已經(jīng)完成，理論上4發(fā)射器方案中只需在第一個(gè)柱面鏡后加裝一個(gè)聚焦方向與其正交的柱面鏡即可實(shí)現(xiàn)快軸方向擴(kuò)束。但考慮到裝調(diào)便捷，光源與兩個(gè)柱面透鏡三者之間的間距不可太小，否則第二個(gè)透鏡的曲率與厚度關(guān)系會(huì)限制大角度擴(kuò)束，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會(huì)變長。因此，設(shè)計(jì)為在一個(gè)透鏡的前后表面上集成兩個(gè)聚焦方向正交的柱面面型，這樣LD光斑只通過一個(gè)透鏡就可實(shí)現(xiàn)快軸和慢軸兩個(gè)方向的整形，同時(shí)也可減少多個(gè)透鏡組合帶來的裝調(diào)問題。

采用先準(zhǔn)直后擴(kuò)束的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，初始結(jié)構(gòu)的透鏡第一面為外凸型，曲率方向與LD光源慢軸方向一致，實(shí)現(xiàn)光斑壓縮；透鏡第二面為內(nèi)凹型，曲率方向與LD光源快軸方向一致，實(shí)現(xiàn)光斑擴(kuò)束。透鏡前表面距離光源10mm，透鏡厚度5mm。經(jīng)過式（1）計(jì)算后，柱面透鏡前后表面的曲率半徑分別約為5.23mm、12.31mm。系統(tǒng)優(yōu)化后得到圖7所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光束慢軸方向角度壓縮，快軸方向角度擴(kuò)束，點(diǎn)光源在傳播20m后光斑尺寸約為147.2mm×35.68m，發(fā)散角約為0.422°、83.47°，符合設(shè)計(jì)要求。光學(xué)系統(tǒng)透鏡曲面為球面，總長16.7mm（不含LD裝置），寬度12mm。

圖7 4發(fā)射器單個(gè)LD光束整形系統(tǒng)

4 設(shè)計(jì)方案比較與分析

通過對(duì)原LD光斑參數(shù)和周視引信光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算，在引信布局基本不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了8發(fā)射器、4發(fā)射器兩種光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化仿真。兩種方案都能改善原引信發(fā)射系統(tǒng)光束指向性強(qiáng)、空間能量覆蓋不足的問題，也進(jìn)一步提高了對(duì)目標(biāo)探測(cè)的概率。

1）8發(fā)射器方案的優(yōu)點(diǎn)是基本不改變?cè)邪l(fā)射器的空間布局，只對(duì)LD光源慢軸方向光束壓縮準(zhǔn)直，因此用一片平凸柱面透鏡即可完成，系統(tǒng)體積小，器件加工成本和系統(tǒng)裝調(diào)難度小；缺點(diǎn)是需要用到的LD光源較多，且擴(kuò)束后能量的功率密度比原系統(tǒng)有所降低，需要提高LD光源輻射能量才能達(dá)到與原系統(tǒng)相同的探測(cè)距離。

2）4發(fā)射器方案的優(yōu)點(diǎn)是在原結(jié)構(gòu)上減少一半的LD發(fā)射器，簡化了布局，透鏡數(shù)量較少，且只用一片透鏡就可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光斑快慢軸兩個(gè)方向的整形，較為完善地形成了周視光學(xué)系統(tǒng)，探測(cè)空間不留空白；缺點(diǎn)是擴(kuò)束后束散角較大，需要大幅度提高LD光源的輻射能量來彌補(bǔ)功率密度衰減，另外，在一片透鏡上集成兩個(gè)不同方向的柱面結(jié)構(gòu)，透鏡加工難度和成本相對(duì)較高。

理論上兩個(gè)方案都能改善原引信探測(cè)性能的不足，但從產(chǎn)品維修或改進(jìn)等實(shí)際因素考慮，8發(fā)射器方案更便于實(shí)施。