激光與中波紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)修齊，付躍剛

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

引言

目前的多種制導(dǎo)方式中，紅外成像制導(dǎo)因其具有較高的命中精度和效費(fèi)比，在精確制導(dǎo)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)了重要地位，具有靈敏度高，空間分辨率高，系統(tǒng)動態(tài)溫度范圍大，可以在各種復(fù)雜情況下實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)自動搜索，捕獲識別和命中，實(shí)現(xiàn)發(fā)射后不用管，探測距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。但是，由于紅外制導(dǎo)方式僅能獲得目標(biāo)二維信息，導(dǎo)引頭易受紅外干擾，當(dāng)目標(biāo)距離接近時存在近場大目標(biāo)效應(yīng)，易丟失目標(biāo)等缺點(diǎn)，各國有針對性地對紅外制導(dǎo)方式進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并發(fā)展了多種對抗手段，單一的紅外制導(dǎo)方式難以適應(yīng)新的局部戰(zhàn)爭技術(shù)要求。

相對于基于目標(biāo)和背景之間溫度差異進(jìn)行探測的紅外制導(dǎo)方式，探測距離近、搜索范圍較小、易受煙霧水汽影響的激光制導(dǎo)是基于目標(biāo)的反射率特性進(jìn)行探測，不易受環(huán)境影響，具有更高的目標(biāo)探測精度，由于激光單色性和方向性好，具有很好的跟蹤精度和空間分辨率。將二者進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)成紅外/激光雙模制導(dǎo)方式，恰好彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)并發(fā)揮優(yōu)勢。

1 雙模復(fù)合制導(dǎo)光學(xué)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)今復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有3種：分離孔徑式、共孔徑式和單孔徑光學(xué)系統(tǒng)+多色探測器式3種。分離孔徑式系統(tǒng)，每一個通道采用單獨(dú)的光學(xué)/天線系統(tǒng)和探測器。這種結(jié)構(gòu)較容易實(shí)現(xiàn)，而且各個通道易達(dá)到最佳狀態(tài)，但會帶來同步和空間配準(zhǔn)等方面的問題，并且體積大、信息融合效率低。共孔徑式結(jié)構(gòu)的2個通道采用同一個光學(xué)/天線系統(tǒng)，通過專門的信號分離器將2個通道信號分開，進(jìn)入各自探測器，有利于簡化硬件結(jié)構(gòu)，信息融合效率較高，但探測器之間可能存在遮擋問題。單孔徑光學(xué)系統(tǒng)+多色探測器結(jié)構(gòu)，避免了光束分離時的能量損失，增加探測距離，結(jié)構(gòu)更為緊湊。但該結(jié)構(gòu)對探測器的設(shè)計(jì)制造要求較高，成本相對較高，其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度相當(dāng)于共孔徑式，但國內(nèi)多色探測器的研制水平不足，難以滿足實(shí)用要求。

顯然第二、三種結(jié)構(gòu)型式更符合設(shè)計(jì)要求，并且第三種結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊。不過考慮到國內(nèi)現(xiàn)階段多色探測器的研制水平，且該種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時要求光學(xué)材料具有寬的透過譜段，給設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)大的難度，故擬選擇第二種共孔徑接收，經(jīng)分光器分光后進(jìn)入分立焦平面成像的結(jié)構(gòu)型式。

1.2 系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)

紅外光學(xué)系統(tǒng)比較常見的結(jié)構(gòu)形式有折射成像、折反射成像等結(jié)構(gòu)形式。各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。緊湊型紅外光學(xué)系統(tǒng)常用的結(jié)構(gòu)形式主要有折射一次成像和折反射兩種形式。折射一次成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，便于裝調(diào)，無中心遮攔，但系統(tǒng)孔徑一般較小。由于紅外系統(tǒng)需要100%的冷光闌效率，若孔徑光闌位于鏡頭的后面，鏡頭口徑比入瞳大得多，雜散光比較多；若孔徑光闌放在鏡頭前面和中間，冷光闌效率降低，影響紅外成像。由于本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其口徑為250 mm，單純的折射系統(tǒng)無法滿足其孔徑、質(zhì)量及體積要求，所以采用折反式系統(tǒng)。通過對牛頓系統(tǒng)，格里高里，卡塞格林3種反射形式的比較(如圖1)，選擇了系統(tǒng)焦點(diǎn)位于主鏡外，總長較短的卡塞格林式反射系統(tǒng)，其主次鏡同為雙曲面，可消球差和彗差并增大視場，折射部分采用紅外折射透鏡組。

表1 不同紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的比較Table 1 Comparison of different infrared optical system structures

圖1 3種不同反射形式比較Fig.1 Comparison of three different reflection forms

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1.1 紅外系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)指標(biāo)

紅外光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為

1) 探測器：640×512元制冷凝視焦平面探測器，像元尺寸為15 μm，

2) 響應(yīng)波段：3 μm～5 μm；

3) 視場：2°

4) 接收口徑：250 mm，F(xiàn)數(shù)1.4；

5) MTF在33 lp/mm時大于0.4

2.1.2 激光系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)指標(biāo)

激光系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)指標(biāo)為

1) 激光波長：1.064 μm；

2) 接收口徑：250 mm；

3) 接收視場：2 mrad；

4) APD光敏面：0.8 mm；

5) 濾光片帶寬：3 nm；

6) 激光接收光學(xué)透過率：0.6

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

本系統(tǒng)主次鏡采用雙曲面，材料為鋁，焦距為350 mm，F(xiàn)數(shù)為1.4，系統(tǒng)選用制冷型中波紅外探測器，主次鏡成像須保證軸上像質(zhì)優(yōu)良，以便于順利裝配。中繼透鏡組為7片結(jié)構(gòu)，材料分別為鍺、硒化鋅和硅。

結(jié)構(gòu)選擇折反結(jié)構(gòu)，次鏡作為分光鏡，把激光和中波紅外分離，使光線入射到2個不同的探測器上，這樣設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 中波紅外波段較寬，為3 μm ～5 μm，在設(shè)計(jì)中將引入較大色差，反射系統(tǒng)本身性質(zhì)決定消色差，同時承擔(dān)主要光焦度，紅外部分增加適當(dāng)?shù)男ＵR組，使系統(tǒng)達(dá)到要求的像質(zhì)。激光部分通過選擇適當(dāng)?shù)溺R組可同時達(dá)到像質(zhì)要求。

2) 折反式結(jié)構(gòu)可以有效縮短光學(xué)總長和折疊光路，為其他后續(xù)組件的安裝提供一定的空間。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述思路，使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化，所得光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。前面為激光探測系統(tǒng)，后面是中波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)。

圖2 折反射式紅外/激光光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Refractive and refrective infrared/laser optical system

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 紅外光學(xué)成像系統(tǒng)

由于紅外材料對溫度變化比較敏感，為保證在溫度變化時像質(zhì)穩(wěn)定良好，對其進(jìn)行消熱差處理。在溫度變化范圍為-40 ℃～60 ℃，其光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)(MTF)曲線如圖3所示。圖3中不同曲線表明了不同視場的MTF，T為子午方向，S為弧矢方向。由圖3可知，所有視場的子午、弧矢MTF都達(dá)到要求，系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量。

圖3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)Fig.3 Transfer function diagram of system

3.2 激光光學(xué)系統(tǒng)

3.2.1 光斑大小分析

圖4為焦面位置處不同視場時光斑的大小，系統(tǒng)在2°線性區(qū)范圍內(nèi)，光斑大小在40 μm～50 μm之間，其變化較小，分布均勻，復(fù)合激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性，滿足系統(tǒng)要求。

圖4 系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagram

3.2.2 光斑能量分析

圖5為系統(tǒng)不同視場時光斑能量分布情況，圖中不同曲線代表了不同視場的能量圓分布。從圖5中可以看出，在線性區(qū)范圍內(nèi)，光斑能量分布均勻，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 系統(tǒng)光斑能量分布Fig.5 Light energy distribution of system

4 結(jié)論

本文針對大孔徑，小F數(shù)的激光與中波紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，得到一套可以對紅外長波波段(3 μm～5 μm)和激光波段(1.064 μm)探測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)成像良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足紅外成像/半主動激光復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭的使用要求，為今后該方向的研制工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

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