大視場四象限探測光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

薛珮瑤，吳 耀，馮 茜，李 川

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047)

1 引言

將激光制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)炮彈，是炮彈技術(shù)發(fā)展的飛躍，可以使炮彈“長了眼睛”。加上激光導(dǎo)引頭制導(dǎo)后，可使炮彈的命中率得到顯著提高。同時，與造價高昂的紅外或電視制導(dǎo)相比較，激光制導(dǎo)炮彈以其低成本和高精度的顯著優(yōu)勢得到快速發(fā)展，在多次戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用?！般~斑蛇”和“紅土地”是激光制導(dǎo)炮彈的典型代表。美國研制的“銅斑蛇”半主動激光制導(dǎo)炮彈，是一種155 mm口徑的炮彈，命中精度為0.4～0.9 m。俄羅斯研制的“紅土地”激光制導(dǎo)炮彈在性能上較“銅斑蛇”更勝一籌。該炮彈由152 mm火炮發(fā)射，采用了火箭增程，射程超過22 km，命中概率高達(dá) 90%［1］。以色列研制的“火球”120 mm激光制導(dǎo)迫擊炮彈，與目前正在大量部署的地基和天基激光指示器一起使用，圓概率誤差約1 m。鑒于激光制導(dǎo)炮彈的高命中精度和低成本，使得它在近40多年來得到各國軍方的重視，得到飛速發(fā)展。我國激光制導(dǎo)炮彈的發(fā)展歷程主要是仿制俄羅斯早期的“紅土地”，目前已經(jīng)定型。但是該型號激光制導(dǎo)炮彈成本較高，而且是俄羅斯早期激光制導(dǎo)產(chǎn)品。隨著激光技術(shù)的發(fā)展和戰(zhàn)場需求的提高，研制更高性價比、更符合作戰(zhàn)需求的激光制導(dǎo)武器具有重要的軍事意義。捷聯(lián)式激光半主動導(dǎo)引頭相對于其它幾種激光半主動導(dǎo)引頭雖然精度相對稍低，但它具有成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗過載能力強、技術(shù)成熟等優(yōu)點，是消耗型精確打擊炮彈的理想選擇［2］。

四象限探測器、多元探測器(如CCD)和紅外探測器是光學(xué)跟蹤中普遍采用的3種位置傳感器，其探測機理不同。前者屬于主動能量探測(非成像)，光學(xué)像質(zhì)不要求達(dá)到衍射極限，鏡片數(shù)量少、體積小、價格低。后兩者均是被動成像探測［3］，光學(xué)像質(zhì)都要求達(dá)到衍射極限，鏡片數(shù)量多、體積大、價格高，故國內(nèi)外一般均采用四象限光電探測器作為精跟蹤和通信光接收器［4］。

四象限探測光學(xué)系統(tǒng)起著收集、會聚激光能量的作用，探測器接收目標(biāo)反射的激光信號，將微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過分析光斑在探測器光敏面上的分布狀況來獲取目標(biāo)的位置信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和逼近［5］，具有位置分辨率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在衛(wèi)星光通信中的高精度APT技術(shù)、激光半主動導(dǎo)引頭、激光自動跟蹤等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［6］。國內(nèi)四象限探測光學(xué)系統(tǒng)視場可達(dá)±15°，但線性區(qū)較小。研制大視場、大線性區(qū)、高精度測角、小型化、可靠性、工程實現(xiàn)容易的捷聯(lián)導(dǎo)引頭是對導(dǎo)引頭性能改進(jìn)的方向之一。

某四象限探測光學(xué)系統(tǒng)具有如下特點:

(1)線性視場較大:±6°;

(2)線性視場內(nèi)光斑能量分布均勻;

(3)體積小型化，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。

本文基于ZEMAX軟件完成四象限探測光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，依據(jù)設(shè)計結(jié)果完成系統(tǒng)的加工裝配及性能測試。測試結(jié)果表明，激光探測系統(tǒng)線性視場為±6°，測角精度優(yōu)于0.15°，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合出目標(biāo)角度(視場)—輸出特性曲線，實測曲線和理論曲線符合，結(jié)果表明該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計正確，滿足系統(tǒng)使用要求。

2 四象限探測器探測原理

四象限探測器的光敏面窗口分布為4個面積相等、形狀相同、位置對稱的四個象限，每個象限為一個光電器件，照射在光敏面上的光斑被四個象限分為4個部分，對應(yīng)輸出不同幅度的電信號，然后利用和差電路來測定目標(biāo)相對于光軸的偏移量大小和偏移量方位，其基本探測原理如圖1所示［7-9］。

圖1 四象限探測器原理圖Fig.1 Operating principle diagram of four-quadrant detector

圖中探測器直徑尺寸為2R;光斑直徑尺寸為2r;(x，y)為光斑的中心點坐標(biāo);探測器4個象限分別用A、B、C、D表示。通常4個探測器相互獨立，位于直角坐標(biāo)系4個象限中，每個探測器代表一個象限，能接收一定的光能量，輸出一定的光電壓，輸出電壓大小與探測器接收的光功率成比例，對應(yīng)的輸出信號為VA、VB、VC和VD。照射在光敏面上的光斑被4個象限分為4個部分，對應(yīng)輸出不同幅度的電信號，方位和俯仰兩個方向的誤差信號為VX、VY:

式中，k為電路放大系數(shù)。如果四象限探測器光敏面接收到的光斑能量分布均勻且四個象限特性一致，則方位和俯仰兩個方向上的誤差信號僅取決于各象限上的光斑面積之差。

通過式(1)和式(2)便可以求出目標(biāo)方位和俯仰偏移角α和β:

式(3)、(4)中，f是光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 對光學(xué)系統(tǒng)的要求

3.1.1 對光敏面接收光斑的要求

四象限探測器是通過四個象限的光斑面積進(jìn)行信號處理從而求出目標(biāo)的方位和俯仰偏角，因此對光斑有特殊的要求［10］，主要包括兩個方面:首先是光斑能量的均勻性。由四象限探測原理可知探測器在信號處理時是基于光斑能量分布均勻為前提，因此為了保證探測精度，不同視場光斑能量分布必須均勻;其次是光斑直徑大小。根據(jù)式(1)和式(2)，光斑面積不能比探測器面積大;另外光斑面積也不能太小，通常光斑直徑尺寸2r為探測器直徑尺寸2R的一半［11］。結(jié)合工程實際經(jīng)驗，即探測器響應(yīng)度差異，光斑直徑應(yīng)稍大于探測器直徑尺寸，這樣可在測量范圍內(nèi)使測量偏差保持在合理的限度內(nèi)［12-13］。另外線性視場范圍內(nèi)各個視場光斑直徑尺寸應(yīng)大小一致，偏差量控制在5%以下?？傊夭ü獍叱叽缗c光學(xué)系統(tǒng)視場大小密切相關(guān)，要結(jié)合探測器的幾何尺寸以及系統(tǒng)的靈敏度和角跟蹤誤差的要求，通過優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計來進(jìn)行合理選擇。

3.1.2 對光學(xué)系統(tǒng)像差要求

實際光學(xué)系統(tǒng)都存在一定像差，在設(shè)計時必須對其進(jìn)行控制，對四象限探測光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像差控制最主要的目的是保證聚焦光斑內(nèi)能量分布均勻。系統(tǒng)中目標(biāo)指示器光源都是波段較窄的激光器，在探測接收光學(xué)系統(tǒng)中會加入窄帶濾光片，因而不存在色差，只需要考慮球差、彗差、像散、場曲、畸變等5種單色像差。球差影響光斑的大小而不影響其分布對稱性;彗差、像散、場曲和畸變這4種像差的產(chǎn)生將影響光斑分布的均勻性［14-16］。但需要注意的是激光制導(dǎo)四象限探測光學(xué)系統(tǒng)是能量探測系統(tǒng)，屬于大像差系統(tǒng)，主要作用是接受能量，因此需校正的像差和評價方法不同于成像系統(tǒng)。成像光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法是以尋找最小光學(xué)彌散斑為目標(biāo)，而不考慮能量分布是否均勻。激光探測光學(xué)系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計時，要摒棄光學(xué)設(shè)計軟件的自動優(yōu)化功能，人為地加入操作數(shù)去校正球差之外的那4種非對稱像差，以達(dá)到優(yōu)化光線非對稱性的作用［17］。對于球差，首先在光斑聚焦焦面位置處將其控制在合理的范圍內(nèi)，然后調(diào)節(jié)四象限探測器離焦距離，使線性視場范圍內(nèi)各個視場光斑直徑尺寸滿足四象限探測光學(xué)系統(tǒng)對光斑尺寸的要求。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

(1)波長λ:1 064 nm;

(2)通光口徑D:≥Φ20 mm;

(3)視場2ω:±12°;

(4)線性視場2ω':±6°;

(5)角精度:優(yōu)于0.3°;

(6)光敏面尺寸:Φ10 mm。

3.2.2 設(shè)計結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時盡可能簡化其結(jié)構(gòu)形式、減輕重量。根據(jù)指標(biāo)要求，利用ZEMAX軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終采用兩片材料為ZF2的單透鏡片實現(xiàn)系統(tǒng)12°(±6°)大線性視場指標(biāo)，并將濾光片放置在兩片單透鏡之間，減小了濾光片入射角度，降低了濾光片的設(shè)計加工難度，保證了波長的穩(wěn)定性，降低了成本。設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)三維圖Fig.2 3D optical diagram

光學(xué)系統(tǒng)入瞳D為22 mm，F(xiàn)數(shù)為0.8，系統(tǒng)總長為23 mm，總質(zhì)量為18.4 g。通過優(yōu)化透鏡曲率半徑和鏡片間的距離來減小5種單色像差，同時為了減小不同視場光斑大小的差異性，在第一個透鏡的第一面使用了二次非球面。

3.2.3 像質(zhì)評價

探測光學(xué)系統(tǒng)主要關(guān)注光斑能量分布均勻性，因此不能用成像系統(tǒng)的傳統(tǒng)評價方法，一般主要是通過點列圖、光線足跡圖、包圍能量分布圖來評價。

(1)點列圖

點列圖可以反映不同視場的光斑大小及能量分布，對分析光斑分布均勻性有一定指導(dǎo)意義，圖 3分別給出了 0°、3°、6°、8°和 12°視場的光斑點列圖。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)點列圖Fig.3 Spot diagram of optical system

從圖3 中可以看出，0°、3°、6°、8°和 12°視場光斑直徑大小分別為 7.1、7.25、7.3、7.3、7.3 mm，最大偏差量小于3%，且光線分布比較均勻，滿足四象限探測對光斑尺寸的要求。

(2)光線足跡圖

光線足跡圖主要是為了顯示不同視場光斑在探測器光敏面的位置，可以直觀地得到光斑和探測器中心的相對位置，圖4分別給出了0°、6°和12°時光斑的痕跡圖。

圖4 光斑痕跡圖Fig.4 Spots footprint

由圖4可以看出，視場為6°時，光斑邊緣剛好和探測器邊緣重合，滿足線性視場±6°的指標(biāo)要求。

(3)包圍能量分布曲線

圓內(nèi)能量是像直徑函數(shù)的能量百分比，包含80%能量的圓的直徑。圖5給出了不同視場下光斑包圍能量分布曲線。

圖5 不同視場包圍能量曲線Fig.5 Encircled energy curves for different fields

由圖5可以看出，各視場光斑能量的分布均勻一致，可以較好地滿足系統(tǒng)的使用要求。3.2.4 系統(tǒng)仿真

利用TracePro光學(xué)分析軟件，進(jìn)行仿真建模分析，如圖6 所示。分別對 0°、3°、6°視場追跡光線，得到不同視場探測器上的光斑分布情況，如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)仿真Fig.6 System simulation

圖7 不同視場光斑分布情況Fig.7 Spots distribution for different fields

由圖7可以看出，仿真結(jié)果與設(shè)計結(jié)果一致，各視場光斑能量分布較均勻，設(shè)計結(jié)果可行，可較好地滿足系統(tǒng)的使用要求。

4 實驗測試

完成四象限探測光學(xué)系統(tǒng)加工裝配后，利用1 064 nm光源、平行光管、精密轉(zhuǎn)臺和示波器搭建實驗平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行線性視場測試。光學(xué)系統(tǒng)和探測器均關(guān)于方位軸和俯仰軸對稱，在系統(tǒng)測試時可將目標(biāo)和四象限探測系統(tǒng)俯仰調(diào)平，只改變目標(biāo)方位角觀測探測系統(tǒng)輸出特性。實驗系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 實驗系統(tǒng)原理框圖Fig.8 Principle diagram of testing system

4.1 線性視場測試

1 064 nm光經(jīng)平行光管后出射為平行光束，再經(jīng)過探測光學(xué)系統(tǒng)聚焦到四象限探測器光敏面上，探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。命令控制使高精度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動范圍為－12°～12°(相對值)，每次轉(zhuǎn)動1°，數(shù)據(jù)采集處理后與理論式(1)、(3)進(jìn)行對比，如圖9所示。

圖9 線性視場曲線Fig.9 Linear field curve

圖9可以看出線性視場測試曲線與理論曲線符合，四象限探測系統(tǒng)線性視場為±6°，滿足指標(biāo)要求。

4.2 角精度測試

線性視場內(nèi)測角精度是探測系統(tǒng)中另一重要指標(biāo)要求，也是驗證四象限探測光學(xué)系統(tǒng)性能的一項重要參數(shù)。本系統(tǒng)測角精度數(shù)據(jù)見表1。

表1 角精度測量數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data of angle precision (°)

表1表明，四象限探測系統(tǒng)在±6°線性視場內(nèi)測角精度優(yōu)于0.15°，極好地滿足系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

激光探測光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的好壞，對系統(tǒng)探測性能起著非常重要的作用。本文對采用四象限探測器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了深入細(xì)致的探討。根據(jù)系統(tǒng)對光斑均勻性的要求，對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時的像差進(jìn)行分析，總結(jié)其像差校正的特點，結(jié)合系統(tǒng)指標(biāo)要求，研制一套線性視場為12°的光學(xué)系統(tǒng)，其線性視場實測曲線與理論曲線相符，測角精度優(yōu)于0.15°，充分驗證設(shè)計過程的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡單，重量輕，較好地滿足了激光探測系統(tǒng)的使用要求。

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