半主動激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)微型化設(shè)計與分析

劉雪松 王惠源

【摘要】文章從半主動激光制導(dǎo)武器的探測原理出發(fā)，得出了導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求。結(jié)合現(xiàn)有工藝和技術(shù)設(shè)計了一套微型半主動激光制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，并通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件進行了分析和仿真，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足各項參量要求，對導(dǎo)引頭小型化的研究具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計;半主動尋的制導(dǎo);激光導(dǎo)引頭

引言

激光半主動尋的制導(dǎo)武器（LSSGWS）具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于武器裝備中。激光半主動尋的制導(dǎo)武器核心器件是激光導(dǎo)引頭，導(dǎo)引頭由位于前端的光學(xué)系統(tǒng)收集激光反射的回波，利用四象限探測器作為光電探測器件進行制導(dǎo)。通常情況下，目標信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限探測器靶面上形成一定大小的光斑，通過分析光斑覆蓋在探測器4個不同區(qū)域的面積來判斷目標的方位。

鑒于激光半主動尋的制導(dǎo)方式在導(dǎo)彈、炮彈等大型武器中的成功使用和良好效果。如何將其小型化，并應(yīng)用在小口徑武器已成為當今研究的熱點。文章根據(jù)四象限探測器目標方位探測的工作原理，對目標信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的光斑提出要求，結(jié)合像差對光斑能量分布的影響，利用ZEMAX進行系統(tǒng)設(shè)計。然后提出評價設(shè)計結(jié)果的方法，對激光半主動尋的制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的微型化設(shè)計具有一定的參考作用。

1.四象限探測器原理

四象限探測器的原理如圖1所示。目標反射的激光信號通過制導(dǎo)武器前端的光學(xué)系統(tǒng)在四象限探測器表面形成一個激光光斑。

圖1 四象限探測器原理

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

若激光光斑正好落在象限探測器的中心，如圖1（a）。那么，A、B、C、D 4個象限探測器輸出的信號經(jīng)4路放大器放大后的輸出VA、VB、VB、VB的輻值應(yīng)完全相等，這說明彈丸正好對準了目標[5]。此時有：

（VA+VB）-（VC+VD）=0 ? ? ? ? ? ? ?（1）

（VA+VD）-（VB+VC）=0 ? ? ? ? ? ? （2）

若彈丸未對準目標，則4個象限輸出的電壓幅值不相等，進而（1）、（2）式不成立。利用此偏差信號驅(qū)動彈丸的舵面做出調(diào)整，直至激光光斑落在探測器中心，此時，彈丸軸線正對目標飛行。

2.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

擬定光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標為：

a）波長：940nm;

b）接收透鏡通光口徑：Φ10mm;

c）接收視場2ω：±2°;

d）探測器：Φ4。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標，考慮到國內(nèi)已有導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)形式，微型化的導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)采用如圖2所示的形式，該結(jié)構(gòu)源于卡塞格倫系統(tǒng)將將校正透鏡變?yōu)檎髡?，即做矯正之用又能承受彈丸飛行高速運動的風(fēng)阻。再者，通過在厚透鏡兩側(cè)鍍反射膜，減少了反射鏡的個數(shù)，簡化了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于裝配，容易滿足微型化要求。

3.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計結(jié)果

通過ZEMAX光學(xué)輔助設(shè)計軟件， 設(shè)計了一套激光半主動尋的制導(dǎo)導(dǎo)引頭的光學(xué)系統(tǒng)， 并進行優(yōu)化處理。優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)的各項參量為：有效焦距EFFL=12.5mm，入瞳口徑ENPD=5mm，實際工作F數(shù)WFNO=2.5，最大瞬時視場2=±2°，主反射鏡直徑D1=10mm，整流罩通光孔徑D=20mm，厚度z=1mm，光學(xué)系統(tǒng)軸向長度L=12mm，探測器直徑2R=4mm。

3.2 成像分析

對于激光半主動尋的制導(dǎo)武器的光學(xué)系統(tǒng)，不能單獨用像差的大小作為評價成像質(zhì)量的標準，而要看像差分布曲線是否具有對稱性。如圖3（a）所示。

圖3（a） 1千米的幾何像差曲線

圖3（b） 1千米的視場點列圖

通過圖3（a）中視場角為0o、1o、1.5o、2o的像差特性分布曲線，可以看出通過光學(xué)系統(tǒng)所形成的彌散斑中心像差為零，遠離彌散斑中心的像差分布曲線關(guān)于中心對稱。調(diào)節(jié)探測器距離厚透鏡的距離可以改變彌散斑在探測器上的成像直徑，根據(jù)經(jīng)驗一般取彌散斑的直徑D為：D=R。即光斑直徑為探測器直徑的一半。

通過圖3（b）中視場角為0o、1o、1.5o、2o的光線點列圖，可以看出通過光學(xué)系統(tǒng)所形成的彌散斑成像情況。由此可知，在接收視場2ω為2o的時候，該光學(xué)系統(tǒng)滿足探測器的要求。

從圖2及圖3中可以看出， 目標經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所形成的彌散斑半徑及其成像質(zhì)量（彌散斑能量分布情況）可以滿足激光半主動尋的制導(dǎo)引頭的使用要求。

4.結(jié)論

從導(dǎo)引頭的工作機理和結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，以滿足探測器的性能要求為目標，結(jié)合已有導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套滿足探測器各項參量要求、具有較高成像質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)。同時，該系統(tǒng)具有光學(xué)元件少、結(jié)構(gòu)簡單、裝配容易、體積小等優(yōu)點。文中的分析設(shè)計結(jié)果，較好的滿足了擬定設(shè)計要求，對今后半主動激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的微型化設(shè)計具有一定的參考價值。

參考文獻

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作者簡介：劉雪松（1987—），男，河北邯鄲人，碩士。