用于激光定向紅外對(duì)抗的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 博，陶 忠，秦 川，張璟玥，孫 武，李 明

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

隨著制導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，紅外成像型導(dǎo)引頭由于其具有靈敏度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、全天候工作等特點(diǎn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要的作用。成像型探測(cè)器在越南戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中的戰(zhàn)績(jī)表明，紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)的威脅不斷加劇，如何對(duì)抗這種威脅是目前研究的熱點(diǎn)[1]。激光干擾是對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的一種理想手段。通過(guò)中紅外激光束輻照，使系統(tǒng)的紅外探測(cè)器飽和或暫時(shí)失效，從而導(dǎo)致目標(biāo)無(wú)法檢出，失去制導(dǎo)能力。這就促使人們開(kāi)發(fā)出定向紅外對(duì)抗（DIRCM）技術(shù)，即將紅外干擾能量集中在導(dǎo)彈到達(dá)角的小立體角內(nèi)，瞄準(zhǔn)導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭定向發(fā)射，使干擾能量聚焦在紅外導(dǎo)引頭上，從而干擾或飽和紅外導(dǎo)引頭上的探測(cè)器和電路，使導(dǎo)彈丟失靶標(biāo)[2]。

目前，國(guó)際上典型的對(duì)抗系統(tǒng)有諾·格公司的通用紅外對(duì)抗（CIRCM)）系統(tǒng)，BAE系統(tǒng)公司的Boldstroke激光定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)以及以色列ELBIT-ELOP公司[3]的多波段紅外對(duì)抗系統(tǒng)（MUSIC），其外形如圖1～圖3所示。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，各種系統(tǒng)不斷改進(jìn)，系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、功耗進(jìn)一步減小，并朝著通用化、模塊化、系列化方向發(fā)展[4-5]。

圖1 BAE系統(tǒng)公司的ATIRCMFig.1 ATIRCM of BAE system corporation

圖2 諾·格公司的CIRCMFig.2 CIRCM of Northrop corporation

圖3 ELBIT-ELOP的C-MUSICFig.3 C-MUSIC of ELBIT-ELOP

根據(jù)激光定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了可用于激光定向紅外對(duì)抗的光學(xué)系統(tǒng)，采用共光路設(shè)計(jì)的方案[6]，由激光干擾光路和紅外成像光路兩部分組成。激光對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈進(jìn)行干擾，提高自身生存能力；紅外成像光路自動(dòng)檢測(cè)來(lái)襲導(dǎo)彈目標(biāo)，通過(guò)跟蹤平臺(tái)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行精確跟蹤和瞄準(zhǔn)。光學(xué)系統(tǒng)采用立方棱鏡實(shí)現(xiàn)俯仰和方位掃描，激光和紅外的共光路設(shè)計(jì)使光學(xué)系統(tǒng)具有小型化、輕量化的特點(diǎn)。

1 光學(xué)系統(tǒng)方案

系統(tǒng)要求具備激光發(fā)射和紅外成像功能，同時(shí)能夠在方位360°及俯仰0°～90°掃描，設(shè)計(jì)中需要考慮掃描組件的方案以及光學(xué)系統(tǒng)總體布局。掃描組件方案有兩種：1）2個(gè)反射鏡實(shí)現(xiàn)光路折轉(zhuǎn)和方位俯仰掃描；2）采用立方棱鏡實(shí)現(xiàn)俯仰向和方位向的掃描，如圖4所示。

圖4 掃描方案Fig.4 Scanning scheme

從圖4可以看出，雙反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較長(zhǎng)，導(dǎo)致頭部的體積增加；立方棱鏡掃描方案可實(shí)現(xiàn)方位俯仰掃描功能，體積空間相對(duì)較小，在實(shí)際工程中已有使用。因此本文方案選用立方棱鏡[7-8]掃描的方式。

為實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射和紅外成像光路同步掃描，可以采用先分光后設(shè)計(jì)紅外和激光光路或者紅外和激光共光路設(shè)計(jì)后再分光的思路，采用第2種方案能兼顧系統(tǒng)功能和壓縮掃描棱鏡、分光鏡和紅外透鏡等零件口徑，縮小系統(tǒng)體積，本文采用激光紅外共光路的設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。光學(xué)系統(tǒng)由光學(xué)窗口、掃描組件、共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)、分光鏡、紅外物鏡組等組成，掃描組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光軸在俯仰及方位向內(nèi)掃描，共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)既參與紅外光路成像，也實(shí)現(xiàn)激光光路的擴(kuò)束發(fā)射，共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)和紅外物鏡組組成紅外成像光路。

圖5 共光路光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of common-path optical system

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1）激光光路

激光波段：3.7 μm；

激光器輸出：光束口徑φ10 mm；

擴(kuò)束倍率：2×。

2）紅外光路

波段：3 μm～5 μm；

視場(chǎng)：5.5°× 4.4°；

探測(cè)器：中波640×512 pixel；

像元：15 μm。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩部分，即共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)和紅外物鏡組，共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)兼顧激光擴(kuò)束，為無(wú)焦系統(tǒng)，起到激光準(zhǔn)直擴(kuò)束作用。紅外光路焦距等于紅外物鏡組焦距和共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)倍率的乘積：

式中：β為共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)倍率；f′為紅外物鏡組的焦距；f為紅外光路的總焦距。共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)可采用開(kāi)普勒和伽利略?xún)煞N形式，考慮光學(xué)系統(tǒng)中激光的特性及其對(duì)能量的要求，共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用伽利略望遠(yuǎn)鏡。

根據(jù)紅外系統(tǒng)的視場(chǎng)和探測(cè)器得到光學(xué)系統(tǒng)總焦距為99.7 mm，共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)倍率為2×，根據(jù)（1）式得出紅外物鏡組焦距f′為49.8 mm。選擇一個(gè)視場(chǎng)和焦距接近的紅外光學(xué)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，并將紅外鏡組參數(shù)作為變量進(jìn)行優(yōu)化。為提高像質(zhì)，在紅外鏡組中引入了一個(gè)高次非球面以校正光學(xué)系統(tǒng)像差。在系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，除對(duì)光學(xué)系統(tǒng)焦距、透鏡間隔、系統(tǒng)長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行約束外，針對(duì)紅外系統(tǒng)還需要對(duì)某視場(chǎng)上下邊緣光線在冷光欄面上的入射高度也進(jìn)行約束，其目的是使上光線產(chǎn)生的正漸暈與下光線產(chǎn)生的負(fù)漸暈絕對(duì)值接近，這樣軸外點(diǎn)與軸上點(diǎn)的入瞳口徑相當(dāng)，可使像面照度均勻。此外也避免了系統(tǒng)產(chǎn)生大的過(guò)口徑（即實(shí)際通光口徑與軸上光束口徑之差），同時(shí)也有利于提高像質(zhì)。

光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)預(yù)先給定1.0視場(chǎng)（即以下語(yǔ)句中f1）上下光線的漸暈，通過(guò)控制光線在冷光欄面上的入射高度及其差別實(shí)現(xiàn)上述目的[9]。用CODE V軟件優(yōu)化的方法如下：

@DeltaY==((y r2 si f1)+(y r3 si f1))；！假設(shè)冷光欄面為第i面

@DeltaY =0;

@Hy==(y r2 si f1);

@Hy=X；！冷光欄半口徑為Xmm

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

1）光學(xué)系統(tǒng)外形圖

根據(jù)空間布局要求，激光器發(fā)射的激光通過(guò)分光鏡和共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)、立方棱鏡至光學(xué)窗口出射，紅外光路的光則經(jīng)過(guò)光學(xué)窗口、立方棱鏡，分光鏡和紅外鏡組后至探測(cè)器，光學(xué)系統(tǒng)具體光路如圖6所示。

2）像質(zhì)評(píng)價(jià)

共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)為2×無(wú)焦系統(tǒng)，采用正負(fù)透鏡組合的伽利略望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)2×的擴(kuò)束要求，具體光路如圖7所示。

圖7 望遠(yuǎn)系統(tǒng)光路Fig.7 Optical path diagram of telescopic system

紅外成像光路設(shè)計(jì)完成后的光路圖如圖8所示，點(diǎn)列圖和光學(xué)傳遞函數(shù)曲線分別如圖9和圖10所示。從圖9中可以看出，紅外光路所有視場(chǎng)的點(diǎn)列圖最大值約為 11 μm，探測(cè)器像元為15 μm×15 μm，符合探測(cè)器要求。從不同視場(chǎng)的子午、弧矢?jìng)鬟f函數(shù)曲線可看出，其數(shù)值均接近衍射極限。因此，該設(shè)計(jì)完全滿足系統(tǒng)要求。

圖8 紅外系統(tǒng)光路Fig.8 Optical path diagram of infrared system

圖9 不同視場(chǎng)點(diǎn)列圖Fig.9 Spot diagram of different field of view

圖10 光學(xué)傳遞函數(shù)Fig.10 Optical transfer function

3 激光散射分析與優(yōu)化

此類(lèi)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，由于激光干擾能量較強(qiáng)并處于紅外成像光路可接收的波段范圍內(nèi)，紅外激光發(fā)射時(shí)光學(xué)窗口、立方棱鏡、共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)的散射可通過(guò)紅外物鏡組到達(dá)探測(cè)器靶面[10-11]。設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)評(píng)估激光對(duì)紅外光路的影響，避免出現(xiàn)互相干擾。為保證像質(zhì)，優(yōu)化光路時(shí)需滿足以下要求：

1）進(jìn)入到紅外探測(cè)器靶面的激光能量盡可能少；

2）激光能量均勻分布。

針對(duì)以上分析，設(shè)計(jì)時(shí)可綜合利用CODE V和LightTools軟件的分析優(yōu)化功能，CODE V用于紅外成像性能評(píng)估和優(yōu)化，Lightools用于評(píng)估和優(yōu)化激光后向散射能量分布[12-13]。

由于激光能量主要由共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)透鏡的散射引入，分析時(shí)采取如下步驟：首先優(yōu)化像質(zhì)，利用LightTools進(jìn)行光學(xué)元件散射能量評(píng)估，當(dāng)能量滿足使用要求時(shí)結(jié)束設(shè)計(jì)，否則利用CODE V和LightTools重復(fù)進(jìn)行像質(zhì)和散射能量?jī)?yōu)化[14]，最終使兩者均滿足使用要求。具體優(yōu)化流程如圖11所示。

圖11 光學(xué)優(yōu)化流程Fig.11 Flow chart of optical optimization

將光學(xué)系統(tǒng)模型導(dǎo)入LightTools中，建立激光發(fā)射光源、透鏡和反射鏡模型，其中散射采用LightTools中的反射特性近似模擬。

優(yōu)化時(shí)主要控制對(duì)結(jié)果貢獻(xiàn)較大的透鏡半徑進(jìn)行步進(jìn)式、小量化調(diào)整，逐步調(diào)整探測(cè)器靶面接收的激光能量[15]，并且保證紅外成像性能優(yōu)良。圖12為光學(xué)系統(tǒng)模型，圖中右側(cè)為模擬激光發(fā)射光源。圖13和圖14分別為優(yōu)化前后探測(cè)器靶面接收到的能量，通過(guò)對(duì)比能夠看出能量有明顯的下降。

圖12 光學(xué)系統(tǒng)模型Fig.12 Model of optical system

從圖13和圖14可以看出，適當(dāng)優(yōu)化部分透鏡的參數(shù)，能夠減小進(jìn)入到紅外成像光路的激光能量，進(jìn)入到探測(cè)器靶面的能量和均值都有所降低，總功率從5.08×10?5W降低至3.05×10?5W，平均值從7.36×10?7W/mm2降低為4.39×10?7W/mm2。利用CODE V和LightTools 2個(gè)設(shè)計(jì)軟件聯(lián)合優(yōu)化，CODE V優(yōu)化系統(tǒng)成像性能，LihtTools優(yōu)化光線路徑，控制到達(dá)探測(cè)器的激光能量。圖13和圖14中的數(shù)據(jù)為優(yōu)化示例，提供一種設(shè)計(jì)思路，具體數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際選用探測(cè)器的參數(shù)來(lái)確定。

圖13 優(yōu)化前數(shù)據(jù)Fig.13 Data before optimization

圖14 優(yōu)化后數(shù)據(jù)Fig.14 Data after optimization

4 結(jié)論

本文基于激光定向紅外對(duì)抗裝備的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一套激光紅外共光路光學(xué)系統(tǒng)。采用激光發(fā)射和紅外成像共光路的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)前端為光學(xué)窗口、掃描棱鏡、共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，并且有效地壓縮了光學(xué)零件尺寸，使光學(xué)系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，適用于機(jī)載裝備的使用。此外，設(shè)計(jì)中采用CODE V和LightTools聯(lián)合優(yōu)化的方法，采用小量調(diào)整的思路多次優(yōu)化，可降低中波激光發(fā)射對(duì)紅外成像光路影響，保證紅外光路成像性能不受影響。