基于四象限探測器的激光導引鏡頭的研制

張軍強，謝　飛，薛慶生，辛久喜

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;

2.洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009;

3.大連歐普迪光電儀器有限公司，遼寧 大連 116001)

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基于四象限探測器的激光導引鏡頭的研制

張軍強1，謝飛2，薛慶生1，辛久喜3*

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;

2.洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009;

3.大連歐普迪光電儀器有限公司，遼寧 大連 116001)

摘要：為了滿足激光制導對大視場、高線性度探測的性能要求，基于激光制導炸彈的應用需求，介紹了四象限探測器的工作原理和特點，分析了光斑大小、能量均勻性、線性度、探測距離等參數對探測精度的影響；結合系統性能指標，選擇了合理的光學系統結構類型，完成了光學系統設計和光機結構設計；利用畸變、點列圖、足跡圖、能量集中度等指標對系統性能進行了評價，并分析了目標大小和探測距離對光斑大小的影響。測試結果表明，激光導引鏡頭總視場為±20°、線性視場為±10°、目標大小為1.5～2.4 m、探測距離為50 m～4 km、測角精度優于0.2°，能夠滿足激光導引的需求。

關鍵詞:激光導引頭；四象限探測；光學設計；光機結構設計；仿真分析

Laser guided lens based on four-quadrant detector

ZHANG Jun-qiang1, XIE Fei2, XUE Qing-sheng1, XIN Jiu-xi3*

1引言

隨著電子、信息、材料、光學、機械等學科的飛速發展，現代戰爭已經演化為一個能量密集型、信息密集型、知識密集型的復合系統，激光制導炸彈是一個代表性的例子。激光制導炸彈擺脫了傳統炸彈“以量取勝、打哪里指哪里”的作戰模式，使炸彈的功能和性能發生了質的飛躍，其高命中率、低成本的特點在近現代歷次戰爭中得到充分的體現[1-3]。

四象限探測器屬于主動能量非成像探測，基于四象限探測器的光電探測系統較多元探測系統、紅外探測系統在探測效率、可靠性、抗干擾能力、復雜程度、質量體積、成本等諸多方面具有無可比擬的優越性，被廣泛應用于激光制導、激光跟蹤等領域[4-5]。當前，國內四象限探測系統的線性區較小，研制大視場、大線性區、高精度測角、小型化、可靠性高的導引鏡頭是激光制導的發展方向。

本文介紹了四象限探測器的工作原理和特點，選擇了合理的光學系統結構類型，完成了光學系統設計和光機結構設計，并利用畸變、點列圖、足跡圖、能量集中度等指標對系統性能進行了評價。結果表明，激光導引鏡頭總視場為±20°、線性視場為±10°、目標大小為1.5～2.4 m、探測距離為50 m～4 km、測角精度優于0.2°，各項指標達到國內先進水平。

2基于四象限探測器的激光制導原理

2.1　激光制導對導引頭的需求

激光制導具有制導精度高、抗干擾能力強、結構簡單、成本低、可靠性高等優點。由激光制導的原理可知，激光導引系統應具備以下特征：

(1)大視場：較大的視場能夠保證導彈較大的搜索范圍，增強導彈飛行中段的機動適應性，降低目標高速運動或更改攻擊目標時脫靶的風險。

(2)大線性區：導彈飛行過程中，氣流、自身振動等因素會嚴重干擾彈體的飛行彈道，大線性區是實現高精度彈道修正的前提和保障，有利于降低彈道修正的次數，提高攻擊效率。

(3)高精度測角：激光導引頭的本質是一個激光測角系統[6]，角度偏差是彈道修正的依據，側角精度直接決定了制導炸彈最終攻擊的圓概率誤差。

2.2　四象限探測器的探測原理

四象限探測器的光敏面被分割為4個面積相等、形狀相同、位置對稱、光電響應一致的扇形區域，每個區域為一個獨立的光電探測單元，能夠根據接收到的能量獨立輸出對應幅值的電信號。通過對每個區域輸出的電信號進行計算，可以得到目標相對視軸的偏移量，如圖1所示[5, 7-8]。

圖1　四象限探測器的探測原理 Fig.1　Detecting principle of four-quadrant detector

圖1中，R為探測器光敏面的半徑，r為探測器光敏面上光斑半徑，(x，y)為光斑形心在探測器光敏面坐標系中的位置坐標，A、B、C、D表示光敏面的4個象限，對應的輸出電壓信號為VA、VB、VC、VD。

對于理想的四象限光電探測系統，當目標與探測系統視軸對準時，在四象限探測器上的圓形光斑位于探測器感光面的中心，即VA、VB、VC、VD的幅值理論上應完全相等，此時有：

(1)

(2)

當目標相對于探測系統視軸有俯仰(上下)角度偏差時，有：

(3)

當目標相對于探測系統視軸有方位(左右)角度偏差時，有：

(4)

根據四象限探測器A、B、C、D4個象限的輸出信號值，可以計算出光斑中心在四象限探測器上的坐標(x，y)；根據光學系統的焦距f可以計算出目標的方位角偏差α、俯仰角偏差β：

(5)

(6)

因此，利用四象限探測器輸出信號，能夠快速得到目標相對于系統視軸的角度偏差，為瞄準、跟蹤提供修正數據。關于四象限探測器的測角算法及精度分析，國內外學者進行了大量的研究[9-13]，本文不再贅述。

3激光導引頭光學系統設計及性能分析

3.1　激光導引系統的需求分析

3.1.1光斑大小

四象限激光探測系統對光斑大小的需求包括兩方面：

(1)光斑直徑大小

在線性視場范圍內，光斑必須始終位于四象限探測器的光敏面內，且四個象限光敏區域均含有響應。因此，光斑直徑應滿足R<2r<2Rr，光斑的具體大小應根據線性視場大小確定。

顯然，線性視場越大，系統可探測的角度偏差范圍越大，但光斑在四象限探測器光敏面上的相對位移量較小，角度探測精度隨之降低。光斑直徑、線性視場、角度探測精度等3個指標在實際應用過程中需要權衡設計。

(2)光斑穩定性

光斑穩定性是指線性視場內，同一被探測目標在不同視場角時，在四象限探測器光敏面上的光斑大小變化量(一致性)。由于光斑能量分布不可能絕對均勻，所以同一目標、不同視場條件下的光斑穩定性直接影響著系統對目標角度的探測精度。為了提高測量精度，需要盡量提高光斑的均勻性，相關學者也提出了一些改進算法[11,14]。當前，國內四象限激光探測系統的光斑穩定性一般為3%～5%，國外同類儀器一般要求優于3%。

3.1.2光斑能量分布均勻性

四象限激光探測系統對光斑能量分布均勻性的需求包括兩方面：

(1)同一視場光斑能量分布均勻性

由四象限探測原理可知，A、B、C、D4個象限的輸出的信號值只與光斑在每個象限的總能量有關，而無法探測出具體的能量分布，現有信號處理算法一般也都是基于光斑能量均勻分布而言的。所以，同一視場光斑能量分布均勻性對四象限激光探測系統至關重要，直接影響系統的角度測量精度。

當然，任何光學系統也無法實現光斑內能量的絕對均勻分布，而只能將其控制在一定范圍內，殘余誤差一般通過系統標定消除或改進的算法修正[15]。

(2)不同視場光斑能量分布穩定性

不同視場光斑能量分布穩定性是指線性視場內，同一被探測目標在不同視場角時，在四象限探測器光敏面上的光斑能量分布變化量(一致性)，其對角度測量精度的影響與光斑穩定性類似。

小量級、單視場光斑能量分布非均勻性可以通過系統標定校正，而不同視場光斑能量分布穩定性則較難標定，一般需要通過光學系統設計保證。

3.1.3系統線性度

根據目標的方位角偏差α、俯仰角偏差β的計算公式可知，目標角度偏差計算是基于像面位移量、焦距、視場角三者關系的幾何光學基本公式，所以，在線性視場內，光學系統應滿足線性系統特征。

系統線性度主要通過降低光學系統畸變來保證，一般要求畸變在0.5%左右，這也是此類光學系統的設計難點之一。

3.1.4四象限探測器象限非均勻性

象限非均勻性與四象限探測器性能、信號采集電路等因素有關[16]，與光學系統無關，在此不多贅述。

3.2　激光導引光學系統設計

3.2.1光學系統性能指標

波長：1 064 nm；

相對孔徑：F#=0.8；

視場：總視場±20°、線性視場±10°；

有效目標大小：1.5～2.4 m；

有效探測距離：50 m～4 km；

光敏面大小：Φ10 mm；

角度測量精度：優于0.2°。

3.2.2光學系統設計

根據設計輸入，該四象限激光探測系統的光學系統特點是大視場、大相對孔徑、低畸變、高穩定性，光學系統采用改進型的雙高斯結構。由于光源為波段較窄的激光器，并在光學系統中加入窄帶濾光片抑制環境光，因而不存在色差，只需考慮5種單色像差。因為球差不影響光斑分布的對稱性，所以只需校正彗差、像散、場曲和畸變，保證不同視場的光斑尺寸和能量的均勻性。通過調節離焦距離，使線性視場范圍內各個視場光斑直徑尺寸滿足系統對光斑尺寸的要求。

光學系統由整流罩和改進型雙高斯透鏡組構成，通過優化曲率半徑和鏡片間隔實現了像差優化。系統入瞳直徑為15 mm，F數為0.8，最大口徑為Φ50 mm，光學系統總長為100 mm，主動離焦量為0.548 mm。整流罩采用藍寶石材料，第一片透鏡的第二個光學表面采用二次非球面，非球面系數k=-3.378 24，材料為H-ZF6，如圖2所示。

圖2　光學系統結構圖 Fig.2　Diagram of optical structure

為了減小濾光片的入射角度，降低由于入射光錐角導致的譜線漂移量[17]，將濾光片置于孔徑光闌附近，以縮小濾光片的口徑，降低成本和質量。濾光片選用日本西格瑪光機VPF-25C-01-30-10640型窄帶濾光片(部分參數定制)，1 nm～3.0 μm截止區透過率小于0.01%、半高寬為1 nm、峰值透過率大于45%、基板厚度為2.5 mm。

3.3　激光導引光學系統性能分析

激光制導導引頭光學系統主要關注光斑穩定性和能量分布均勻性，因此不能用傳統成像系統的評價方法，一般是通過光學系統畸變、點列圖、光線足跡圖、包圍能量分布圖等來評價[4-5, 12]。

3.3.1光學系統畸變

畸變不僅影響不同視場光斑直徑穩定性和光斑能量分布穩定性，還直接決定著系統的線性度，是此類光學系統的一個重要的技術指標。本光學系統優化設計后的畸變控制在0.3%左右，如圖3所示，滿足設計要求。

圖3　光學系統畸變曲線(目標大小為1.5 m，探測距離為4 000 m) Fig.3　Distortion of optical system(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.2點列圖

點列圖可以反映不同視場的光斑大小和能量分布，對分析光斑分布均勻性有一定指導意義，圖4給出了線性視場內0°、2°、4°、6°、8°、10°視場的光斑點列圖。從圖中可以看出，0°、2°、4°、6°、8°、10°視場光斑直徑大小分別為5.05、5.04、5.06、5.05、5.08、5.09 mm，最大偏差量小于1%，且光線分布比較均勻，滿足四象限探測對光斑尺寸的要求。

圖4　不同視場的點列圖分布(目標大小為1.5 m，探測距離為4 000 m) Fig.4　Spot of optical system(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.3光線足跡圖

光線足跡圖主要為了顯示不同視場光斑在探測器光敏面上的位置，可以直觀地得到光斑和探測器中心的相對位置。圖5給出了線性視場內0°、10°、20°視場時光斑的痕跡圖。

從圖5中可以看出，視場為10°時，光斑邊緣與探測器邊緣接近，但未超出探測器光敏面，而且覆蓋所有四個象限；視場為20°時，光斑位于四象限探測器光敏面的面積大于50%，滿足探測視場±20°、線性視場±10°的指標要求。

圖5　光線足跡圖(目標大小為1.5 m，探測距離為4 000 m) Fig.5　Spot of footprint(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.4能量集中度曲線

能量集中度曲線表示光斑能量隨光斑直徑的分布情況，圖6給出了視場0°、10°、20°的能量集中度曲線。由圖6可知，能量與光斑直徑近似成拋物線關系，能量分布較均勻，10°線性視場內光斑能量分布穩定性優于1.5%，滿足設計要求。

圖6　不同視場光斑能量集中度曲線(目標大小為1.5 m，探測距離為4 000 m) Fig.6　Geometric encircled energy for different fields(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.5目標大小、探測距離對光斑大小的影響

由激光制導的原理可知，對于視場角一定的

引導激光束和導引鏡頭，引導激光發射平臺與目標之間不同的距離，導引頭接收到的激光回波光斑大小也將發生變化，本系統要求有效目標大小1.5～2.4 m、有效探測距離為50 m～4 km范圍內均能正常工作。

為了保證遠距離、小目標探測時具有足夠大的光斑直徑，而在近距離、大目標探測時又不至于光斑溢出探測器光敏面，對焦距、離焦量等系統技術指標進行了權衡設計。通過光線追跡，中心視場時目標大小、探測距離對光斑大小的影響如表1所示。

表1　中心視場目標大小和探測距離

由表1可知：

(1)同一探測距離時，目標大小對光斑直徑影響相對較小；

(2)同一目標大小時，探測距離對光斑直徑影響較大；

(3)短距離探測時，光斑直徑受目標大小的影響較為顯著。

本系統線性視場角10°，邊緣視場對應的光斑極限位移量為2.1 mm，遠距離、小目標和近距離、大目標兩種極端工況下的光斑余量為：

(1)目標大小為1.5 m、探測距離為4 000 m時，線性視場邊緣狀態下，光斑中心余量為0.424 mm，探測器四個象限均有響應；

(2)目標大小為2.4 m、探測距離為50 m時，線性視場邊緣狀態下，光斑邊緣余量為0.114 8 mm，光斑相對于探測器感光面無溢出。

綜上所述，光斑直徑、焦距等系統指標設計合理，能夠滿足探測需求。

3.3.6溫度變化對光斑大小的影響

由于工作環境的特殊性，溫度對導引頭光學系統的影響不容忽視。對于非成像的導引頭光學系統，一般用不同溫度下的點列圖反映光斑大小和形狀的變化，表2為目標大小為1.5 m，探測距離為4 000 m時，不同溫度下的系統點列圖變化。

表2　不同溫度載荷下系統光斑大小的變化

由表2可知：

(1)同一溫度、不同視場的光斑大小基本一致，最大偏差量小于1%，滿足四象限探測對光斑尺寸的要求；

(2)不同溫度下，所有視場的光斑大小均發生線性變化，隨著溫度升高，光斑大小將變小，20 ℃溫差時變化量在1.5%左右，但并不影響光斑中心在四象限探測器上的坐標位置，滿足四象限探測對光斑尺寸的要求。

4激光導引光學鏡頭的結構設計

本系統為一個中小口徑、中等精度、透射式近紅外光學系統(如圖7所示)，為了滿足大溫差的工作需求，采用線膨脹系數匹配鈦合金鏡座，保證鏡頭的溫度適應性；鏡座之間留有圓形通氣孔，滿足不同溫度、壓力條件下的放氣需要；鏡座內壁采用噴砂、發黑的表面處理工藝，實現雜散光抑制；采用定心車的裝配工藝，在滿足光學公差的前提下，易于實現批量生產。

圖7　光導引頭結構設計 Fig.7　Opti-mechanical design of laser seeker

5樣機測試

原理樣機研制由洛陽電光設備研究所資助，在大連歐普迪光電儀器有限公司完成加工、裝配后，利用鹵鎢燈光源、反射式紅外平行光管(星點目標板)、高精度轉臺對系統的線性視場、角度測量精度等關鍵指標進行了測試。使用寬帶光源而非單波長激光光源可使測試更接近實際工作狀態，同時檢驗系統的雜光抑制性能。

首先，調整四象限探測器的像面坐標系與大地坐標系平行，測試水平方向(方位角)的相關性能參數；然后，將鏡頭沿光軸旋轉90°，等效測試豎直方向(俯仰角)的相關性能參數，測試系統如圖8所示。鑒于篇幅有限，在此僅列出方位角的測試結果，如圖9、圖10所示。

圖8　樣機性能測試 Fig.8　Testing for prototype

圖9　線性視場測試結果 Fig.9　Results of linear field testing

圖10　角度測量誤差測試結果 Fig.10　Angle errors of tracking accuracy

圖10中，角度測量誤差用實際測量結果相對于理論計算值的相對差值表示，由圖9、圖10可知，系統性能滿足線性視場±10°、測角精度優于0.2°的指標要求。

6結論

根據激光制導的工作原理，分析了基于四象限探測器激光制導鏡頭的指標需求，完成了光學系統設計和光機結構設計，并利用畸變、點列圖、足跡圖、能量集中度等指標對系統性能進行了評價，最后通過樣機研制和實驗室測試，驗證了線性視場、角度測量精度等關鍵技術指標。結果表明，激光導引鏡頭總視場為±20°、線性視場為±10°、有效目標大小為1.5～2.4 m、有效探測距離為50 m～4 m、測角精度優于0.2°，滿足設計指標要求。

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張軍強(1981—)，男，江蘇泰興人，博士，副研究員，2004年、2007年于吉林大學分別獲得學士、碩士學位，2012年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事航空航天光學遙感儀器研制、光機系統整體性能評價等方面的研究工作。E-mail:zjq1981_81@163.com

謝　飛(1984—)，男，河南洛陽人，碩士，工程師，2007年于天津大學獲得學士學位，2011年于中國航空研究院獲得碩士學位，主要從事光電檢測、圖像處理等方面的研究。E-mail:xiefei0379@icloud.com

薛慶生(1979—)，男，山東梁山人，博士，副研究員，碩士生導師，2010年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光學系統設計、航空和航天遙感成像光譜技術及光譜輻射定標等方面的研究。E-mail:qshxue2006@163.com

辛久喜(1984—)，男，河北遵化人，學士，工程師，2008年于沈陽航空工業學院獲得學士學位，2011年于華南理工大學獲得碩士學位，主要從事金屬材料、自動控制、機器視覺等方面的研究。E-mail:xinjiuxi@opti-instruments.com

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,

ChineseAcademyofSciences，Changchun130033,China；

2.LuoyangInstituteofElectro-OpticalEquipment,Luoyang471009,China；

3.DalianOptiPhotoelectricInstrumentsCo.,Ltd.,Dalian116001,China)

Abstract:In order to meet the leaser guiding requirements, such as large FOV, high linearity detecting and so on, the working principle and characteristics of four-quadrant detector are introduced based on the application requirements of laser-guided bombs. Spot size, energy uniformity, linearity, detection range and other parameters which influence detection accuracy are analyzed. Based on the system requirements, a reasonable structure type of optical system is selected, and optical system design and machine design are completed. Distortion, spot diagram, footprint and geometric encircled energy are used to evaluate the system performance, and the effects of target size and detection distance on spot size of the guidance system are presented. Test results show that the total FOV is ±20°; the linear FOV is ±10°; the detectable target size is 1.5~2.4 m; the detectable detection range is 50 m~4 km and angle detecting accuracy is better than 0.2°, which meet the needs of laser guidance.

Key words:laser seeker;four-quadrant detector;optical design;opti-mechanical design;simulation analysis

作者簡介：

*Corresponding author， E-mail：xinjiuxi@opti-instruments.com

中圖分類號：TJ765.3; TH743; O435

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0471

文章編號2095-1531(2015)03-0471-09

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(No.2011AA12A103)

收稿日期:2014-12-12；

修訂日期:2015-02-13