魚雷激光引信發射與接收光學系統設計?

朱志巍 顧宏燦 王 鵬

（海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）

1 引言

作為一種新型近炸引信，激光引信在精確定距、抗電磁干擾及目標識別方面具有獨特的優勢。目前，周視激光引信系統在導彈上已得到廣泛應用，其中較有代表性的如法國便攜式西北風導彈、美國響尾蛇導彈等［1］。魚雷作為現代海戰的主戰武器之一，在戰爭中所發揮的作用也不可忽視。而現如今魚雷引信多以聲引信、磁引信為主［2］，激光引信在魚雷上的應用仍處于科研階段，因此對激光引信在魚雷上應用的研究意義重大。

大探測場激光引信系統有四種常見的光束布局方案：多輻射方案、分區方案、區域掃描方案、同步掃描方案［3］。目前基于魚雷應用的激光引信中，南京理工大學采用同步掃描方案，采用掃描折轉機構折轉光束并帶動光束旋轉［4］，實現繞雷軸全周向動態探測，其不可避免的問題就是體積大結構復雜，難以與雷體結合，且自帶的折轉機構由于自身轉動會影響雷體穩定性。而與其他方案相比，分區方案結構簡單，可探測的目標尺寸小，不需要采取機械方式實現周視探測，更有利于雷體的穩定性。因此，結合現有的研究條件，我們認為選擇分區方案是更合適的魚雷激光引信布局方案。

在本文中，將以魚雷為應用背景，設計一種基于分區方案的魚雷激光引信發射和接收光學系統。

2 發射光學系統設計

因在水下光學窗口為450nm～580nm［5］，水下激光引信發射系統的激光光源選用532nm波段的脈沖激光。又由于海水信道相較空氣信道對光束會產生強烈的衰減［6］，因此，本文在設計中使用高功率的脈沖綠激光器。所選用激光器參數如表1所示。

表1 激光器參數

采用分區方案，圓周視場被分為6個分區，每一分區內采用55°×1°的線狀光束實現覆蓋發射，且光束發射方向與雷體子午軸面成60°夾角［7］。因此本發射光學系統設計目標是子午方向θ∥≤1°，弧矢方向θ⊥≤ 55°。

結合設計目標要求與所選激光器發散角參數，有1.5mrad=0.0859°＜1°，方向性較好，因此，在進行設計過程中主要對弧氏方向發散角進行擴束處理。

如圖1，西安電子科技大學在設計激光引信光學系統中指出，采用先擴束后壓縮方式來改變激光束的兩個束散角，使激光束成為一個能量集中的窄帶狀光束［8］。

表2 Object 1 source gaussian

表3 Object 2、3 Toroidal Lens

表4 Object 4 Detector Ret

其原理為激光器出光光束通過第一塊凹柱面透鏡后，由于凹面鏡的發散作用，光斑在弧氏方向被拉長，而凹柱面鏡對子午方向上的光束起平行玻璃板的作用，其光束不發生角度變化。當光束通過第二塊凸柱面透鏡時，第二塊凸柱面透鏡對激光器弧矢方向的光束起平行玻璃板的作用，而由于凸面鏡的會聚作用，光斑在子午方向被會聚，使光束近似平行出射。同時要求激光器發射結需要放置在凹柱面鏡系統的弧氏焦距上。

由于在本設計中，所選用的激光器出光質量較好，不需要對光束子午方向進行準直，只需要對弧氏方向進行擴束設計，因此光學系統中可以只選用凹柱面透鏡進行設計優化即可。

利用上述設計思路，采用凹柱面透鏡系統改善光束，通過ZEMAX軟件非序列模式對透鏡進行優化設計［9］，各元件參數如表2、3、4所示。

其擴束效果如圖2所示。

經計算弧氏方向角度為55°，可以得出結論，本文所選用的激光器經次光學系統的整形后能得到本系統所需要的線狀光源，滿足設計要求。

3 接收光學系統設計

激光引信接收系統作用［10］是對準發射光束并接收盡可能多的目標信息光能，將線狀光束探測到目標后的反射光進行會聚，進入光電探測器進行后續信號處理，十分類似于接收目標回波的激光雷達接收天線。

常見的接收系統有反射式和透射式兩種［11］。如圖3所示，透射式接收光學系統結構簡單、體積小、質量輕、對成像質量要求不高。結合實際應用，由于激光引信需要安裝在魚雷雷體上，體積限制使得接收光學系統無法使用復雜的光學系統結構。因此可使用透射式光學系統來實現光線接收會聚。

為了提高探測系統的性能，除了提高發射系統激光器功率外，提高對目標回波的接收靈敏度也是一條重要途徑。雪崩光電探測器具有功耗低，體積小，靈敏度高，響應度高、響應時間快、可靠性好等優點［12］，本文可采用雪崩光電探測器作為接收探測器進行方案設計。

在探測接收系統中，所選用的Si-APD探測器參數如表5：

表5 Si-APD探測器參數

接收光學系統設計目標為視場角55°，波長532nm，接收光敏面直徑1.5mm。

有上述分析可知，所要設計的光學系統為大視場透射式系統，視場角為55°。光線經光學系統會聚后進入探測器光敏面（Ф=1.5mm）即可，對成像質量要求不高，不需要考慮像差因素。

結合上述設計思路，借鑒無焦透鏡的原理，利用孔徑光闌，加入窄帶干涉濾光鏡，通過ZEMAX軟件對透鏡進行優化設計，各透鏡參數如表6，透鏡外形如圖4。

表6 接收系統透鏡參數

IMA Standard Infinity - - 0.712255

彌散斑如圖5，分析像面成像結果可知，像面半徑為0.712mm，視場角為55°時像高為0.465mm，而光敏面直徑為1.5mm，所以成像已進入光敏面，符合設計要求。

4 結語

本文提出了一種應用于魚雷雷體上的激光引信布局設計方案，并對激光引信的發射光學系統和接收光學系統進行設計。設計原則是結構簡單，方便后續加工制作和安裝實驗。

結合半導體激光器光束整形的經驗，利用凹柱面透鏡，在ZEMAX非序列模式中設計了基于532nm固體激光器的光束整形，將高斯光束整形為線狀光束，子午方向發散角＜1°，弧氏方向發散角為55°。且前后兩塊凹柱面透鏡材料、曲率半徑、厚度等各項參數均相同，方便加工制作，在進行實驗調試時僅需調整兩塊凹柱面透鏡的位置即可改變光束發散角。

結合激光雷達接收系統的設計經驗，采用透射式接收光學系統，借鑒無焦透鏡的原理，加入窄帶干涉濾光鏡，利用ZEMAX軟件設計了大視場角的透射式光學系統，系統中窄帶干涉濾光鏡作用是只允許532nm激光通過，無焦透鏡則主要用于對不同視場角的光線進行會聚，將光線會聚到直徑為1.5mm的雪崩探測器光敏面上。