毫米波/激光/紅外共口徑復合光學系統設計*

錢坤,劉家國,李婷，李軍偉，田文明

(光學輻射重點實驗室，北京 100854)

0 引言

在現代戰爭中，精確制導武器使用的比例日益加大，導引頭作為精確制導武器的“眼睛”，起到至關重要的作用，提高精確制導武器的效能，根本就在于提高其導引頭的性能。隨著技術的發展，單一模式制導的導引頭已不能滿足復雜戰場中精確制導的要求，而復合制導把2種或2種以上的制導方式復合在一起，發揮2種或幾種制導方式的優點，有效對抗戰場環境上的各種干擾，提高制導精度，是未來技術發展的趨勢。毫米波制導方式穿透煙霧、沙塵能力強，但易受干擾；而紅外制導方式對毫米波干擾不敏感，但云霧煙塵對紅外有較強的吸收與衰減，使紅外作用距離有所減小；激光制導是目前制導武器中精度較高的武器，但需要人在回路，且抗干擾及云霧煙塵能力不強[1-3]。因此將上述3種制導方式結合起來，形成復合制導，能夠克服某種單一制導方式的不足，適應復雜的戰場電磁環境和作戰方式，提高武器系統的制導精度。

本文提出一種毫米波/半主動激光/紅外成像共口徑三模復合光學系統設計，能夠解決3種制導方式的共口徑復合，最大限度利用光學口徑，增大作用距離。

1 復合光學系統總體布局

復合光學系統的總體布局要根據選擇的導引模式以及總體結構尺寸，還要利于3種模式的復合，選擇合適的布局結構，既能夠實現不同的導引模式還要使得結構緊湊滿足總體尺寸要求[4]。文獻[4]中提出了一種毫米波、半主動激光、長波紅外成像3種制導方式“共口徑”的復合設計，但是這種“共口徑”方式只是毫米波和紅外共用主鏡全部口徑，半主動激光通道只利用了主鏡邊緣反射的激光能量，這種方式降低了設計及裝調難度，但3種制導方式的觀察基準仍保持一致，因此這種設計方式不失為一種較好的三模復合光學系統實現方式。但是這種激光只利用主鏡邊緣口徑的設計還是會帶來半激光制導通道口徑利用率低，影響此通道的作用距離；并且頭罩后方、次鏡前方需要布置激光反射鏡及激光探測器，對壓縮光路縱向總長不利，力矩較長，給伺服穩定系統設計帶來難度。

針對文獻[4]的設計不足，本文提出一種完全共口徑的三模復合光學系統，設計思路如下：為最大限度利用口徑且能夠分離3種不同制導方式的能量，總體上采用拋物面天線-卡塞格倫光學系統復合的結構方式，主鏡收集入射的3種能量，次鏡上鍍介質反射膜，能夠反射紅外能量而使激光和毫米波能量幾乎無損透過，達到分離紅外能量和激光、毫米波能量目的。考慮分離激光與毫米波能量，由于整體光學布局采用共用主反射鏡，經過主次鏡后兩路能量則會匯聚在光軸上，焦點呈前后分布。若將激光探測器放置在激光光路焦點位置，則必然會對前方毫米波的收發造成遮擋，影響毫米波探測通道性能，如下圖1所示，因此需要對激光探測器位置布局進行改變。

圖1 激光探測器對毫米波傳輸路徑遮擋示意圖Fig.1 Laser detection blocking the MMW transmission path

分析半主動激光探測原理，是光學系統將入射激光能量會聚成一定大小的點光斑入射到激光四象限探測器上，根據每個象限元件接收到的能量大小進行和差運算來確定目標相對光軸偏差。基于這一原理，考慮將常規的整體式激光四象限探測器分成4個分離器件，每個器件就是一個象限元件；再采用特殊的光學設計，引入4個直角反射光波導，將激光點光斑分成4份分別導入到位于光軸中心邊緣依次相距90°的4個分離的象限元件上，如下圖2所示。

圖2 激光探測光學系統總體布局圖Fig.2 Laser detection optical system layout

直角反射光波導采用合適的材料及鍍膜，對毫米波具有高透過率，對毫米波探測通道的性能影響小。毫米波經主鏡反射，透過次鏡、激光鏡片、光波導后聚焦于位于光波導前方的毫米波饋源上，饋源通過微波波導與主鏡后方電子艙中的毫米波收發器件連接。

采用上述拋物面天線-卡塞格倫光學系統復合的結構方式的優點是結構緊湊，易于實現，且次反射鏡尺寸較小，經特殊設計后，其加工及鍍膜工藝相對容易實現[5]。

2 光學系統設計

綜合總體指標進行分析，確定光學系統的具體指標如表1所示。

表1 復合光學系統主要技術參數Table 1 Main performances of optical system

根據上述表1指標開展光學系統詳細設計。三模共用主反射鏡，面型為拋物面，紅外探測光學系統視場角要求為6.4°×4.8°，對于折反式光學系統來說較大，軸外像差校正困難。為了到達要求的成像質量，提高設計自由度，增加二次成像鏡組[6]，通過二次成像單元提高設計自由度。同時，次鏡和紅外光路的二次成像系統均采用高次非球面，增加校正像差的變量，從而實現全視場像質良好。激光探測通道屬于能量探測光學系統，像差控制主要目的是保證聚焦光斑內能量分布均勻，因此需要校正彗差、像散、場曲和畸變4種軸外像差[7-9]。球差只影響光斑的大小而不影響其分布對稱性，控制在一定范圍即可。

整個光學系統設計的難點在于激光與毫米波能量的分離以及如何將激光光斑分成4份分別導入到各自的單元象限探測器上，同時保證毫米波探測性能所受影響較小。首先是次鏡、激光鏡片及直角反射光波導材料的選擇，要保證材料對1.064 μm激光和毫米波同時具有高透過率，經反復選擇比較，采用硒化鋅材料，其在1.064 μm波段具有高透過率的同時，在94 GHz中心頻段內損耗角正切tan δ和介電常數ε較小[10]，對毫米波的吸收和反射小[11]，可以保證毫米波的高透過率。其次在激光光斑像面上均布4個直角反射光波導，每個直角反射光波導將激光光斑1/4的能量多次反射傳導到位于光波導末端的激光單元象限探測器上，實現激光光斑四等分傳導。為了補償毫米波傳輸經過光波導在45°“劈尖”位置時產生的傳輸路徑差，需要在此位置上再放置4個與之相補的直角棱鏡，這樣對于毫米波傳輸路徑形成一個等厚的平板介質，不影響毫米波的焦點位置。激光及毫米波能量分離示意圖如圖3。

圖3 激光和毫米波能量分離示意圖Fig.3 Laser and millimeter wave separation schematic

根據上述指標及光學系統的設計思路，在光學系統設計軟件CODE V中分別對半主動激光光學系統和紅外光學系統經過多輪迭代優化設計得出光學系統結果。最后設計出的復合光學系統焦距97 mm，系統總長140 mm，中心遮攔比0.4，光學有效接收口徑88 mm，光路中給毫米波饋源及微波波導留夠了充足布置空間。光路圖如下圖4所示。

光路的三維模型如下圖5所示。

圖4 復合光學系統光路圖Fig.4 compound optical system layout

圖5 復合光學系統三維圖Fig.5 3D model of compound optical system

3 設計結果分析評價

調制傳遞函數(MTF)是光學系統在特定空間頻率下的強度調制對比度傳遞能力的度量，可以綜合評價光學系統成像質量[12]。紅外支路的MTF設計曲線如圖6所示，從MTF曲線可見全視場成像質量接近衍射極限，滿足設計要求。

圖6 紅外光學系統MTF曲線Fig.6 MTF curve of IR optical system

對于激光半主動探測光學系統來說，其性能評價主要是光斑的能量集中且分布均勻，還要確保光斑的圓度[13-15]。對上述要求可通過點列圖、幾何包圍能量圖來進行評價。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意義。幾何包圍能量是像直徑函數的能量百分比，包含100%能量的光斑直徑。圖7給出了0°,1°,1.5°,2°和2.5°視場的光斑點列圖。圖8給出各視場幾何能量包圍曲線。

圖7 激光光學系統點列圖Fig.7 Spot diagram of laser optical system

圖8 激光光斑幾何包圍能量Fig.8 Geometric encircled energy of laser spot

從圖7中可以看出，0°,1°,1.5°線性視場內光斑能量分布比較均勻，大小基本一致。從圖8可見，0°,1°,1.5°線性視場光斑直徑大小分別為3.99 mm,4.10 mm,4.15 mm，最大偏差量為4%，滿足四象限探測對光斑尺寸的要求。

4 結束語

本文設計了一種共口徑毫米波/半主動激光/紅外成像三模復合光學系統，能最大限度利用光學口徑，結構緊湊，3種模式融合度高、相互間干擾小，能有效提高作用距離，進而帶來整體性能的提升。這種設計具有工程上較好的可實現性，可作為多模復合光學系統的設計參考。