一種折反式激光半主動導引頭光學系統

宋巖峰,郝 群,孫衛平,劉 灝,李 杰

(1.西安現代控制技術研究所,陜西 西安 710065；2.北京理工大學光電學院,北京 100081)

1 引 言

激光半主動制導具有制導精度高、首發命中率高、抗干擾能力強、結構簡單、成本較低、使用方便等特點,被公認為一種成熟、精確的制導體制,被廣泛應用于各類戰術武器裝備中[1-2]。激光導引頭作為激光半主動制導武器的關鍵部件,通過前端光學系統接收激光照射器照射在目標上的激光漫反射回波,并在四象限探測器靶面上形成一定大小的光斑。通過計算四象限探測器上激光光斑的重心位置,解算出彈目參數后發送給制導控制系統,從而形成制導回路[3-4]。

光學系統作為半主動激光導引頭的關鍵部件,其性能好壞直接影響著導引頭的探測距離和制導精度等重要指標。在結構實現形式上,通常有折射式結構和折反式結構等兩種。其中,折射式光學系統的優點是結構簡單、中心無遮攔、光能損失小、容易實現大視場、成本較低等。但是,折射式光學系統存在著光學元件口徑不宜過大、軸向尺寸較大等缺點。文獻[3]給出的激光半主動導引頭光學系統,焦距為21.6 mm,軸向尺寸則達到了52.8 mm；折反式光學系統的優點則是光學元件相對較少、軸向尺寸較小、口徑容易做大、體積相對更小、重量相對更輕等,更適用于口徑較大、作用距離較遠的制導導彈武器系統[5-6],如美軍的AGM-114K“Hellfire”激光半主動反坦克導彈,如圖1所示。

圖1 AGM-114K“Hellfire”激光半主動導引頭

針對某遠程反坦克導彈激光半主動導引頭的技術指標要求,對折反式激光導引頭光學系統的結構、參量、光斑要求和像差校正等進行了分析,設計了折反式激光半主動激光導引頭的光學系統。

2 設計參數要求

2.1 導引頭戰術指標要求

(1)工作波長:1.064 μm；

(2)探測距離:優于8 km；

(3)線性視場:不小于±3°；

(4)瞬時視場:±6°；

(5)測角精度:優于0.2°；

(6)激光照射距離:不小于2 km；

(7)激光照射能量:不小于50 mJ；

(8)目標漫反射率:不小于0.4；

(9)探測器直徑:Φ10 mm；

(10)目標視線與導引頭光軸的夾角:不大于45°。

2.2 光學系統參數設計

光學系統參數決定了光學系統的性能,影響著導引頭的探測距離、搜索和跟蹤能力,以及導引頭的測角精度,從而影響到激光制導武器系統的整體作戰效能。激光半主動導引頭光學系統的主要參數包括有效通光口徑和系統焦距等。

(1)有效通光口徑

探測距離作為激光制導武器的關鍵參數,直接影響著制導武器的作戰性能。激光導引頭的探測距離不僅與激光照射系統、導引頭接收系統的性能有關,還和目標的漫反射率以及大氣消光系數等有關[7]。激光導引頭探測器接收到的激光回波信號功率Pr可通過以下公式進行估算:

(1)

式中,Qt為照射激光脈沖能量；τt為照射激光脈沖寬度；ρ為目標反射率；R1為激光目標指示器與目標之間距離；R2為導引頭與目標之間距離；α為大氣消光系數；Ar為導引頭光學系統接收孔徑面積；Tr為導引頭光學系統透過率；θ為目標視線與導引頭光軸的夾角。

假設照射激光脈沖能量Qt=0.05 J,垂直靶面進行照射；照射激光脈沖寬度τt=15 ns；目標反射率ρ=0.4；激光目標指示器與目標之間距離R1=2 km；導引頭與目標之間距離R2=8 km；大氣消光系數α=0.12；導引頭光學系統接收孔徑Φ65 mm,即Ar=33.2 cm2；導引頭光學系統透過率Tr=0.3；目標視線與導引頭光軸的夾角θ=45°,可以估算激光回波信號功率Pr值為1.4×10-6W。

光電探測器的探測靈敏閾值表明探測器所能探測到的最小脈沖功率,單位W。目前,四象限光電探測器的探測靈敏閾值優于1×10-7W。因此,系統有效通光孔徑應不小于Φ65 mm。為了壓縮系統的軸向長度,本系統采用折反式結構。

折反式光學系統的有效入瞳面積S為:

(2)

式中,D1為主反射鏡口徑；D2為次反射鏡口徑。

光學系統的有效入瞳直徑D為:

(3)

假設D1=80 mm,D2=40 mm,那么光學系統的有效口徑D=69.3 mm,大于65 mm,可以滿足系統8 km的探測距離要求。

(2)系統焦距

對于激光半主動制導導彈,從目標方位測角精度來考慮,其光學系統的瞬時視場越小越好；從導引頭捕獲目標能力方面考慮,光學系統瞬時視場較大為好。因此,光學系統的瞬時視場要同時考慮以上兩個因素對導引頭整體性能的影響。

依據光學系統技術要求,系統瞬時視場要求為2ω=±6°,選擇的探測器直徑Dd=10 mm,可以計算光學系統焦距f′:

(4)

2.3 激光光斑要求

激光半主動制導光學系統屬于非成像系統,但是光學系統的像差可能會引起激光光斑位置產生偏差以及能量的分布不均,從而影響導引系統的測角精度。

因此,激光半主動導引頭對其光學系統的光斑也提出了相應的要求[8-9]:

(1)通常情況下,激光光斑直徑要求為探測器光敏面直徑的一半。在線性視場范圍內,四象限探測器要求激光光斑均有分布,且四個象限均有響應。激光光斑直徑越小,線性區雖然越大,但是測角精度則會越低；光斑直徑越大,線性區則越小,可能會對系統的穩定跟蹤產生影響。

(2)光斑能量分布要求均勻。光斑能量分布不均會使得解算光斑中心位置產生偏差,從而影響系統的測角誤差。

(3)確保光斑的圓度,即光斑應為圓形。如果光斑不圓,由于形狀的不均而產生光斑位置誤差,從而影響測角精度；

(4)線性視場內要求光斑穩定。線性區不同視場,四象限探測器要求光斑大小一致。國內四象限激光探測系統要求光斑穩定性一般為3 % ～ 5 %,國外一般要求優于3 %。

3 折反式光學系統設計

3.1 結構選型

在各種飛行器和導彈的搜索跟蹤系統中,光學系統結構的小型化和輕量化是設計的重要標準,R-C雙反射光學系統以其結構尺寸小、質量輕、大口徑等優勢成為主要選擇[10]。為了避免使用非球面,R-C雙反射光學系統主反射鏡設計為球面反射鏡；同時,將次反射鏡簡化為平面反射鏡,以降低次反射鏡裝調的復雜程度。但是,在不使用非球面的情況下,兩反射鏡式光學系統難以保證系統視場和像差校正。因此,本系統在次反射鏡后距離像面附近增加校正透鏡元件,從而保證系統像差校正有著足夠的變量和校正后的光斑質量。由于校正透鏡元件處在會聚光路中,其尺寸比系統口徑小得多。另外,為了提高光學系統的抗干擾性能,在光路中加入消雜散光光欄和窄帶干涉濾波片,以減弱或消除背景光及雜散光對目標方位測角精度的影響。光學系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 折反光學系統結構示意圖

3.2 像差校正的考慮

半主動激光制導武器通常工作在單一激光波長,且在接收光學系統中設置了窄帶濾波片。因此,激光制導武器的接收光學系統像差校正通常只考慮單色像差,包括球差、彗差、像散、場曲和畸變等。其中,球差為軸對稱性像差,不影響激光光斑的均勻性,只影響彌散斑的大小,在光學設計中對球差大小和離焦量進行控制得到要求大小的光斑；彗差、場曲和像散,作為軸外像差,對光斑形狀和均勻性有一定的影響；畸變的存在則對導引頭測角解算的正確性產生影響。因此,這幾種像差需在設計過程中進行綜合考慮。

3.3 設計結果及質量評價

綜合激光導引頭的總體技術要求,依據選定的四象限探測器特征參數,對激光半主動導引頭折反式光學系統進行了設計,主要參數如下:有效焦距47.5 mm,有效入瞳口徑70 mm(主反射鏡直徑80 mm,次反射鏡直徑40 mm),相對孔徑0.67,軸向長度51.5 mm,離焦0.25 mm,光學系統結構如圖3所示。

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重要的指導意義。圖4分別給出了線性視場內0°、1°、2°和3°視場的光斑點列圖。可以看出,各視場光斑直徑大小均為Φ5 mm(探測器光敏面直徑Φ10 mm,光斑直徑要求為光敏面尺寸的一半),穩定且分布均勻,滿足四象限探測對光斑尺寸和光斑質量的要求。

圖5分別給出了瞬時視場0°、1°、3°、4°、5°和6°的光斑點列圖。可以看出,光斑直徑最大變化量約0.08 mm,光斑直徑穩定性優于2 %。

圖3 光學系統結構圖

圖4 線性區不同視場點列圖

圖5 不同視場點列圖

光線足跡圖可以顯示不同視場光斑在探測器光敏面的位置,直觀得出光斑和探測器中心的相對位置。圖6分別給出了0°、1°、2°和3°視場的光斑痕跡圖。可以看出,視場為3°時,光斑邊緣與探測器邊緣重合,滿足線性視場±3°的系統指標要求。

圖6 光線足跡圖

包圍圓能量曲線表示光斑能量隨光斑直徑的分布情況。圖7給出了0°、1°、2°和3°視場的包圍圓能量曲線。可以看出,整個線性視場的光斑能量分布均勻一致。

圖7 包圍圓能量曲線

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,是激光導引頭光學系統的一個重要的技術指標。圖8給出的畸變曲線表明,本系統線性區畸變可控制在0.2 %以內,滿足此類光學系統畸變通常在0.5 % 之內的設計要求。

圖8 系統畸變曲線

4 結 論

依據半主動激光導引頭的總體指標要求,分析、計算了折反式激光導引頭光學系統的關鍵參數。進行了光學系統結構的選型,分析了激光導引頭光學系統的像差和光斑要求,進行了光學系統設計。仿真結果表明,整個線性視場范圍內,折反式激光導引頭光學系統光斑直徑穩定無變化,能量分布均勻一致；瞬時視場范圍內,光斑直徑穩定性優于2 %。設計結果很好地滿足了系統的設計要求,為激光半主動導引頭的下一步研制奠定了良好基礎。