小體積長焦距激光指向監測裝置研制

張 飛，徐新行，陳昌博

（1.許昌職業技術學院，河南 許昌461000；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；3.中國科學院大學，北京100049）

1 引 言

激光干擾系統憑借作戰效率高、作用距離遠和響應速度快等優勢，被越來越多地應用于現代軍事領域［1-4］。隨著光電偵察及光電制導技術應用波段的不斷拓寬，對光電對抗系統提出了新的要求［5-8］。盡管近年來國內在多波長一體化激光器技術方面取得了突破，但其輸出功率水平尚難以滿足工程要求。采用多臺不同波長的激光器通過合束實現寬波段激光的同軸輸出，是目前光電對抗領域最常用的技術手段［9-12］。該技術主要包括波長合束、空間合束和光譜合束等［13-15］。其中，波長合束的應用較為成熟，合束效率也穩定，因此在光電對抗領域備受青睞［16-17］，且被越來越多地應用于“騎馬侍從”“魟魚”等［18-20］國內外主流對抗設備中。

光束指向監測是實現多波長激光合束校正的基礎。常用的光束指向監測方法主要包括外場遠距離監測法、內場折疊光腔監測法和長焦距鏡頭相機監測法。前兩種方法盡管監測效果較為直觀，但占用空間體積大，并且無法為光束的自動閉環校正提供可執行的反饋信息，因此在工程應用中逐漸被第三種方法所取代。為了實現對可見光波段、多個波長激光傳播方向的實時監測，本文基于長焦距鏡頭的光學聚焦原理進行多次光束折疊，并輔助高分辨CCD相機成像采集與高精度光斑提取算法，研制了一款高精度緊湊型光束指向監測裝置，為多路激光的高精度閉環校正提供了技術保障。

2 指標設計

多路激光合束效果的優劣采用指向誤差和位置誤差兩個評價指標。指向誤差是指激光傳播方向與基準方向之間的角度差值，反映了激光與基準的不平行程度；位置誤差是指在某一截面上激光中心與基準中心之間的距離差值，反映了激光位置與基準位置的不重合度。如果兩束激光存在較大的指向誤差，那么它們的位置不重合度會隨著激光作用距離的增大而增加。但如果兩束激光嚴格平行，那么它們的位置誤差會隨著激光作用距離的增大而保持不變。由于合束激光的作用距離一般都在幾公里、幾十公里、甚至上百公里，因此，為了確保合束激光對遠距離跟蹤目標的干擾效果，對合束激光指向誤差的監測與同軸校正顯得更為重要。

根據激光干擾系統對多波長合束激光的光束質量和作用距離的要求，光束指向監測裝置的主要性能指標如表1所示。

表1 光束指向監測裝置的主要性能指標要求Tab.1 Requisite performances of beam-direction moni?toring device

3 光束指向監測裝置設計

為了實現光束指向監測裝置的性能指標，本文分別從監測裝置的光電探測器、光學系統和機械結構等方面進行了詳細設計與選擇。

3.1 探測器的選擇

根據合束激光的工作波長及表1所列光束指向監測裝置的指標需求，這里選用大面陣的可見光CCD作為圖像傳感器，其主要性能參數如表2所示。該光電探測器不僅響應波段寬、靶面尺寸大、圖像分辨率高，而且具有RJ45千兆以太網輸出接口，向下可兼容100M帶寬，通過網線即可實現與上位機的數據傳輸，無需增加模擬采集卡等器件，簡化了系統配置。

表2 光電探測器的主要性能指標Tab.2 Main performance of selected photodetector

3.2 光學系統設計

在完成光電探測器的選擇后，對光束指向監測裝置的光學系統進行詳細設計。為了壓縮監測裝置的長度，進一步對所設計的光學系統進行了折轉優化。

3.2.1 初步光學設計

與反射式聚焦系統相比，透射式聚焦系統具有裝調方便、穩定性高、制造成本低等突出優點，因此，本光束指向監測裝置選擇透射式系統的技術方案。光學系統的初步設計結果如圖1所示，系統主要由3片透鏡組成，有效通光口徑為Φ52 mm，焦距為1 000 mm。

圖1 光束指向監測裝置的初步光學設計結果Fig.1 Primary optical design of beam-direction monitor?ing system

光束指向監測裝置所監測光束的波段較寬（0.4~0.8μm），由于不同波長光束在透鏡中的折射率不同，各波長光束的焦點產生差異。為了保證系統的監測精度，本文采用不同透鏡材料相互補償的辦法對光學系統進行消色差處理。經過分析，選用H-ZK1、H-ZF6和LAK9B材料制作透鏡，實現了較好的色差校正效果，各波長光束不同視場的點列圖如圖2所示，均小于艾里斑直徑，接近衍射極限水平。

圖2 光學系統點列圖Fig.2 Spot diagram of optical system

3.2.2 光學系統結構優化

由于光束指向監測裝置的焦距較長，而合束系統的安裝空間有限，為了大幅度壓縮監測裝置的軸向尺寸，在初步光學設計的基礎上引入6片平面反射鏡對系統光路進行多次折轉，并將光路分成上、下兩層。圖3為優化后的光學系統，經過6次折轉，光學系統的長度壓縮為原來的1/5左右，寬度約增加為原來的一倍，不僅實現了光束指向監測裝置的長焦距，而且使裝置結構更加緊湊，滿足安裝要求。

圖3 分層折轉的光學系統Fig.3 Double reflecting optical system

優化的光學系統在不同視場條件下針對不同波長光束的波像差如圖4所示，其PV值均優于λ/4，由此可知，該光學系統具有良好的消像差效果。優化的光學系統針對不同波長的調制傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF）如圖5所示，均接近衍射極限水平。

圖4 優化后光學系統的波像差Fig.4 Wavefront aberration of optimized optical system

圖5 優化后光學系統的調制傳遞函數Fig.5 MTF curves of optimized optical system

3.3 機械結構設計

根據光學系統的設計結果，光束指向監測裝置的結構組成如圖6所示，主要包括物鏡組件、折轉鏡組件1~6、探測器組件、支撐基座和上蓋板等10部分。為了便于光機裝調，同時確保監測裝置的工作穩定性，本文重點對物鏡組和支撐基座等核心單元進行了詳細設計與分析。

圖6 光束指向監測裝置的結構組成Fig.6 Structure components of beam-direction monitor?ing device

3.3.1 物鏡組件設計

物鏡組件是光束指向監測裝置的核心組成之一，其組成結構如圖7所示，主要包括物鏡筒、透鏡1~3、隔圈1，2和壓圈。其中物鏡筒用于實現光學系統3塊透鏡的支撐與調節。本設計采用3片透鏡統一在一個物鏡筒中裝夾固定的技術方案，不僅有利于保證3片透鏡的中心同軸，而且可以減小雜光的影響；采用隔圈實現各透鏡之間空氣間隔的調節，并通過細牙螺紋壓圈完成透鏡的依次緊固，不僅裝調方便，而且有利于保證透鏡間距的裝調精度；采用外法蘭實現物鏡組件與支撐基座的連接，并通過物鏡筒外圓進行中心定位。物鏡筒與支撐基座采用3點局布接觸固定，有利于確保物鏡組件光軸方向的穩定性。

圖7 物鏡組件的結構組成Fig.7 Main components of objective group

3.3.2 支撐基座設計

為了減少外界雜光對光束指向監測裝置成像質量的影響，支撐基座采用半封閉式箱體結構設計，并采用三維設計軟件UG對支撐基座進行輕量化。結構優化后的支撐基座如圖8所示。該基座為五面封閉式箱體結構，其四周和底面均采用外部開槽的方式進行減重，并通過“十”字形筋進行剛度加強。前端面排布有通光孔，安裝底面設計有3處對稱分布的凸臺，用于監測裝置的穩定固定及調節。

圖8 支撐基座的外形結構Fig.8 Structure of supporting base

在完成光束指向監測裝置支撐基座的優化設計后，進一步采用UG軟件對設計結果進行有限元仿真分析，以了解支撐基座的結構剛度，確保光束指向監測裝置的工作穩定性。

為了保證計算精度，支撐基座的有限元分析模型共包括20 073個單元，如圖9（a）所示。其模態分析結果如圖9（b）~9（c）所示。由圖可知，支撐基座的1階模態為792 Hz，2階模態為1 079 Hz，支撐基座的結構剛度大［21］，滿足光束指向監測裝置的應用需求。

圖9 支撐基座的有限元模型及模態分析結果Fig.9 Finite element model and mode analysis results of supporting base

3.4 裝調誤差分析

優化的光學結構在原有光學系統中插入6片平面反射鏡進行光路的分層折轉，實現了監測裝置體積的壓縮（尤其是軸向尺寸的大幅度減小），但同時也增加了系統的裝調難度。為了確保裝置的監測精度，需要對系統的裝調誤差進行分析，并在裝調過程中進行校正。

3.4.1 裝調誤差分析

由于光學系統的光路經過平面反射鏡進行了多次折轉，在完成物鏡組件的精密裝調后，為了便于裝調，選擇精確裝調探測器位置的方式對所有反射鏡的安裝誤差進行補償。所以，探測器的安裝精度會直接影響監測裝置的工作精度。在光學系統焦深充足的情況下，CCD的安裝誤差主要包括位置偏差和角度偏差，分別如圖10（a）和10（b）所示。其中，CCD的位置偏差通過精密裝調進行校正，也可以通過精確標定后，由監測軟件調整CCD靶面的工作區域進行修正；而CCD的角度安裝偏差則必須通過精密裝調進行校正，以確保監測裝置的精度。

圖10 CCD的裝調誤差Fig.10 Installing errors of CCD

3.4.2 裝調方法及步驟

為了獲得CCD準確的安裝位置與姿態，采用高精度自準直儀對光束指向監測裝置進行了精密裝調，如圖11所示。

詳細的裝調方法及步驟如下：

（1）取下物鏡組件，并將裝調用平板玻璃緊靠在支撐基座上物鏡筒的安裝平面上，調節自準直儀實現它與平板玻璃的準直；

（2）精確調節CCD的角度，實現它與自準直儀的準直；

（3）將物鏡組件裝入支撐基座中，通過監測自準直儀“十”字光源在CCD上的成像位置，精確調節CCD的位置；

（4）重復步驟（1）~（3），直至將CCD的角度與位置均調整至較理想位置。

4 實 驗

在完成光束指向監測裝置的精密加工及裝調后，獲得監測裝置的結構外形尺寸為：200 mm×180 mm×140 mm，最大通光口徑為Φ52 mm。為了確保裝置的實際監測效果，進一步對光束指向監測裝置的焦距、調制傳遞函數和監測精度進行實驗檢測。

4.1 焦距檢測

室溫條件下，采用放大倍率法對光束指向監測裝置物鏡組件的焦距進行檢測。檢測裝置如圖12所示，主要包括光學測試平臺、被檢物鏡組件和平行光管等。其中，平行光管由光源、珀羅板、4 m焦距離軸反射鏡和測量顯微鏡組成。檢測步驟為：首先將被檢物鏡組件調整至與平行光管同軸，并在平行光管（已知焦距f0）的焦面上放置珀羅板目標，已知物高為Y0。然后，在被檢物鏡組件的像面上用顯微鏡測量珀羅板的像尺寸，獲得像高Y；最后，獲得被檢測物鏡組件的焦距為：

圖12 物鏡組件焦距實驗檢測裝置Fig.12 Testing experiment setup for focal of objective group

重復測量3次取平均值，最終獲得物鏡組件的實際焦距為1 002 mm，與設計值誤差為0.2%，且大于1 000 mm。進一步計算獲得監測裝置的視場為8.4 mrad×7.1 mrad，大于指標要求的5 mrad，滿足合束系統的應用需求。

4.2 調制傳遞函數檢測

盡管光束指向監測裝置不屬于成像系統，但其顯示光斑的成像質量會直接影響軟件的提取精度，進而影響裝置的監測精度。因此，在室溫條件下，采用MTF測試系統對精密裝調后物鏡組件的MTF進行了實驗檢測。檢測裝置如圖13所示，主要包括氣浮測試平臺、離軸反射式光管、可見目標發生器、像分析器及其伺服控制單元、安裝有測試軟件的計算機以及被檢物鏡組件等。

圖13 物鏡組件調制傳遞函數的實驗檢測系統Fig.13 Testing experiment system for MTF of objective group

實測物鏡組件的MTF約為理論設計結果的80%，由此表明，該物鏡組件光學系統的裝調效果良好，能夠保證激光光斑的成像質量。

4.3 監測精度檢測

室溫條件下，采用內場200 m折疊光腔對光束指向監測裝置的監測精度進行檢測。如圖14所示，檢測裝置主要包括光學測量平臺、激光器1、激光器2、合束鏡組件、導光鏡組件、主反射鏡組件、激光能量衰減裝置、光束指向監測裝置和200 m內場折疊光腔等。完成激光合束的兩路激光經主反射鏡進入折疊光腔，同時經主反射鏡透射的余光再次經過衰減鏡組后進入光束指向監測裝置進行合束激光的指向監測。

圖14 監測精度實驗檢測系統Fig.14 Testing experiment system for accuracy of moni?toring device

檢測過程如下：首先開啟激光器1，在光束指向監測裝置上獲得監測光斑，微調導光鏡使監測光斑大致位于視場中心，并記錄下監測裝置上的光斑位置；然后，關閉激光器1、開啟激光器2，并微調合束鏡，使監測裝置上激光器2的監測光斑與上一步所記錄激光器1的光斑位置重合，即完成兩束激光指向的精密合束。最后，同時開啟激光器1和激光器2，并在200 m光腔末端采集兩束激光的質心位置坐標，進而計算兩束激光的指向誤差。圖15為在200 m光腔末端采集的兩束激光的光斑圖像。經多次采集，兩束激光的質心坐標 分 別 為：（14.2 mm，15.3 mm）、（13.3 mm，16.6 mm）。由此可知，兩光斑的距離偏差ΔL X，ΔL Y分別為-0.9，1.3 mm。經過折算，兩束激光的角度偏差ΔθX，ΔθY分別為-4.5，6.5μrad，均優于10μrad，滿足設計指標要求。

圖15 200 m光腔末端光束的質心坐標Fig.15 Centroid coordinate of two beams at 200 m opti?cal cavity

該測量誤差一方面受被測激光光束質量（光斑形狀、激光能量穩定性等）的影響；另一方面受監測光束衰減效果的影響。因此，在被測激光一定的情況下，為了進一步提高光束指向監測裝置的測量精度，不僅要根據激光選擇衰減倍率合適的衰減片，還要通過調節探測器的積分時間、光學增益等參數，以提取更準確的激光光斑位置。

5 結 論

為了實現對可見光波段、多個波長激光束傳播方向的實時監測，本文從合束系統的應用需求出發，設計了一款光束指向監測裝置。該裝置采用高性能的光電探測器和長焦距光學系統，具有優異的性能；另一方面，采用上下分層、多次折轉的方式優化光學系統的結構，大幅度壓縮了監測裝置的軸向尺寸。實驗結果表明：所設計的光束指向監測裝置體積小、焦距大、精度高，可實時提供合束激光的監測脫靶量，以此為反饋可實現光束的自動閉環校正。該光束指向監測裝置為可見光波段多路激光的高精度監測及閉環校正提供了解決方案。