某型激光引信發射光束整形仿真設計

■ 張宇飛 馬培娜 黃珂 涂遠欣 劉云/國營洛陽丹城無線電廠 95364部隊

0 引言

激光具有亮度高、方向性好、傳播距離遠的特點，常用于目標探測和測距系統中，武器引戰系統中采用脈沖激光作為引信裝置的發射光束是激光在軍事方面的典型應用。激光引信是一種有源式主動探測系統，具有精度高、抗干擾性強的優點，通過發射脈沖激光束可實現對目標的近距離探測，并適時引爆戰斗部造成殺傷。與無線電引信相比，激光引信對提升武器系統的整體性能有重要意義[1]。脈沖激光周視探測系統是應用于常規彈藥武器系統的近程探測激光引信系統[2]，它是一種近炸引信，發射光束的布局方式可分為多輻射、分區輻射、分區掃描和同步掃描[3]，如圖1所示。發射光束的光軸與運動方向垂直或成一定夾角，可形成圓盤狀或多面體的光束探測場。多輻射、分區輻射和分區掃描方式的系統采用多個發射器和多個接收器，其中，前兩種方式的系統可對目標進行實時周向探測，但探測距離較近，接收視場的背景噪聲大；分區掃描則是利用機械裝置驅動光束對空間掃描，探測距離相對較遠；同步掃描只采用單個發射器與接收器，同時利用高速旋轉的機械電機實現光束全周掃描，相對功耗較低。

圖1 脈沖激光周視系統發射光束布局

1 某型引信光學系統簡介

某型引信的光發射系統采用半導體激光器（LD）光源，為多輻射布局方式，有8個發射器和8個接收器，發射光束的光軸相對運動方向帶有前傾角。在多次試驗過程中發現，雖然該型武器制導率較好，但命中率較低，常常出現遇靶未炸的情況，即目標已進入引信探測區和戰斗部的殺傷范圍內但戰斗部未引爆。分析數據發現未引爆原因是引信未能在有效范圍內探測到目標，造成無目標信息反饋至接收系統。引信中LD發射系統光能量的空間分布是關鍵。

LD光源的出射光束為高斯分布，且在子午和弧矢兩個正交方向上存在不同的發散角，光斑發散較快的方向為快軸，發散較慢的方向為慢軸，LD光斑在遠場空間為類橢圓形，LD出射光一般需要經過光柵、透鏡、棱鏡等光學元件整形后才可應用。原引信裝置LD光源的快軸、慢軸發散角分別為40°和10°。經過原透鏡系統準直后，在遠場形成類似圓柱狀光束向8個方向輻射，由于發散角較小、方向性較強，會在探測空間留下較大空白區域，如圖2所示。這種結構的能量分布雖然避免了干擾信號（如大面積云團），降低了虛警率，但容易規避真實目標。當目標進入引信有效探測范圍時，很可能直接落入空白區域而沒有被發射光束照射，從而失去了反饋和接收目標信息的時機，不能激發武器戰斗系統工作。

圖2 激光引信出射光束空間分布情況

基于原引信裝置激光發射系統和接收系統布局情況，針對其發射光束能量空間覆蓋范圍小、遇靶不炸概率高的問題，可以利用脈沖激光周視光學系統中的分區輻射設計，增加引信發射激光的發散角，填補原系統光能量輻射的空白區域。這種設計方法既符合原系統結構布局，無需額外增加掃描電機，又能在引信周圍形成一個接近360°圓周的光能量覆蓋空間，有效增加激光的探測區域，提升打擊效果。

2 設計方案及指標計算

柱面透鏡是激光光束整形系統中一種常用的光學元件[4]，其結構不同于普通圓形球面或非球面透鏡，它的子午方向是直線形成的母線，弧矢方向是帶有曲率的曲面，只在一個方向上產生光焦度，即子午方向的焦距無窮遠，弧矢方向的焦距有限遠。柱面透鏡的這種結構特征使光束經過一個曲面時只在一個方向上發散或匯聚，另一個方向上基本保持原方向不變。如圖3所示，方形平行光斑經過一片平凸型柱面透鏡后變成窄帶線狀光斑。同樣地，在LD光源后特定位置正交放置兩片柱透鏡，可以分別對快軸與慢軸方向整形，最終使LD類橢圓形光斑變成窄帶線光源[5]。

圖3 方形平行光經過柱面鏡后光束匯聚示意圖

針對該引信裝置的物理結構，提出兩種改進設計思路：一種方案為保持原引信LD光源的布局不變；另一種方案為將LD光源數量減至4個，4個LD光源呈四象限對稱分布，發射器光軸的空間方向保持不變。由于引信發射裝置帶有前傾角（約80°），周視系統中多個LD光源形成的光能量覆蓋面將不再是360°圓周平面，而是以引信本體的中軸線形成的正八面體（8發射器）或正四面體（4發射器）。因此，在確定每個LD光源對空間的覆蓋角度時，不能按照360°等分的方法計算。實際上，引信裝置外圍直徑及不同LD光源的分布情況可以抽象轉化為下面的幾何運算，以此確定兩個方案的設計參數。

圖4所示為兩種方案的發射器空間分布圖，藍色圓點表示LD發射器的空間位置部分，藍色區域表示每個發射器光能量空間角度的平面俯視圖（轉化到引信裝置內部，借助引信的結構數據進行角度計算），需要確定的每個LD的快軸發散角即為∠COB在多面體中的立體角。

圖4 兩種方案的發射器空間分布圖

對多面體中每個LD光束對應的空間布局進行分析：點A為正多面體的頂點，OA為引信本體中軸線，也是激光周視系統的中軸線；OB、OC為引信裝置外圍半徑；發射裝置光軸的前傾角為∠OAB=80°，在8個發射器方案中，∠BOD=22.5°，4個發射器方案中，∠BOD=45°；∠BAC是∠COB的立體角，也是每個LD的快軸束散角。

通過三角函數關系，計算可得：8發射器方案中，∠BAC≈ 42.15°；4發射器方案中，∠BAC≈ 83.28°。

3 脈沖激光整形系統設計與優化

定義LD光斑的快軸方向發散角θt=40°，慢軸方向的發散角θs=10°。通過上述計算，光斑整形后慢軸方向發散角θs′≤1°，8發射器方案的快軸方向發散角θt′=42.15°，4發射器方案的快軸方向發散角θt′=83.28°。

另外，設定系統波長λ=900nm，屬于近紅外波段，光學系統的材料可選用BK7冕玻璃。

3.1 建立LD光源模型

光學系統的光源為LD點光源，快、慢軸方向發散角的半角分別為20°、5°，且能量分布為高斯型，可得數值孔徑NA=0.342，光斑發散角的比例參數V=0.7596，以此建立的光源模型如圖5所示，光斑形貌為類橢圓形。

圖5 LD光源（θt=40°、θs=10°）距出射面20m處的形貌

3.2 8發射器設計方案

在8發射器方案中，由于LD光源本身快軸束散角已經達到40°，接近要求的42.15°，所以對快軸方向光斑不擴束，只考慮對慢軸方向進行準直壓縮。若快軸方向不擴束，相鄰兩個LD光源的光束之間仍留有空白，空白區域夾角約為2.15°。根據試驗條件，目標最小處的尺寸約為1.6m，按照空白區域夾角計算，能探測到目標最小尺寸時的距離為L=1.6/（2×tan（2.15°/2））m=42.63m。該距離大于引信有效探測范圍（暫不考慮擴束后能量衰減），表明在有效探測范圍內，小尺寸目標可以被激光束照射。因此，在LD快軸方向不擴束、探測區留有空白的情況下，光束自身發散角滿足要求，只對慢軸方向壓縮即可。

設定柱面鏡初始結構為平凸結構，為方便裝調，使透鏡距離光源10mm，且柱面鏡的子午面與LD光源快軸方向平行。根據近軸光學系統計算方法[6]：

式中，n0為空氣折射率，n1為玻璃材料折射率，在紅外900nm波長下，BK7玻璃折射率約為1.508；l0、l1為折算到物、像空間的物距和像距；r為透鏡折射面曲率半徑。

計算得到初始結構曲率半徑約為-6.7mm。系統中輸入參數并優化，得到如圖6所示的系統結構。光束快軸方向角度保持不變，慢軸方向壓縮，點光源在空間傳播20m后光斑尺寸約為114.4mm×14.56m，發散角約為0.33°、40.01°，符合設計要求。光學系統透鏡曲面為球面，總長15mm（不含LD裝置），寬度8mm。

圖6 8發射器單個LD光束整形系統

3.3 4發射器設計方案

目前在類似的光束整形系統中，不論是先準直后擴束還是先擴束后準直，大多需要用到兩個柱面透鏡才能實現。上述8發射器方案對光斑慢軸方向壓縮已經完成，理論上4發射器方案中只需在第一個柱面鏡后加裝一個聚焦方向與其正交的柱面鏡即可實現快軸方向擴束。但考慮到裝調便捷，光源與兩個柱面透鏡三者之間的間距不可太小，否則第二個透鏡的曲率與厚度關系會限制大角度擴束，系統結構也會變長。因此，設計為在一個透鏡的前后表面上集成兩個聚焦方向正交的柱面面型，這樣LD光斑只通過一個透鏡就可實現快軸和慢軸兩個方向的整形，同時也可減少多個透鏡組合帶來的裝調問題。

采用先準直后擴束的思路進行設計，初始結構的透鏡第一面為外凸型，曲率方向與LD光源慢軸方向一致，實現光斑壓縮；透鏡第二面為內凹型，曲率方向與LD光源快軸方向一致，實現光斑擴束。透鏡前表面距離光源10mm，透鏡厚度5mm。經過式（1）計算后，柱面透鏡前后表面的曲率半徑分別約為5.23mm、12.31mm。系統優化后得到圖7所示的系統結構，光束慢軸方向角度壓縮，快軸方向角度擴束，點光源在傳播20m后光斑尺寸約為147.2mm×35.68m，發散角約為0.422°、83.47°，符合設計要求。光學系統透鏡曲面為球面，總長16.7mm（不含LD裝置），寬度12mm。

圖7 4發射器單個LD光束整形系統

4 設計方案比較與分析

通過對原LD光斑參數和周視引信光學系統參數的計算，在引信布局基本不變的基礎上，設計了8發射器、4發射器兩種光學系統，并對其進行了優化仿真。兩種方案都能改善原引信發射系統光束指向性強、空間能量覆蓋不足的問題，也進一步提高了對目標探測的概率。

1）8發射器方案的優點是基本不改變原有發射器的空間布局，只對LD光源慢軸方向光束壓縮準直，因此用一片平凸柱面透鏡即可完成，系統體積小，器件加工成本和系統裝調難度小；缺點是需要用到的LD光源較多，且擴束后能量的功率密度比原系統有所降低，需要提高LD光源輻射能量才能達到與原系統相同的探測距離。

2）4發射器方案的優點是在原結構上減少一半的LD發射器，簡化了布局，透鏡數量較少，且只用一片透鏡就可同時實現光斑快慢軸兩個方向的整形，較為完善地形成了周視光學系統，探測空間不留空白；缺點是擴束后束散角較大，需要大幅度提高LD光源的輻射能量來彌補功率密度衰減，另外，在一片透鏡上集成兩個不同方向的柱面結構，透鏡加工難度和成本相對較高。

理論上兩個方案都能改善原引信探測性能的不足，但從產品維修或改進等實際因素考慮，8發射器方案更便于實施。