嚴(yán)修齊，付躍剛

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

目前的多種制導(dǎo)方式中，紅外成像制導(dǎo)因其具有較高的命中精度和效費(fèi)比，在精確制導(dǎo)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)了重要地位，具有靈敏度高，空間分辨率高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)溫度范圍大，可以在各種復(fù)雜情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)自動(dòng)搜索，捕獲識(shí)別和命中，實(shí)現(xiàn)發(fā)射后不用管，探測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。但是，由于紅外制導(dǎo)方式僅能獲得目標(biāo)二維信息，導(dǎo)引頭易受紅外干擾，當(dāng)目標(biāo)距離接近時(shí)存在近場(chǎng)大目標(biāo)效應(yīng)，易丟失目標(biāo)等缺點(diǎn)，各國(guó)有針對(duì)性地對(duì)紅外制導(dǎo)方式進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并發(fā)展了多種對(duì)抗手段，單一的紅外制導(dǎo)方式難以適應(yīng)新的局部戰(zhàn)爭(zhēng)技術(shù)要求。

相對(duì)于基于目標(biāo)和背景之間溫度差異進(jìn)行探測(cè)的紅外制導(dǎo)方式，探測(cè)距離近、搜索范圍較小、易受煙霧水汽影響的激光制導(dǎo)是基于目標(biāo)的反射率特性進(jìn)行探測(cè)，不易受環(huán)境影響，具有更高的目標(biāo)探測(cè)精度，由于激光單色性和方向性好，具有很好的跟蹤精度和空間分辨率。將二者進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)成紅外/激光雙模制導(dǎo)方式，恰好彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)并發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

1 雙模復(fù)合制導(dǎo)光學(xué)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)今復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有3種：分離孔徑式、共孔徑式和單孔徑光學(xué)系統(tǒng)+多色探測(cè)器式3種。分離孔徑式系統(tǒng)，每一個(gè)通道采用單獨(dú)的光學(xué)/天線系統(tǒng)和探測(cè)器。這種結(jié)構(gòu)較容易實(shí)現(xiàn)，而且各個(gè)通道易達(dá)到最佳狀態(tài)，但會(huì)帶來同步和空間配準(zhǔn)等方面的問題，并且體積大、信息融合效率低。共孔徑式結(jié)構(gòu)的2個(gè)通道采用同一個(gè)光學(xué)/天線系統(tǒng)，通過專門的信號(hào)分離器將2個(gè)通道信號(hào)分開，進(jìn)入各自探測(cè)器，有利于簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，信息融合效率較高，但探測(cè)器之間可能存在遮擋問題。單孔徑光學(xué)系統(tǒng)+多色探測(cè)器結(jié)構(gòu)，避免了光束分離時(shí)的能量損失，增加探測(cè)距離，結(jié)構(gòu)更為緊湊。但該結(jié)構(gòu)對(duì)探測(cè)器的設(shè)計(jì)制造要求較高，成本相對(duì)較高，其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度相當(dāng)于共孔徑式，但國(guó)內(nèi)多色探測(cè)器的研制水平不足，難以滿足實(shí)用要求。

顯然第二、三種結(jié)構(gòu)型式更符合設(shè)計(jì)要求，并且第三種結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊。不過考慮到國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段多色探測(cè)器的研制水平，且該種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)要求光學(xué)材料具有寬的透過譜段，給設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)大的難度，故擬選擇第二種共孔徑接收，經(jīng)分光器分光后進(jìn)入分立焦平面成像的結(jié)構(gòu)型式。

1.2 系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)

紅外光學(xué)系統(tǒng)比較常見的結(jié)構(gòu)形式有折射成像、折反射成像等結(jié)構(gòu)形式。各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。緊湊型紅外光學(xué)系統(tǒng)常用的結(jié)構(gòu)形式主要有折射一次成像和折反射兩種形式。折射一次成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，便于裝調(diào)，無中心遮攔，但系統(tǒng)孔徑一般較小。由于紅外系統(tǒng)需要100%的冷光闌效率，若孔徑光闌位于鏡頭的后面，鏡頭口徑比入瞳大得多，雜散光比較多；若孔徑光闌放在鏡頭前面和中間，冷光闌效率降低，影響紅外成像。由于本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其口徑為250 mm，單純的折射系統(tǒng)無法滿足其孔徑、質(zhì)量及體積要求，所以采用折反式系統(tǒng)。通過對(duì)牛頓系統(tǒng)，格里高里，卡塞格林3種反射形式的比較(如圖1)，選擇了系統(tǒng)焦點(diǎn)位于主鏡外，總長(zhǎng)較短的卡塞格林式反射系統(tǒng)，其主次鏡同為雙曲面，可消球差和彗差并增大視場(chǎng)，折射部分采用紅外折射透鏡組。

表1 不同紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的比較Table 1 Comparison of different infrared optical system structures

圖1 3種不同反射形式比較Fig.1 Comparison of three different reflection forms

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1.1 紅外系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)指標(biāo)

紅外光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為

1) 探測(cè)器：640×512元制冷凝視焦平面探測(cè)器，像元尺寸為15 μm，

2) 響應(yīng)波段：3 μm～5 μm；

3) 視場(chǎng)：2°

4) 接收口徑：250 mm，F(xiàn)數(shù)1.4；

5) MTF在33 lp/mm時(shí)大于0.4

2.1.2 激光系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)指標(biāo)

激光系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)指標(biāo)為

1) 激光波長(zhǎng)：1.064 μm；

2) 接收口徑：250 mm；

3) 接收視場(chǎng)：2 mrad；

4) APD光敏面：0.8 mm；

5) 濾光片帶寬：3 nm；

6) 激光接收光學(xué)透過率：0.6

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

本系統(tǒng)主次鏡采用雙曲面，材料為鋁，焦距為350 mm，F(xiàn)數(shù)為1.4，系統(tǒng)選用制冷型中波紅外探測(cè)器，主次鏡成像須保證軸上像質(zhì)優(yōu)良，以便于順利裝配。中繼透鏡組為7片結(jié)構(gòu)，材料分別為鍺、硒化鋅和硅。

結(jié)構(gòu)選擇折反結(jié)構(gòu)，次鏡作為分光鏡，把激光和中波紅外分離，使光線入射到2個(gè)不同的探測(cè)器上，這樣設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 中波紅外波段較寬，為3 μm ～5 μm，在設(shè)計(jì)中將引入較大色差，反射系統(tǒng)本身性質(zhì)決定消色差，同時(shí)承擔(dān)主要光焦度，紅外部分增加適當(dāng)?shù)男ＵR組，使系統(tǒng)達(dá)到要求的像質(zhì)。激光部分通過選擇適當(dāng)?shù)溺R組可同時(shí)達(dá)到像質(zhì)要求。

2) 折反式結(jié)構(gòu)可以有效縮短光學(xué)總長(zhǎng)和折疊光路，為其他后續(xù)組件的安裝提供一定的空間。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述思路，使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化，所得光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。前面為激光探測(cè)系統(tǒng)，后面是中波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)。

圖2 折反射式紅外/激光光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Refractive and refrective infrared/laser optical system

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 紅外光學(xué)成像系統(tǒng)

由于紅外材料對(duì)溫度變化比較敏感，為保證在溫度變化時(shí)像質(zhì)穩(wěn)定良好，對(duì)其進(jìn)行消熱差處理。在溫度變化范圍為-40 ℃～60 ℃，其光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)(MTF)曲線如圖3所示。圖3中不同曲線表明了不同視場(chǎng)的MTF，T為子午方向，S為弧矢方向。由圖3可知，所有視場(chǎng)的子午、弧矢MTF都達(dá)到要求，系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量。

圖3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)Fig.3 Transfer function diagram of system

3.2 激光光學(xué)系統(tǒng)

3.2.1 光斑大小分析

圖4為焦面位置處不同視場(chǎng)時(shí)光斑的大小，系統(tǒng)在2°線性區(qū)范圍內(nèi)，光斑大小在40 μm～50 μm之間，其變化較小，分布均勻，復(fù)合激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性，滿足系統(tǒng)要求。

圖4 系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagram

3.2.2 光斑能量分析

圖5為系統(tǒng)不同視場(chǎng)時(shí)光斑能量分布情況，圖中不同曲線代表了不同視場(chǎng)的能量圓分布。從圖5中可以看出，在線性區(qū)范圍內(nèi)，光斑能量分布均勻，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 系統(tǒng)光斑能量分布Fig.5 Light energy distribution of system

4 結(jié)論

本文針對(duì)大孔徑，小F數(shù)的激光與中波紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，得到一套可以對(duì)紅外長(zhǎng)波波段(3 μm～5 μm)和激光波段(1.064 μm)探測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)成像良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足紅外成像/半主動(dòng)激光復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭的使用要求，為今后該方向的研制工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 袁旭滄.光學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

YUAN Xu-cang. Optical design[M]. Beijing: Science Press，1983.(in Chinese)

[2] 張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

ZHANG Yi-mo. Applied optics[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2008. (in Chinese)

[3] 王之江.實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

WANG Zhi-jiang. Practical optical technical manual[M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 2006. (in Chinese)

[4] 王志堅(jiān).光學(xué)工程基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

WANG Zhi-jian. Optical engineering[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2010. (in Chinese)

[5] 李林.現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)方法[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

LI Lin. Modern optical design method[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2009. (in Chinese)

[6] 毛文煒.光學(xué)鏡頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

MAO Wen-hui. The optimal design of the optical lens[M]. Beijing. Tsinghua University Press, 2009. (in Chinese)

[7] 郁道銀.工程光學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

YU Dao-yin.Optical engineering[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2006. (in Chinese)

[8] 黃志立,李波，李奇，等.現(xiàn)代光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)[J].光機(jī)電信息,2011,28(3):58-64.

HUANG Zhi-li,LI Bo,LI Qi,et al.Modern photoelectric aiming system [J]. Journal of Optical Information, 2011,28 (3)：58-64.(in Chinese with an English abstract)

[9] 陳希林，傅裕松，尉洵楷.機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 紅外技術(shù),2004,26(2):18-22.

CHEN Xi-lin, FU Yu-song, WEI Xun-kai. The present situation and development of airborne electro-optical targeting system [J]. Infrared Technology. 2004,26 (2) : 18-22. (in Chinese with an English abstract)

[10] 張荊.海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中的夜間低空紅外導(dǎo)航與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)[J].紅外與激光技術(shù),1992(3):1-14.

ZHANG Jing. Night in the gulf war low infrared navigation and targeting system [J]. Infrared and Laser Technology, 1992(3): 1-14. (in Chinese with an English abstract)

[11] 王澤和.美國(guó)海軍艦船光電設(shè)備的發(fā)展[J].應(yīng)用光學(xué),1995,16(1):1-4.

WANG Ze-he.Development of Us navy shipboard optelectric apparatus [J]. Journal of Applied Optics, 1995, 16 (1) : 1-4. (in Chinese with an English abstract)

[12] 羅巧云，高勇強(qiáng).美軍第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-35“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)”最卓越的航空電子系統(tǒng)[J].電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論,2005(4):6-8.

LUO Qiao-yum,GAO Yong-qiang.The fourth generation fighter F-35 “joint strike fighter” the most excellent avionics systems[J]. Journal of China Academy of Elecronics and Information Technology, 2005(4):6-8 (in Chinese with an English abstract)

[13] 陳苗海.機(jī)載光電導(dǎo)航瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展概況[J].電光與控制, 2003, 10(4):42-47.

CHEN Miao-hai.Airborne EO targeting & navigation system application and its development[J]. The application and research development of electro-optic and control, 2003,10 (4) : 42-47. (in Chinese with an English abstract)

[14] 張金全，曹艷君.機(jī)載前視紅外(FLIR)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].紅外技術(shù),2000,22(3):17-22.

ZHANG Jin-quan,CAO Yan-jun.Status and development tendency of air-borne FLIR system[J]. Infrared Technology, 2000,22(3): 17-22. (in Chinese with an English abstract)

[15] 成剛，楊隨虎.無人機(jī)機(jī)載光電系統(tǒng)綜述[J].應(yīng)用光學(xué),2005,26(4):1-4.

CHENG Gang,YANG Sui-hu.A summary of airborne photoelectronic systems on drones[J].Applied Optics, 2005,26(4): 1-4. (in Chinese with an English abstract)

[16] 蔣慶全.艦載前視紅外系統(tǒng)發(fā)展初探[J].艦載武器,2002(2):11-17.

JIANG Qing-quan.About the development of shipborne forward looking infrared (FLIR) system[J].Ship-borne Weapons, 2002 (2) : 11-17. (in Chinese with an English abstract)

[17] 趙秀麗.紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

ZHAO Xiu-li.Infrared optical system design [M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 1996. (in Chinese)

[18] 萊金.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

LAI Jin.Optical system design[M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 2012. (in Chinese)

[19] 克利克蘇諾夫.紅外技術(shù)原理手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

SU’S C. The principle of infrared technology handbook[M].Beijing:National Defense Industry Press, 1986. (in Chinese)

[20] 張幼文.紅外光學(xué)工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982.

ZHANG You-wen. Infrared optical engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1982.(in Chinese)

[21] SMITH W. Modern lens design[M].New York:McGraw-Hill，2004.

[22] FAWCETT J M. SCHWERDT C B, BALDWIN G D. Tri-mode seeker:US,6606066 B1[P]. 2003-08-12.

[23] KIERNAN S C, WALKER D J, STAMM D E,et al. Tri-mode co-boresighted seeker:US,6924772 B2[P].2003-10-30.

[24] G MINOR L. Dual mode semi-active laser/laser radar seeker:US,6262800[P]. 2001-07-17.

[25] BROWN K W, DRAKE T A. Common aperture reflector antenna with improved feed design: US, 6295034 B1[P].2001-09-25.

[26] LANKES S, GROSS M, ECKHARDT R. Infrared seeker head for target seeking missile:US, 6196497B1[P].2001-06-06.

[27] BARTH O, FENDT A, FLORIAN R. Dual-mode seeker with imaging sensor and semi-active laser detector[J]. SPIE, 2007, 6542:65423B-1-65423B-7

[28] MOBLEY S B. US army missile command dual-mode millimeter wave/infrared simulator development[J]. SPIE, 1994, 2223:100-106.

[29] PITTMAN W C, MULLINS J H, MEADOWS J B. Dual band millimeter-infrared fiber optics guidance data link:US,5944281[P]. 1999-08-31.