李福巍 張運(yùn)強(qiáng) 潘國(guó)慶

摘 要：????? 在導(dǎo)引系統(tǒng)中， 將雙光楔結(jié)構(gòu)與雙模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合， 使復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)保持不動(dòng)， 通過(guò)雙光楔的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掃描和跟蹤。 這種設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了位標(biāo)器的設(shè)計(jì)， 也給復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了足夠空間余量， 有利于導(dǎo)引系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 本文提出一種基于雙光楔的紅外/激光雙模光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 可用于獲取目標(biāo)的雙模信息， 分析了光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)， 研究了采用雙光楔結(jié)構(gòu)對(duì)掃描視場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方法， 并對(duì)整體光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紅外和激光雙波段的良好成像， 滿足導(dǎo)引系統(tǒng)的使用需求。

關(guān)鍵詞：???? 光學(xué)設(shè)計(jì); 雙模光學(xué)系統(tǒng); 雙光楔

中圖分類號(hào)：??? TN219; TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A文章編號(hào)：???? 1673-5048（2018）01-0043-04

0 引? 言

在現(xiàn)代化空天戰(zhàn)爭(zhēng)中， 精確制導(dǎo)武器成為實(shí)施毀滅性打擊的重要手段。 目前， 精確制導(dǎo)武器導(dǎo)引制導(dǎo)方式主要包括紅外制導(dǎo)、 激光制導(dǎo)、 雷達(dá)制導(dǎo)等。? 隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜， 攻防對(duì)抗越來(lái)越激烈， 精確制導(dǎo)武器的打擊能力受到嚴(yán)重的影響， 多模復(fù)合制導(dǎo)方式得到了快速的發(fā)展， 這種方式不僅提高了抗干擾能力和復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的命中精度， 同時(shí)具備打擊多種目標(biāo)的能力， 提高武器作戰(zhàn)靈活性和作戰(zhàn)效能[1]。

目前， 多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)中最常見的是雙模制導(dǎo)技術(shù)， 在導(dǎo)彈上應(yīng)用和正在發(fā)展的雙模制導(dǎo)技術(shù)主要包括雷達(dá)/紅外、 雷達(dá)/電視、 紫外/紅外、 可見光/紅外、 毫米波/紅外和紅外/激光等。 其中紅外成像/激光成像復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)是該領(lǐng)域的一個(gè)重要分支[2]。

然而， 由于兩種制導(dǎo)方式的復(fù)合必然會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量， 從而增加導(dǎo)引系統(tǒng)位標(biāo)器的設(shè)計(jì)難度， 特別是對(duì)位標(biāo)器的空間布局和響應(yīng)速度有很大的影響。 因此， 本文考慮將雙光楔結(jié)構(gòu)與雙模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合， 使復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)保持不動(dòng)， 通過(guò)雙光楔的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掃描和跟蹤。 這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了位標(biāo)器的設(shè)計(jì)， 并給復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了足夠空間余量， 更有利于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

1 雙模復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)確定

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

目前較為常用的位標(biāo)器結(jié)構(gòu)有雙框架式和橫滾俯仰兩軸式等， 光學(xué)系統(tǒng)一般要安置在某個(gè)框架上， 隨框架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)， 達(dá)到對(duì)目標(biāo)搜索和跟蹤的目的。

然而， 這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的重量和尺寸有較為嚴(yán)格的要求， 限制了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 特別是雙模光學(xué)系統(tǒng)， 由于要將兩個(gè)波段融合在一起，

必然要增加體積和重量， 影響位標(biāo)器的跟蹤速度和響應(yīng)能力等， 從而給位標(biāo)器設(shè)

計(jì)帶來(lái)壓力。

因此， 本文利用光楔對(duì)光線的偏折特性， 通過(guò)雙光楔旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掃描和跟蹤， 僅采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 負(fù)載兩個(gè)光楔進(jìn)行運(yùn)動(dòng)， 極大地簡(jiǎn)化了位標(biāo)器的設(shè)計(jì); 同時(shí)， 這樣設(shè)計(jì)使后面的光學(xué)系統(tǒng)與彈體固定在一起即可， 不需要隨運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，? 從而不需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸和重量控制， 為其提供了較大的設(shè)計(jì)裕度， 有利于性能的提高。

1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

1.2.1 紅外分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（1） 紅外接收系統(tǒng)視場(chǎng)： 5°×4°。

（2） 中波致冷面陣探測(cè)器， 像元中心距： 30? μm×30 μm;? 像元數(shù)： 320×256。

（3） 工作波段： 3～5? μm。

1.2.2 激光分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（1） 激光接收系統(tǒng)視場(chǎng)： 2°×1.6°。

（2） 近紅外探測(cè)器，? 像元中心距： 30 μm×30 μm; 像元數(shù)： 320×256。

（3） 工作波段： 1.57 μm。

1.3 光學(xué)參數(shù)計(jì)算

1.3.1 焦距

焦距計(jì)算公式如下：

f ′=d2tanω（1）

式中： ω為半瞬時(shí)視場(chǎng)角; d為探測(cè)器光敏面尺寸; f ′為光學(xué)系統(tǒng)焦距。

計(jì)算可得紅外接收光學(xué)系統(tǒng)焦距為

f ′IR=320×30 μm2tan（5°/2）=109.9 mm

計(jì)算可得激光接收光學(xué)系統(tǒng)焦距為

f ′Laser=320×30 μm2tan（2°/2）=275 mm

1.3.2 系統(tǒng)入瞳口徑

入瞳口徑計(jì)算公式如下：

DIR=f ′F/#（2）

式中： F/#為系統(tǒng)F數(shù)。

紅外接收系統(tǒng)F/#由制冷探測(cè)器本身決定， 則計(jì)算可得紅外接收系統(tǒng)入瞳口徑為

DIR=f ′F/#=109.9 mm1.88=58.5 mm

激光接收系統(tǒng)入瞳口徑與紅外接收系統(tǒng)保持一致， 設(shè)計(jì)時(shí)也將其確定為58.5 mm。

2 雙光楔參數(shù)確定

2.1 光楔偏折原理

光楔是楔角α很小的棱鏡， 由于折射角很小， 其偏向角δ公式可以大大簡(jiǎn)化， 如公式（3）所示：

δ=α（n-1）（3）

2.2 光楔對(duì)消色差原理

由于光楔和棱鏡都具有色散的特性， 因此， 當(dāng)發(fā)生偏折時(shí)要考慮系統(tǒng)的色差， 對(duì)于該問(wèn)題可以采用組合光楔對(duì)減小色差的影響[3]。 組合光楔對(duì)是由兩個(gè)不同材料的光楔組成一個(gè)光楔對(duì)， 楔角大的光楔采用色散小的硅材料， 楔角小的光楔采用色散大的鍺材料。 根據(jù)公式（4）～（5）建立色散方程：

αGe（nGe-1）+αSi（nSi-1）=β（4）

αGe（nGe-1）VGe+αSi（nSi-1）VSi=0（5）

式中： n為不同材料的折射率; α為光楔的楔角; V為不同材料的阿貝數(shù); β為光束的偏折角度。

本文系統(tǒng)要求掃描范圍為±50°， 即要求單光楔對(duì)的偏折角度為25°， 利用以上公式可以計(jì)算得到： αGe=1.3°， αSi= 12.5°， 確定光楔對(duì)如圖1所示。

2.3 雙光楔對(duì)結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)上文對(duì)光楔材料的選擇和角度的設(shè)計(jì)， 確定雙光楔對(duì)結(jié)構(gòu)， 見圖2。 圖中位置為偏轉(zhuǎn)角度最大時(shí)， 兩組光楔對(duì)的情況。

根據(jù)資料上提到的矢量法， 利用公式（6）計(jì)算雙光楔對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)光線的偏轉(zhuǎn)情況[4-8]：

φ=2δcos（（θ2-θ1）/2） （6）

式中： φ為總偏轉(zhuǎn)角;?? θ1為光楔對(duì)1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;? θ2為光楔對(duì)2的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

假設(shè)光楔對(duì)1不動(dòng)， 光楔對(duì)2旋轉(zhuǎn)180°， 以10°為間隔進(jìn)行計(jì)算， 表1為計(jì)算得到的光線偏角。

通過(guò)光學(xué)軟件進(jìn)行光線追跡， 可以得到實(shí)際最大偏移量為51°， 達(dá)到指標(biāo)的要求。 圖3為光線最大偏向角的情況。 圖4為光線最小偏向角的情況， 即無(wú)偏向， 僅有一個(gè)向下的位移。

3 系統(tǒng)復(fù)合設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

通過(guò)對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式光學(xué)系統(tǒng)的分析， 確定使用透射式結(jié)構(gòu)， 采用一個(gè)半反半透的分光鏡將兩個(gè)波段分開， 使光線入射到兩個(gè)不同的探測(cè)器上。

由于系統(tǒng)的搜索視場(chǎng)是由雙光楔保證的， 因此， 給光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的裕度。 不需要嚴(yán)格控制光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度和重量等， 為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方便。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想， 利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化后得到的光學(xué)系統(tǒng)如圖5所示。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)（MTF）曲線如圖6～7所示。 圖中不同的曲線表明了不同視場(chǎng)的MTF， 實(shí)線為子午方向， 虛線為弧矢方向。 圖6為紅外分系

統(tǒng)的傳遞函數(shù)， 由于色差的影響曲線距離衍射極限有一定的距離， 但是已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的使用要求。 圖7為激光分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， 由于激光為單色光， 沒(méi)有色差的影響， 其成像質(zhì)量很好， 已經(jīng)可接近衍射極限。

5 結(jié)? 論

本文對(duì)基于雙光楔的紅外/激光雙模光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究， 并設(shè)計(jì)得到一套可以對(duì)紅外中波波段和激光波段成像的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以雙光楔為掃描機(jī)構(gòu)， 簡(jiǎn)化了導(dǎo)引系統(tǒng)位標(biāo)器的設(shè)計(jì)， 并為光學(xué)系統(tǒng)提供了足夠的設(shè)計(jì)余量， 保證了光學(xué)系統(tǒng)獲得良好的成像質(zhì)量。 該系統(tǒng)可以滿足紅外/激光復(fù)合成像制導(dǎo)導(dǎo)引系統(tǒng)的使用要求， 為今后該方向的研制工作奠定良好的基礎(chǔ)。

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