基于双光楔的双模光学系统设计分析

    李福巍 张运强 潘国庆

    

    

    

    摘 要：????? 在導引系统中， 将双光楔结构与双模复合光学系统相结合， 使复合光学系统保持不动， 通过双光楔的运动来实现系统的扫描和跟踪。 这种设计不仅简化了位标器的设计， 也给复合光学系统的设计提供了足够空间余量， 有利于导引系统的总体设计。 本文提出一种基于双光楔的红外/激光双模光学系统设计方案， 可用于获取目标的双模信息， 分析了光学系统的基本参数， 研究了采用双光楔结构对扫描视场的实现方法， 并对整体光学系统进行了设计。 所设计系统实现了红外和激光双波段的良好成像， 满足导引系统的使用需求。

    关键词：???? 光学设计; 双模光学系统; 双光楔

    中图分类号：??? TN219; TN249 文献标识码：??? A文章编号：???? 1673-5048（2018）01-0043-04

    0 引? 言

    在现代化空天战争中， 精确制导武器成为实施毁灭性打击的重要手段。 目前， 精确制导武器导引制导方式主要包括红外制导、 激光制导、 雷达制导等。? 随着未来战争环境越来越复杂， 攻防对抗越来越激烈， 精确制导武器的打击能力受到严重的影响， 多模复合制导方式得到了快速的发展， 这种方式不仅提高了抗干扰能力和复杂战场环境下的命中精度， 同时具备打击多种目标的能力， 提高武器作战灵活性和作战效能[1]。

    目前， 多模复合制导技术中最常见的是双模制导技术， 在导弹上应用和正在发展的双模制导技术主要包括雷达/红外、 雷达/电视、 紫外/红外、 可见光/红外、 毫米波/红外和红外/激光等。 其中红外成像/激光成像复合制导技术是该领域的一个重要分支[2]。

    然而， 由于两种制导方式的复合必然会增加光学系统的体积和重量， 从而增加导引系统位标器的设计难度， 特别是对位标器的空间布局和响应速度有很大的影响。 因此， 本文考虑将双光楔结构与双模复合光学系统相结合， 使复合光学系统保持不动， 通过双光楔的运动来实现系统的扫描和跟踪。 这种设计简化了位标器的设计， 并给复合光学系统的设计提供了足够空间余量， 更有利于系统的总体设计。

    1 双模复合光学系统参数确定

    1.1 系统设计思路

    目前较为常用的位标器结构有双框架式和横滚俯仰两轴式等， 光学系统一般要安置在某个框架上， 随框架进行运动， 达到对目标搜索和跟踪的目的。

    然而， 这样的结构对光学系统的重量和尺寸有较为严格的要求， 限制了光学系统的设计， 特别是双模光学系统， 由于要将两个波段融合在一起，

    必然要增加体积和重量， 影响位标器的跟踪速度和响应能力等， 从而给位标器设

    计带来压力。

    因此， 本文利用光楔对光线的偏折特性， 通过双光楔旋转实现系统的扫描和跟踪， 仅采用两个转动机构， 负载两个光楔进行运动， 极大地简化了位标器的设计; 同时， 这样设计使后面的光学系统与弹体固定在一起即可， 不需要随运动机构进行运动，? 从而不需要对光学系统进行严格的尺寸和重量控制， 为其提供了较大的设计裕度， 有利于性能的提高。

    1.2 系统性能指标

    1.2.1 红外分系统技术指标

    （1） 红外接收系统视场： 5°×4°。

    （2） 中波致冷面阵探测器， 像元中心距： 30? μm×30 μm;? 像元数： 320×256。

    （3） 工作波段： 3～5? μm。

    1.2.2 激光分系统技术指标

    （1） 激光接收系统视场： 2°×1.6°。

    （2） 近红外探测器，? 像元中心距： 30 μm×30 μm; 像元数： 320×256。

    （3） 工作波段： 1.57 μm。

    1.3 光学参数计算

    1.3.1 焦距

    焦距计算公式如下：

    f ′=d2tanω（1）

    式中： ω为半瞬时视场角; d为探测器光敏面尺寸; f ′为光学系统焦距。

    计算可得红外接收光学系统焦距为

    f ′IR=320×30 μm2tan（5°/2）=109.9 mm

    计算可得激光接收光学系统焦距为

    f ′Laser=320×30 μm2tan（2°/2）=275 mm

    1.3.2 系统入瞳口径

    入瞳口径计算公式如下：

    DIR=f ′F/#（2）

    式中： F/#为系统F数。

    红外接收系统F/#由制冷探测器本身决定， 则计算可得红外接收系统入瞳口径为

    DIR=f ′F/#=109.9 mm1.88=58.5 mm

    激光接收系统入瞳口径与红外接收系统保持一致， 设计时也将其确定为58.5 mm。

    2 双光楔参数确定

    2.1 光楔偏折原理

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

    δ=α（n-1）（3）

    2.2 光楔对消色差原理

    由于光楔和棱镜都具有色散的特性， 因此， 当发生偏折时要考虑系统的色差， 对于该问题可以采用组合光楔对减小色差的影响[3]。 组合光楔对是由两个不同材料的光楔组成一个光楔对， 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锗材料。 根据公式（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为不同材料的折射率; α为光楔的楔角; V为不同材料的阿贝数; β为光束的偏折角度。

    本文系统要求扫描范围为±50°， 即要求单光楔对的偏折角度为25°， 利用以上公式可以计算得到： αGe=1.3°， αSi= 12.5°， 确定光楔对如图1所示。

    2.3 双光楔对结构确定

    根据上文对光楔材料的选择和角度的设计， 确定双光楔对结构， 见图2。 图中位置为偏转角度最大时， 两组光楔对的情况。

    根据资料上提到的矢量法， 利用公式（6）计算双光楔对相对运动时光线的偏转情况[4-8]：

    φ=2δcos（（θ2-θ1）/2） （6）

    式中： φ为总偏转角;?? θ1为光楔对1的转动角度;? θ2为光楔对2的转动角度。

    假设光楔对1不动， 光楔对2旋转180°， 以10°为间隔进行计算， 表1为计算得到的光线偏角。

    通过光学软件进行光线追迹， 可以得到实际最大偏移量为51°， 达到指标的要求。 图3为光线最大偏向角的情况。 图4为光线最小偏向角的情况， 即无偏向， 仅有一个向下的位移。

    3 系统复合设计

    3.1 系统结构选择

    通过对各种结构形式光学系统的分析， 确定使用透射式结构， 采用一个半反半透的分光镜将两个波段分开， 使光线入射到两个不同的探测器上。

    由于系统的搜索视场是由双光楔保证的， 因此， 给光学系统的设计带来了更大的裕度。 不需要严格控制光学系统的长度和重量等， 为系统的优化设计提供了方便。

    3.2 设计结果

    根据以上设计思想， 利用光学设计软件优化后得到的光学系统如图5所示。

    4 设计结果分析

    复合光学系统传递函数（MTF）曲线如图6～7所示。 图中不同的曲线表明了不同视场的MTF， 实线为子午方向， 虚线为弧矢方向。 图6为红外分系

    统的传递函数， 由于色差的影响曲线距离衍射极限有一定的距离， 但是已经可以满足系统的使用要求。 图7为激光分系统的传递函数， 由于激光为单色光， 没有色差的影响， 其成像质量很好， 已经可接近衍射极限。

    5 结? 论

    本文对基于双光楔的红外/激光双模光学系统设计方法进行了研究， 并设计得到一套可以对红外中波波段和激光波段成像的系统。 该系统以双光楔为扫描机构， 简化了导引系统位标器的设计， 并为光学系统提供了足够的设计余量， 保证了光学系统获得良好的成像质量。 该系统可以满足红外/激光复合成像制导导引系统的使用要求， 为今后该方向的研制工作奠定良好的基础。

    参考文献：

    [1] 刘代军， 张蓬蓬. 美国下一代空空导弹发展历程与启示[J]. 航空兵器， 2016（2）： 3-8.

    Liu Daijun， Zhang Pengpeng. Development and Revelation of US Next Generation Air-to-Air Missile[J]. Aero Weaponry， 2016（2）： 3-8. （in Chinese）

    [2] 李福巍， 张运强， 潘国庆. 红外/激光双模共口径光学系统设计[J]. 应用光学， 2012， 33（3）： 496-499.

    Li Fuwei， Zhang Yunqiang， Pan Guoqing. Optical Design of IR/Laser Dual-Mode Common Aperture System[J]. Journal of Applied Optics， 2012， 33（3）： 496-499.（in Chinese）

    [3] 张以谟. 应用光学[M]. 3版. 北京：电子工业出版社， 2008.

    Zhang Yimo. Optical Application[M]. 3rd ed. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2008.（in Chinese ）

    [4] 郭云曾， 杨小军， 杨小君， 等. 旋转双光楔光路引导系统Matlab仿真研究[J]. 红外与激光工程， 2014， 43（3）： 856-860.

    Guo Yunzeng， Yang Xiaojun， Yang Xiaojun， et al. Simulation Study of Rotating Double Optical Wedge Vectoring Optics Path Based on Matlab[J]. Infrared and Laser Engineering， 2014， 43（3）： 856-860.（in Chinese）

    [5] 虞林瑤， 魏群， 张天翼， 等. 无热化旋转双光楔共形光学系统设计[J]. 红外与激光工程， 2014， 43（2）： 528-534.

    Yu Linyao， Wei Qun， Zhang Tianyi， et al. Design of A Thermal Conformal Optical System Based on Rotated Phase Plates[J]. Infrared and Laser Engineering， 2014， 43（2）： 528-534.（in Chinese）

    [6] Florea C，? Sanghera J S，? Aggarwal I D. Broadband Beam Steering Using Chalcogenide-Based Risley Prisms[J]. Optical Engineering， 2011， 50（3）： 033001.

    [7] Li Anhu， Jiang Xuchun， Sun Jianfeng， et al. Radial Support Analysis for Large-Aperture Rotating Wedge Prism[J]. Optics & Laser Technology， 2012， 44（6）： 1881–1888.

    [8] 赵军丽， 吴易明， 高立民， 等. 旋转双光楔系统用于像移补偿的技术研究[J]. 红外与激光工程， 2015， 44（5）： 1506-1511.

    Zhao Junli， Wu Yiming， Gao Limin， et al. Technology Research on Image Motion Compensation of the Rotating Double Optical Wedge [J]. Infrared and Laser Engineering， 2015， 44（5）： 1506-1511.（in Chinese）