基于双波长激光引信的光学系统研究
李正+王锋+梅浩
摘要： 针对激光引信应用双波长辐射源进行目标探测识别的需求， 设计了一种发射、 接收光学系统。 该光学系统工作于紫光和红外光两个波段， 具有结构简单、 体积小等优点。 通过光学整形， 引信辐射光束均匀分布于光学视场中， 且两种波长的光学视场有效交叠， 通过光学系统的收、 发配合能够准确获取引信目标的回波信息。
关键词： 光学系统； 激光引信； 双波长
中图分类号： TJ43+9.2文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）05-0045-030引言
激光引信利用激光束为辐射源对目标进行主动探测， 由于其主动性好、 方向性强、 抗电磁干扰能力强， 在国内外各种战术导弹系统中被广泛应用。
目前， 大多采用单色激光作为激光引信的辐射源。 传统的单色激光引信存在着易受云、 烟雾干扰的特点， 情况严重时会导致虚警等不良后果， 由此制约着整弹作战能力。 针对这一问题， 国内有关单位进行了双波长激光探测技术的理论探索和试验研究[1-3]。
由于引信内部空间受限， 激光引信的光学系统通常仅由少片透镜完成光学指标。 而对于双波长激光引信来说， 同一光学材料对不同波长的激光束具有不同的折射率， 导致两种波长的整形情况有较大差异， 应用同一探测器进行能量采集提升了光学设计的难度。 本文以双波长激光引信为背景， 兼顾解决引信空间限制和色差带来的不利因素， 设计了一种双波长激光引信光学系统。
1主要技术参数
本文研究的双波长光学系统， 基于双波长激光引信离散视野、 单视场探测的总体要求， 针对红外光和紫光两个波段进行光学设计。
激光器同时出射紫光和红外光两个波段的激光作为辐射光源， 经光学系统进行整形， 发射光学系统最终出射视场角为1°的窄视野光束。 根据引信收、 發配合总体参数计算接收光学系统视场角， 有效接收目标的反射回波。
2光学系统设计
为了实现双波长激光引信的精确目标探测，
收稿日期： 2016-12-16
作者简介： 李正（1985-）， 女， 吉林松原人， 硕士， 工程师， 研究方向为光学系统设计。
引用格式： 李正， 王锋， 梅浩 . 基于双波长激光引信的光学系统研究[ J]. 航空兵器， 2017（ 5）： 45-47.
Li Zheng， Wang Feng， Mei Hao.Research on Optical System Based on DualWavelength Laser Fuze[ J]. Aero Weaponry， 2017（ 5）： 45-47. （ in Chinese）首先应利用光学系统进行辐射源的整形， 使两种波长的发射光场与目标回波光场分布于特定的区域内， 才能保证双波长激光束所探测到的为同一目标[4]。
根据上述技术指标进行分析， 双波长激光引信的光学系统需要兼顾激光束的弧矢方向和子午方向进行压缩整形。 紫光与红外光两种波段具有较大色差， 需要通过光学系统进行消色差设计， 传统激光引信光学系统的单片功能透镜已远远不能实现双波长激光引信的总体指标。 激光引信内部空间有限， 对光学系统的设计构成较大制约， 在设计过程中既要控制透镜个数， 同时系统总长也要尽可能缩短。
2.1发射光学系统设计
由于激光束在子午方向和弧矢方向的发散角不同， 无法应用一片透镜达到指标要求， 所以应用两片柱面镜， 分别对激光束不同方向发散角进行整形， 将较大视场角压缩到1°， 同时对视野方向进一步压缩。 该设计方法避免了光学系统复杂性设计， 降低透镜加工难度， 从而提高系统的工程应用性。
紫光和红外光两种波段之间的色差是影响光束准直效果的重要因素之一。 系统首先进行消色差设计， 应用两种或两种以上光学材料能够有效校正色差。 本系统采用SF2/BK7两种常见光学玻璃组合成双胶合透镜， 双波长激光束经过双胶合透镜后， 视场角能够满足1°的指标要求。 由于光学系统所占空间有限， 要求双胶合透镜具有较小焦距， 这就使得个别透镜的曲率增大， 各个透光面承担的光线偏折角也有所增加， 由此产生较大的高级像差。 对光学系统中较敏感的面型引入偶次非球面， 以球面作为基底， 调整二次项变量进行优化设计， 校正高级像差。
将窗口玻璃设计为功能透镜， 对激光束视野角进行压缩整形。 为避免光束出现过大偏折角， 且考虑到便于透镜安装等因素， 将窗口玻璃设计为平凸柱面镜， 平面朝向引信内部， 凸面朝外。 透镜凸面引入非球面设计， 以此完成双波长光束的视野角压缩。
应用lightools软件进行系统的光学仿真， 发射光学系统仿真结果如图2所示。 该系统仅由两片透镜组成， 经过两片柱面镜的共同作用， 出射光束达到指标要求， 整形效果较好， 且该系统体积较小， 为引信其他分组件提供了更大的设计空间。
发射光学系统6 m位置的光束能量和光斑示意图如图3～4所示。 在6 m作用距离处， 红外光相对于紫光稍稍发散， 但发散角较小， 满足指标要求。 综合光束能量与光斑分布情况来看， 在有效范围内， 两种光束能量分布均匀， 且光场相互重叠。 由此可见， 双波长发射光束的光场分布基本没有差别， 在激光引信对目标进行主动探测时， 能够保证接收系统所获取的紫光与红外光回波信息的准确性。
2.2接收光学系统设计
发射光学系统的主动探测光束均匀辐射到探测目标表面， 形成漫反射回波， 由引信接收光学系统进行能量采集， 获取回波信息。
接收光学系统通过一片平凸透镜对双波长光束进行汇聚， 利用探测器将光能量转换为电信号输出供后续信号处理。 将接收透镜的凸面加非球面设计， 解决了边缘光线偏折角过大的问题。
在接收系统中， 双波长激光束的会聚光斑能够完全包含于探测器光敏面内， 使探测器有效接收到光学系统采集的能量信息， 满足指标要求。 接收光学系统的仿真结果如图5所示， 红外光聚焦效果较好。 由仿真结果可知， 紫光虽然未能在光敏面处聚焦， 但根据光斑分布数据， 紫光的光斑分布在直径2 mm的圆周范围内， 远包含于探测器直径为5 mm的光敏面内， 探测效果满足接收系统要求。
3结论
本文对紫光/红外光双波长激光引信发射、 接收光学系统进行了研究。 综合考虑较高的光学指标要求及有限的系统空间限制等重要因素， 通过引入双胶合柱面镜设计， 并将窗口玻璃加入柱面曲率， 实现了发射系统要求的技术指标。 发射系统仅由两片透镜组成， 结构简单、 系统体积小， 较好地完成了激光束整形。 根据引信总体指标和发射光学系统的出射光束形式， 设计了接收光学系统。 经试验， 该系统能够较好获取目标回波能量， 对于激光引信光学系统研究有着重要的借鉴价值。
参考文獻：
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Li Yuan. Initial Research on Near Field Light Beam Orthopedics Design for Semiconductor Laser[J]. Aero Weaponry， 2007（1）： 51-52， 64. （in Chinese）
Research on Optical System Based on DualWavelength Laser Fuze
Li Zheng1， Wang Feng2， Mei Hao1
（1. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China；
2. Representative Office of Army Aviation in Luoyang， Luoyang 471009， China）
Abstract： According to the requirements of laser fuze towards target detection using dualwavelength， an emitting and receiving optical system is designed. The optical system which works in purple and infrared wavelength has a simple and compact structure. Emitting beams of laser fuze get even distribution and the optical fields of dualwavelength overlap after optimization. The echo information of laser fuze target can be acquired accurately through the cooperation of receiving and emitting of optical system.
Key words： optical system； laser fuze； dualwavelength
参考文献：
[1]
Oppressive jamming will incapacitate its normal function for phased array radar。 for this problem， the basic of polarization mismatch will be used， and isolate the interference source at the receiver， improve the ability of antiinterference. In this paper， a joint beamforming technique for polarization and spatial domain is first proposed， which is derive， which is a problem of secondorder cone programs， to obtain the polarized beam with a null and polarization constraint in desired sidelobe region. Numerical examples are provided to demonstrate the usefulness and effectiveness of the proposed approaches.
Polarization； interference rejection； phased array radar0引言
