導(dǎo)讀
信息化條件下的戰(zhàn)爭,使精確制導(dǎo)武器成為實施毀滅性打擊的重要手段。精確制導(dǎo)武器的打擊精度主要依賴導(dǎo)引頭的制導(dǎo)技術(shù)。隨著精確制導(dǎo)武器的對抗層次越來越多,對抗手段越來越復(fù)雜,在多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中,單一模式的制導(dǎo)很難滿足精確打擊的需要,所以多模復(fù)合制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。紅外/激光雙模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)是世界各國研究的重點,它能實現(xiàn)光電互補(bǔ),從而克服各自的不足,又綜合利用了二者的優(yōu)點。紅外成像系統(tǒng)主要用于探測場景,排除各種輕重誘餌的干擾,識別出欲攔截目標(biāo)。激光雷達(dá)發(fā)射激光束照亮所選目標(biāo),反射回的激光會聚到探測器上以提取頻譜幅度、相位等多種信息。將這兩種傳感器提供的多種信息經(jīng)過信息融合處理可準(zhǔn)確識別目標(biāo)。
近日,中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所謝亞峰團(tuán)隊在《紅外與激光工程》發(fā)表“激光/紅外雙模環(huán)形孔徑導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”一文,文中介紹了該團(tuán)隊為了實現(xiàn)激光/紅外雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)的小型化,簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計了四次反射的雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng),實現(xiàn)了僅有單一光學(xué)元件的長波紅外7.7~9.5μm和激光1.064μm雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)。
1 雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的設(shè)計原理
環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)僅由單塊光學(xué)材料構(gòu)成,超薄透鏡的兩個表面均為環(huán)帶非球面反射面,在不同的環(huán)帶反射區(qū)域有不同的面型。成像光束通過超薄透鏡的外環(huán)通光口徑進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),經(jīng)過一系列同心圓環(huán)反射區(qū)域后進(jìn)入位于透鏡中心的探測器進(jìn)行成像。激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的原理如圖1所示,兩個不同焦距的光學(xué)系統(tǒng)共用一個通光口徑分別成像在各自的探測器上。圖1中紅色成像光束是激光成像波段,藍(lán)色成像光束是長波紅外波段。激光/長波紅外雙模成像系統(tǒng)的近軸折射式光路如圖1(a)所示,在其中引入多個反射鏡對兩個波段光路進(jìn)行多次折疊,通過分光面分離長波紅外和激光波段成像光路,可以顯著減小系統(tǒng)的軸向尺寸,如圖1(b)所示。
圖1激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄系統(tǒng)成像原理圖
(a)雙模近軸折射式結(jié)構(gòu);(b)雙模近軸環(huán)形孔徑反射式結(jié)構(gòu)
2 激光/長波紅外雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的設(shè)計
設(shè)計了應(yīng)用于長波紅外7.7~9.5μm和激光1.064μm的雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng),該系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)參數(shù)如表1所示。對于超薄成像系統(tǒng)的基底材料,不僅需要考慮兩個波段的透過率,還要考慮材料的光學(xué)特性和加工特性。選擇紅外硫系玻璃IRG206作為雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的基底材料,這種材料可以通過精密模壓實現(xiàn)批量化加工。
表1 激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)
通過優(yōu)化各環(huán)帶面型參數(shù)并控制系統(tǒng)總長和口徑,得到設(shè)計結(jié)果如圖2所示。系統(tǒng)的外徑直徑為80mm,遮攔區(qū)域直徑為53.4mm,遮攔比為0.67。經(jīng)過分光面后系統(tǒng)左側(cè)為長波紅外波段,系統(tǒng)右側(cè)為激光波段,雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的軸向尺寸為28mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前常用的卡式雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)尺寸。激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的實體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3(a)中,黃色透明區(qū)域表示折射透光環(huán)帶,銀白色區(qū)域表示反射環(huán)帶,粉色區(qū)域表示分光面。圖3(b)中,銀白色區(qū)域表示反射環(huán)帶,黃色透明區(qū)域表示折射透光環(huán)帶。
圖2 激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的光路圖
圖3 激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄系統(tǒng)成像實體結(jié)構(gòu)。
(a)前表面;(b)后表面
3 結(jié)論
文中設(shè)計了一種適用于激光和長波紅外波段的雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像光學(xué)系統(tǒng),給出了雙模環(huán)形孔徑系統(tǒng)的設(shè)計方法。根據(jù)設(shè)計指標(biāo),完成了系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算,通過環(huán)帶非球面的優(yōu)化,實現(xiàn)了長波紅外7.7~9.5μm和激光1.064μm的雙模環(huán)形孔徑超薄導(dǎo)引頭成像系統(tǒng),該系統(tǒng)的外徑直徑為80mm,軸向尺寸為28mm。在長波紅外波段,空間頻率為41.7lp/mm時各視場MTF曲線接近衍射極限,MTF大于0.136。在激光波長、系統(tǒng)全視場范圍內(nèi)的光斑分布均勻,光斑彌散斑RMS最大值為280μm。對雙模環(huán)形空間超薄成像系統(tǒng)進(jìn)行了無熱化設(shè)計,在?40~80℃范圍內(nèi),長波紅外波段的MTF曲線基本不變,各視場MTF最小值均大于0.13,激光波長的彌散斑形狀和能量分布基本沒有變化??紤]公差后,該系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)的MTF大于0.1,具備可加工性。設(shè)計結(jié)果對未來低成本、小型化激光/長波紅外雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新思路。
審核編輯:劉清
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