一种激光引信光学系统的虚拟样机建模技术

2012-04-20 00:44张京国

制导与引信 2012年2期

李源，张京国，梁谦

（中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

0 引言

近炸引信虚拟样机是在计算机上建立的表示引信系统（包括引战配合特性）及其使用环境的完整、详细的模型，它能够逼真地反映引信在测试、试验和作战使用中的性能，并且它能够用来评价引信的设计方案和评估产品的性能［1］。由于虚拟样机的以上优点，随着计算机技术的发展，近炸引信虚拟样机设计已经成为引信设计中的一个重要阶段。

作为激光引信的一个重要组成部分，激光引信虚拟样机必然要对光学系统进行建模。传统的光学仿真往往采用商业的光学软件来实现，但对于激光引信而言，其采用的光学系统形式不同于传统光学系统，特别是用来进行光电转换的探测器往往具有不规则面形，而光学软件只能针对光学系统的某个功能进行仿真以及优化，对目标特性以及不规则面形探测器都不能进行仿真。基于此种原因，本文采用统计建模与光学追迹的方法，利用Matlab软件编程对此光学系统进行虚拟样机建模。

1 发射光学系统的数学建模

1.1 发射光学系统参数

发射光学系统子午面视场角α；

发射光学系统弧矢面视场角β；

激光源：量子阱阵列GaAs半导体激光器。

图1所示为光学发射机的组成示意图。

图1 光学发射机的组成示意图

1.2 发射光束的数学统计建模

按照发射光学系统要求，对激光器发出的激光束进行整形设计［2］，如图2所示。

图2 发射光学系统

激光器发出的激光经过光学系统整形后，在子午方向光束能量P（α）是高斯分布；在弧矢方向由于激光器发光结是阵列分布，且又经光学系统扩束，所以光束能量P（β）在此方向即不是高斯分布，又不是理想的均匀分布。这就给光学发射机的激光光束建模带来了难度。所以，在本文中借助试验参数，运用统计建模法将多个测试结果进行融合，最终得到发射光学系统的能量空间分布。

图3是光学发射机在子午面以及弧矢面的能量分布示意图。

图3 光学发射机在子午面和弧矢面的能量分布示意图

上述情况仅考虑了光束能量的空间分布，而在本文中还要考虑激光束功率随时间的变化。本文所研究的激光引信采用的是脉冲工作体制，直接向半导体激光器注入电流，改变发射波形。激光光束功率P（t）随时间的变化如图4所示。

图4 光学发射机光束能量随时间分布示意图

假设由光学系统光面发射到外部空间的功率为PS，将此功率在子午面与弧矢面内进行离散化，离散化后的单位发射光束与目标反射面的截面称为单位反射面元，如图5、图6所示。

由上图可知，单位面元面积 ATAR＝

图5 光学发射机在子午面的能量均分示意图

图6 光学发射机在弧矢面的能量均分示意图

（π／4）R2θαθβ，其中R 为发射机到目标间的距离；θα、θβ分别为单位发射光束在子午面以及弧矢面的角宽度。照射到单位面元上的功率PTAR为

式中：A（α，β，t）为光束能量PS随子午面视场角、弧矢面视场角以及时间变化的系数；τ 为发射机到目标间的大气透射比。

由目标单位反射面元反射到半球空间内的回波功率PSP为

式中：ρ为目标的反射比；θ为探测方向与朗伯面表面法线的夹角。离反射源距离为R 的空间点上的辐照度HR 由下式表示：

2 接收光学系统的数学建模

2.1 接收光学系统参数

接收光学系统子午面视场角α；

接收光学系统弧矢面视场角β；

接收口径L×H。

2.2 接收光学系统仿真及其数学建模

本文所研究的是以二次曲柱面反射镜为主体形式的光学系统，如图7所示。

图7 接收光学系统光线追迹图

入射光线经过接收光学系统聚焦成像在反射镜的焦平面上，形成与反射镜口径等宽度的一段线像，图8是成像光斑的能量分布图。

为了减小探测器的动态范围，本光学系统采用的是异形探测器。由图7可知，入射光线经过光学系统在探测器上的成像位置与其在接收口径上的入射位置有关，由于所需建模的接收光学系统采用的是不规则面形的探测器，这就使得光学设计软件不能进行精确的成像光斑与探测器相对位置关系的仿真。基于以上原因，此接收光学系统采用Matlab软件进行建模。