激光与中波红外双波段光学系统设计

严修齐，付跃刚

(长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022)

引言

目前的多种制导方式中，红外成像制导因其具有较高的命中精度和效费比，在精确制导领域内占据了重要地位，具有灵敏度高，空间分辨率高，系统动态温度范围大，可以在各种复杂情况下实现对目标自动搜索，捕获识别和命中，实现发射后不用管，探测距离远等特点。但是，由于红外制导方式仅能获得目标二维信息，导引头易受红外干扰，当目标距离接近时存在近场大目标效应，易丢失目标等缺点，各国有针对性地对红外制导方式进行了进一步研究，并发展了多种对抗手段，单一的红外制导方式难以适应新的局部战争技术要求。

相对于基于目标和背景之间温度差异进行探测的红外制导方式，探测距离近、搜索范围较小、易受烟雾水汽影响的激光制导是基于目标的反射率特性进行探测，不易受环境影响，具有更高的目标探测精度，由于激光单色性和方向性好，具有很好的跟踪精度和空间分辨率。将二者进行结合，构成红外/激光双模制导方式，恰好弥补各自的缺点并发挥优势。

1 双模复合制导光学设计方案

1.1 系统结构形式

当今复合系统结构主要有3种：分离孔径式、共孔径式和单孔径光学系统+多色探测器式3种。分离孔径式系统，每一个通道采用单独的光学/天线系统和探测器。这种结构较容易实现，而且各个通道易达到最佳状态，但会带来同步和空间配准等方面的问题，并且体积大、信息融合效率低。共孔径式结构的2个通道采用同一个光学/天线系统，通过专门的信号分离器将2个通道信号分开，进入各自探测器，有利于简化硬件结构，信息融合效率较高，但探测器之间可能存在遮挡问题。单孔径光学系统+多色探测器结构，避免了光束分离时的能量损失，增加探测距离，结构更为紧凑。但该结构对探测器的设计制造要求较高，成本相对较高，其光学系统设计难度相当于共孔径式，但国内多色探测器的研制水平不足，难以满足实用要求。

显然第二、三种结构型式更符合设计要求，并且第三种结构更加简单紧凑。不过考虑到国内现阶段多色探测器的研制水平，且该种结构在设计光学系统时要求光学材料具有宽的透过谱段，给设计带来相当大的难度，故拟选择第二种共孔径接收，经分光器分光后进入分立焦平面成像的结构型式。

1.2 系统光学结构

红外光学系统比较常见的结构形式有折射成像、折反射成像等结构形式。各系统结构形式的优缺点比较如表1所示。紧凑型红外光学系统常用的结构形式主要有折射一次成像和折反射两种形式。折射一次成像光学系统结构简单，质量轻，便于装调，无中心遮拦，但系统孔径一般较小。由于红外系统需要100%的冷光阑效率，若孔径光阑位于镜头的后面，镜头口径比入瞳大得多，杂散光比较多；若孔径光阑放在镜头前面和中间，冷光阑效率降低，影响红外成像。由于本文所设计的系统其口径为250 mm，单纯的折射系统无法满足其孔径、质量及体积要求，所以采用折反式系统。通过对牛顿系统，格里高里，卡塞格林3种反射形式的比较(如图1)，选择了系统焦点位于主镜外，总长较短的卡塞格林式反射系统，其主次镜同为双曲面，可消球差和彗差并增大视场，折射部分采用红外折射透镜组。

表1 不同红外光学系统结构形式的比较Table 1 Comparison of different infrared optical system structures

图1 3种不同反射形式比较Fig.1 Comparison of three different reflection forms

2 光学系统设计

2.1 光学系统设计指标

2.1.1 红外系统光学技术指标

红外光学系统技术指标为

1) 探测器：640×512元制冷凝视焦平面探测器，像元尺寸为15 μm，

2) 响应波段：3 μm～5 μm；

3) 视场：2°

4) 接收口径：250 mm，F数1.4；

5) MTF在33 lp/mm时大于0.4

2.1.2 激光系统光学技术指标

激光系统光学技术指标为

1) 激光波长：1.064 μm；

2) 接收口径：250 mm；

3) 接收视场：2 mrad；

4) APD光敏面：0.8 mm；

5) 滤光片带宽：3 nm；

6) 激光接收光学透过率：0.6

2.2 光学系统设计结果

本系统主次镜采用双曲面，材料为铝，焦距为350 mm，F数为1.4，系统选用制冷型中波红外探测器，主次镜成像须保证轴上像质优良，以便于顺利装配。中继透镜组为7片结构，材料分别为锗、硒化锌和硅。

结构选择折反结构，次镜作为分光镜，把激光和中波红外分离，使光线入射到2个不同的探测器上，这样设计有如下优点：

1) 中波红外波段较宽，为3 μm ～5 μm，在设计中将引入较大色差，反射系统本身性质决定消色差，同时承担主要光焦度，红外部分增加适当的校正镜组，使系统达到要求的像质。激光部分通过选择适当的镜组可同时达到像质要求。

2) 折反式结构可以有效缩短光学总长和折叠光路，为其他后续组件的安装提供一定的空间。

2.3 设计结果

根据上述思路，使用Zemax光学设计软件进行设计，优化，所得光学系统如图2所示。前面为激光探测系统，后面是中波红外光学成像系统。

图2 折反射式红外/激光光学系统Fig.2 Refractive and refrective infrared/laser optical system

3 设计结果分析

3.1 红外光学成像系统

由于红外材料对温度变化比较敏感，为保证在温度变化时像质稳定良好，对其进行消热差处理。在温度变化范围为-40 ℃～60 ℃，其光学系统传递函数(MTF)曲线如图3所示。图3中不同曲线表明了不同视场的MTF，T为子午方向，S为弧矢方向。由图3可知，所有视场的子午、弧矢MTF都达到要求，系统具有良好的成像质量。

图3 系统传递函数Fig.3 Transfer function diagram of system

3.2 激光光学系统

3.2.1 光斑大小分析

图4为焦面位置处不同视场时光斑的大小，系统在2°线性区范围内，光斑大小在40 μm～50 μm之间，其变化较小，分布均匀，复合激光系统设计特性，满足系统要求。

图4 系统点列图Fig.4 Spot diagram

3.2.2 光斑能量分析

图5为系统不同视场时光斑能量分布情况，图中不同曲线代表了不同视场的能量圆分布。从图5中可以看出，在线性区范围内，光斑能量分布均匀，符合设计要求。

图5 系统光斑能量分布Fig.5 Light energy distribution of system

4 结论

本文针对大孔径，小F数的激光与中波红外双波段光学系统设计进行了研究，得到一套可以对红外长波波段(3 μm～5 μm)和激光波段(1.064 μm)探测的系统。该系统成像良好，结构紧凑，满足红外成像/半主动激光复合制导导引头的使用要求，为今后该方向的研制工作奠定了良好的基础。

[1] 袁旭沧.光学设计[M].北京:科学出版社,1983.

YUAN Xu-cang. Optical design[M]. Beijing: Science Press，1983.(in Chinese)

[2] 张以谟.应用光学[M].北京:电子工业出版社,2008.

ZHANG Yi-mo. Applied optics[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2008. (in Chinese)

[3] 王之江.实用光学技术手册[M].北京:机械工业出版社,2006.

WANG Zhi-jiang. Practical optical technical manual[M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 2006. (in Chinese)

[4] 王志坚.光学工程基础[M].北京:国防工业出版社,2010.

WANG Zhi-jian. Optical engineering[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2010. (in Chinese)

[5] 李林.现代光学设计方法[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

LI Lin. Modern optical design method[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2009. (in Chinese)

[6] 毛文炜.光学镜头的优化设计[M].北京:清华大学出版社,2009.

MAO Wen-hui. The optimal design of the optical lens[M]. Beijing. Tsinghua University Press, 2009. (in Chinese)

[7] 郁道银.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2006.

YU Dao-yin.Optical engineering[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2006. (in Chinese)

[8] 黄志立,李波，李奇，等.现代光电瞄准系统[J].光机电信息,2011,28(3):58-64.

HUANG Zhi-li,LI Bo,LI Qi,et al.Modern photoelectric aiming system [J]. Journal of Optical Information, 2011,28 (3)：58-64.(in Chinese with an English abstract)

[9] 陈希林，傅裕松，尉洵楷.机载光电瞄准系统的现状及发展[J]. 红外技术,2004,26(2):18-22.

CHEN Xi-lin, FU Yu-song, WEI Xun-kai. The present situation and development of airborne electro-optical targeting system [J]. Infrared Technology. 2004,26 (2) : 18-22. (in Chinese with an English abstract)

[10] 张荆.海湾战争中的夜间低空红外导航与瞄准系统[J].红外与激光技术,1992(3):1-14.

ZHANG Jing. Night in the gulf war low infrared navigation and targeting system [J]. Infrared and Laser Technology, 1992(3): 1-14. (in Chinese with an English abstract)

[11] 王泽和.美国海军舰船光电设备的发展[J].应用光学,1995,16(1):1-4.

WANG Ze-he.Development of Us navy shipboard optelectric apparatus [J]. Journal of Applied Optics, 1995, 16 (1) : 1-4. (in Chinese with an English abstract)

[12] 罗巧云，高勇强.美军第四代战斗机F-35“联合攻击战斗机”最卓越的航空电子系统[J].电子科学技术评论,2005(4):6-8.

LUO Qiao-yum,GAO Yong-qiang.The fourth generation fighter F-35 “joint strike fighter” the most excellent avionics systems[J]. Journal of China Academy of Elecronics and Information Technology, 2005(4):6-8 (in Chinese with an English abstract)

[13] 陈苗海.机载光电导航瞄准系统的应用和发展概况[J].电光与控制, 2003, 10(4):42-47.

CHEN Miao-hai.Airborne EO targeting & navigation system application and its development[J]. The application and research development of electro-optic and control, 2003,10 (4) : 42-47. (in Chinese with an English abstract)

[14] 张金全，曹艳君.机载前视红外(FLIR)系统现状及发展趋势[J].红外技术,2000,22(3):17-22.

ZHANG Jin-quan,CAO Yan-jun.Status and development tendency of air-borne FLIR system[J]. Infrared Technology, 2000,22(3): 17-22. (in Chinese with an English abstract)

[15] 成刚，杨随虎.无人机机载光电系统综述[J].应用光学,2005,26(4):1-4.

CHENG Gang,YANG Sui-hu.A summary of airborne photoelectronic systems on drones[J].Applied Optics, 2005,26(4): 1-4. (in Chinese with an English abstract)

[16] 蒋庆全.舰载前视红外系统发展初探[J].舰载武器,2002(2):11-17.

JIANG Qing-quan.About the development of shipborne forward looking infrared (FLIR) system[J].Ship-borne Weapons, 2002 (2) : 11-17. (in Chinese with an English abstract)

[17] 赵秀丽.红外光学系统设计[M].北京:机械工业出版社,1996.

ZHAO Xiu-li.Infrared optical system design [M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 1996. (in Chinese)

[18] 萊金.光学系统设计[M].北京:机械工业出版社，2012.

LAI Jin.Optical system design[M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 2012. (in Chinese)

[19] 克利克苏诺夫.红外技术原理手册[M].北京：国防工业出版社，1986.

SU’S C. The principle of infrared technology handbook[M].Beijing:National Defense Industry Press, 1986. (in Chinese)

[20] 张幼文.红外光学工程[M].北京：国防工业出版社，1982.

ZHANG You-wen. Infrared optical engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1982.(in Chinese)

[21] SMITH W. Modern lens design[M].New York:McGraw-Hill，2004.

[22] FAWCETT J M. SCHWERDT C B, BALDWIN G D. Tri-mode seeker:US,6606066 B1[P]. 2003-08-12.

[23] KIERNAN S C, WALKER D J, STAMM D E,et al. Tri-mode co-boresighted seeker:US,6924772 B2[P].2003-10-30.

[24] G MINOR L. Dual mode semi-active laser/laser radar seeker:US,6262800[P]. 2001-07-17.

[25] BROWN K W, DRAKE T A. Common aperture reflector antenna with improved feed design: US, 6295034 B1[P].2001-09-25.

[26] LANKES S, GROSS M, ECKHARDT R. Infrared seeker head for target seeking missile:US, 6196497B1[P].2001-06-06.

[27] BARTH O, FENDT A, FLORIAN R. Dual-mode seeker with imaging sensor and semi-active laser detector[J]. SPIE, 2007, 6542:65423B-1-65423B-7

[28] MOBLEY S B. US army missile command dual-mode millimeter wave/infrared simulator development[J]. SPIE, 1994, 2223:100-106.

[29] PITTMAN W C, MULLINS J H, MEADOWS J B. Dual band millimeter-infrared fiber optics guidance data link:US,5944281[P]. 1999-08-31.