一种半主动激光红外雷达三模复合光学系统设计

齐雁龙，项建胜



一种半主动激光红外雷达三模复合光学系统设计

齐雁龙，项建胜

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009）

介绍了一种紧凑型的半主动激光、红外、雷达三模复合光学系统，半主动激光、红外光学系统采用折反式光路结构，雷达系统采用抛物面天线发射接收信号。3种导引模式共用一个主反射镜，半主动激光系统与红外系统在主反射镜处光线分离，雷达波与红外光在主反射镜共口径反射后，在次反射镜处信号分离，在紧凑空间内实现了3种导引模式的融合。

折反系统；抛物面天线；半主动激光；复合导引;光学系统

0 引言

随着军事科学的发展以及未来作战环境的多变性复杂性，精确制导武器的要求也越来越高。复合导引是在原来单一模式导引技术的基础上，融合其他导引模式，并通过信息处理算法，提高目标探测能力，近几年来国内外研究发展较快[1-2]。复合导引技术的难点主要是如何在有限空间内实现多种模式的融合，提高不同模式之间的融合程度，提高信息利用率，以及尽量减小不同模式之间的性能影响。

本文从光学系统设计角度出发，探讨复合导引技术中光学系统设计方法，不同模式之间的光学复合方法等。

1 复合光学系统整体布局

复合光学系统的整体布局要根据选择的导引模式以及总体结构尺寸，选择合适的布局结构，既能够实现不同的导引模式还要使得结构紧凑满足总体结构尺寸。本文涉及到的复合导引模式由半主动激光、长波红外以及毫米波雷达3种模式融合。由于毫米波雷达采用抛物面天线进行信号的发射与接收，这样为了尽量减小空间的占用，提高导引模式的复合程度，以及不同导引模式具有同样的观察基准（即处在同一坐标系），红外光学系统采用折反式光路结构，与雷达系统共用抛物面反射镜，在次反射镜处通过选择合理的微波透过基底材料及在表面镀制非金属介质反射膜，这样雷达信号透过次反射镜进入馈元，红外光线反射后进入红外探测器，从而实现了雷达与红外信号的分离。

在红外系统与雷达系统布局确定后，着手考虑半主动激光光学系统的布局。首先考虑融合程度比较高的一个方案激光系统与红外系统共口径共光路，即激光与红外系统共用主次反射镜，在后续光路中通过分光棱镜（或分光反射镜）将激光与红外光路分离。该方案光学系统前端（主次反射镜）3种导引模式高度融合，比较节省空间，而且3种导引模式的观察基准统一，利于后续的信号处理。但是由于激光与红外光路需要在后端分离，对分光器件要求比较高而且整个光学系统结构复杂不易装调，不太适合弹载光学系统要求。因此这种方案不可行。然后考虑激光光学系统单独布局，即激光光学系统位于最前端，这样激光光学系统与其他导引模式不融合，需要单独占用空间，而且其口径不易做大否则会对雷达红外信号造成较大的遮挡，可见这种方案的光学系统必然占用空间比较大，在有限的弹体空间内较难实现。

综合考虑后，激光光学系统仍然与红外雷达系统“共口径”，此种“共口径”较为特殊即通过扩大雷达红外主抛物面反射镜的口径，在主抛物面的有效通光口径与最大口径之间加工激光光学系统的反射面，也就是说激光光学系统主反射面位于这样的一个圆环上。在这样的圆环上选择合适的曲率半径，即可实现激光信号与其他导引模式信号的分离，同时可在其表面选择非球面面型，提高了激光光学系统的设计自由度，满足激光光学系统像斑质量要求。此种方案保持了3种导引模式的观察基准一致，通过加工高精度的复合主反射镜即可保证其观察基准一致，而且降低了装调精度要求。其工作原理图如图1所示。

当然，该方案也存在一定的问题，需要采取针对性措施加以解决。首先，红外与激光共用一个主反射镜，由于反射膜系对波段并不具备选择性，这样会造成激光、红外光线进入到对方系统中，如果不采取措施会出现信号干扰问题。因此针对此问题，在红外、激光系统中分别引入相应波段的窄带滤光片，这样虽然激光光线可以进入红外系统中，但会被长波滤光片阻挡在红外探测器之外，同样的激光系统也可以通过窄带滤光片把引入系统的红外光线滤除掉，不会对激光探测器造成信号干扰。其次，该方案中激光光学系统的主反射镜为在红外反射面外增加的圆环结构，其有效口径利用率不高。考虑到在整个探测方案工作模式中半主动激光探测为辅助模式，它不作为主探测模式使用，因此它要求的有效探测距离不高，经总体探测方案计算后认为本文中的激光光学系统有效接收面积（不小于30cm2）是能够达到探测距离要求的。复合导引方案中不同模式之间相互影响是不可避免的，为了达到综合探测能力的提升，对其中某个导引模式的探测性能进行一定的取舍也是必须的。

2 光学系统设计

半主动激光光学系统的工作模式为目标信号经过光学系统后形成一能量均匀分布的像斑，进入四象限探测器[3]。通过分析像斑在四象限探测器上四个象限的信号输出来判断，目标方位信息。这是半主动激光导引的基本工作原理，本文不再赘述。半主动激光光学系统设计目的就是通过控制像差使光线汇聚的光斑能量均匀。传统光学设计中优化方法均为最小像差法，从而使光学系统弥散斑接近衍射极限的艾利斑大小，因此对半主动激光光学系统而言是不适合的，为了准确得到线性导引区内的目标方位信息，半主动激光光学系统需要在线性区内把目标能量汇聚的均匀，大小一致。这样在光学设计中需要尽量减小轴外像差（如彗差、像散等），适当的引入一些球差与离焦像差，从而使线性区内的光斑能量均匀。

本文涉及到的半主动激光光学系统主要设计指标如表1所示。

图1 三模合光学系统工作原理图

表1 半主动激光光学系统设计指标

对于红外系统而言其主反射镜与雷达系统共用，因此其面型只能与雷达天线保持一致，即采用抛物面面型。由于红外系统的视场要求为±2.5°，对于折反式光学系统而言比较大，采用经典卡式系统轴外像质不易控制。从光学系统设计角度来看，希望主反射镜采用高次非球面面型提高轴外像质，但由于共用主反射镜，不能够自由选择主反射镜的面型参数，提高了设计难度。这一点需要在红外光学系统设计中适应。为了到达要求的成像质量，提高设计自由度，采用一种折反二次成像式光路结构，通过二次成像单元提高设计自由度。

在红外光学系统设计中，本文从系统无热化设计入手，建立光学系统初始结构。其具体设计原理为该光学系统采用二次成像式光路，第一次成像系统采用反射式结构，第二次成像系统采用折射式结构。利用这两个系统在温度变化时光热特性相反的特点，实现被动无热化设计[4]。红外光学系统主要设计指标如表2所示。

根据上述指标及光学系统的设计方法，在光学系统设计软件Code.V中建立两重结构，分别对应半主动激光光学系统和红外光学系统，经过多轮迭代优化设计得出光学系统结够如图2、图3所示。

从图中可以看出，半主动激光与红外光线在复合反射镜处分离，其中半主动激光光学系统次反射镜处采用曼金反射镜，这样做可以有效地校正轴外像差，同时使光学系统结构简单，有效减少了空间占用。红外光学系统采用了二次成像式光路结构，光线经过主次反射镜后通过后续4个透镜的像差校正，达到了系统成像质量要求。为了使雷达波透过红外次反射镜，红外次反射镜基底材料选择石英玻璃，其表面镀制非金属介质反射膜。

表2 红外光学系统设计指标

3 设计结果评价

设计出的复合光学系统总长150mm，最大口径130mm，满足外形结构尺寸要求，并且给雷达系统预留了充足的空间，可以较好地实现雷达探测系统的性能。其中半主动激光光学系统焦距80mm，有效接收面积34.55cm2；红外光学系统焦距134mm，有效接收面积65cm2。

3.1 半主动激光光学系统性能评价

根据前面的分析可知半主动激光光学系统主要考核线性区内的光斑大小及能量分布情况。由于半主动激光光学系统为非成像光学系统，从几何光学角度就可以准确评价，通过Code.V软件分析了该系统的点列图，如图4所示。从图中可以看出线性区内光斑大小一致，能量分布均匀，满足设计要求。同样从几何能量包络圆直径与能量分布图可以更直观地得出能量分布情况，如图5所示。

图2 复合导引光学系统光路图

图3 复合光学系统3D模型

总的来说，通过上面分析可以得出线性区内的像点能量分布均匀，大小一致均为2.9mm，满足设计要求。

3.2 红外光学系统成像质量评价

通过采用折反二次成像式光路结构，提高了系统设计自由度达到了系统成像质量要求。而且根据前面的分析，利用反射元件与折射元件热差特性相反的原理，实现了被动无热化设计。对于成像光学系统而言，光学传递函数（MTF）是比较全面评价成像质量的指标。因此，我们通过MTF来评价红外光学系统的成像质量。系统在－45℃～70℃温度范围内全视场MTF如图6、7、8所示。

从MTF曲线来看，系统在不同温度下成像质量均已接近衍射极限，满足设计要求。

图4 系统点列图

图5 几何能量分析

图6 系统在20℃下的MTF

Fig 6 MTF@20℃

图7 系统在－45℃下的MTF

图8 系统在70℃下的MTF

Fig 8 MTF@70℃

4 结论

本文从原理上阐述了一种多模复合导引光学系统的布局形式和设计方法，该光学系统方案具有模式融合度高，结构紧凑的优点，可以较好地实现多种导引模式的融合，降低不同模式之间的干扰，有利于提升整体系统性能，具备一定的可实现性。

[1] 徐春夷. 复合制导技术的现状与发展[J]. 制导与引信, 2008, 29(1): 19-20.

[2] 王庆华. 国外多模复合寻的制导武器装备与干扰分析[J]. 舰船电子工程，2009, 29(4): 43-46.

[3] 胡博, 常伟军, 孙婷, 等. 激光半主动制导导引头光学系统的设计[J]. 应用光学, 2012, 33(2): 403-404.

[4] 项建胜, 潘国庆, 张运强. 一种折反二次成像式长波无热化光学系统设计[J]. 红外技术, 2012, 34(11): 644-647.

A Design of Optical System Composed by Semi-active Laser,Infrared and Radar

QI Yan-long，XIANG Jian-sheng

(,471009,)

A compact optical system composed of semi-active laser, infrared and radar is introduced. The catadioptric structure is used in semi-active laser and infrared system. The signal is launched and received by a parabolic antenna in radar system. The same reflective mirror is used in the three guide models, the signal of semi-active laser and infrared system is split at the reflective mirror, the radar signal and infrared system is split at the second reflective mirror after reflected by the primary mirror. So the three guide models are realized in a compact space.

catadioptric system，parabolic antenna，semi-active laser，composite guide，optical system

TJ760.3

A

1001-8891(2015)07-0588-05

2015-04-08；

2015-05-27。

齐雁龙（1982-），工程师，研究方向：红外光学系统设计，E-mail：qiyanlong@126.com。