某型激光引信发射光束整形仿真设计

■ 张宇飞 马培娜 黄珂 涂远欣 刘云/国营洛阳丹城无线电厂 95364部队

0 引言

激光具有亮度高、方向性好、传播距离远的特点，常用于目标探测和测距系统中，武器引战系统中采用脉冲激光作为引信装置的发射光束是激光在军事方面的典型应用。激光引信是一种有源式主动探测系统，具有精度高、抗干扰性强的优点，通过发射脉冲激光束可实现对目标的近距离探测，并适时引爆战斗部造成杀伤。与无线电引信相比，激光引信对提升武器系统的整体性能有重要意义[1]。脉冲激光周视探测系统是应用于常规弹药武器系统的近程探测激光引信系统[2]，它是一种近炸引信，发射光束的布局方式可分为多辐射、分区辐射、分区扫描和同步扫描[3]，如图1所示。发射光束的光轴与运动方向垂直或成一定夹角，可形成圆盘状或多面体的光束探测场。多辐射、分区辐射和分区扫描方式的系统采用多个发射器和多个接收器，其中，前两种方式的系统可对目标进行实时周向探测，但探测距离较近，接收视场的背景噪声大；分区扫描则是利用机械装置驱动光束对空间扫描，探测距离相对较远；同步扫描只采用单个发射器与接收器，同时利用高速旋转的机械电机实现光束全周扫描，相对功耗较低。

图1 脉冲激光周视系统发射光束布局

1 某型引信光学系统简介

某型引信的光发射系统采用半导体激光器（LD）光源，为多辐射布局方式，有8个发射器和8个接收器，发射光束的光轴相对运动方向带有前倾角。在多次试验过程中发现，虽然该型武器制导率较好，但命中率较低，常常出现遇靶未炸的情况，即目标已进入引信探测区和战斗部的杀伤范围内但战斗部未引爆。分析数据发现未引爆原因是引信未能在有效范围内探测到目标，造成无目标信息反馈至接收系统。引信中LD发射系统光能量的空间分布是关键。

LD光源的出射光束为高斯分布，且在子午和弧矢两个正交方向上存在不同的发散角，光斑发散较快的方向为快轴，发散较慢的方向为慢轴，LD光斑在远场空间为类椭圆形，LD出射光一般需要经过光栅、透镜、棱镜等光学元件整形后才可应用。原引信装置LD光源的快轴、慢轴发散角分别为40°和10°。经过原透镜系统准直后，在远场形成类似圆柱状光束向8个方向辐射，由于发散角较小、方向性较强，会在探测空间留下较大空白区域，如图2所示。这种结构的能量分布虽然避免了干扰信号（如大面积云团），降低了虚警率，但容易规避真实目标。当目标进入引信有效探测范围时，很可能直接落入空白区域而没有被发射光束照射，从而失去了反馈和接收目标信息的时机，不能激发武器战斗系统工作。

图2 激光引信出射光束空间分布情况

基于原引信装置激光发射系统和接收系统布局情况，针对其发射光束能量空间覆盖范围小、遇靶不炸概率高的问题，可以利用脉冲激光周视光学系统中的分区辐射设计，增加引信发射激光的发散角，填补原系统光能量辐射的空白区域。这种设计方法既符合原系统结构布局，无需额外增加扫描电机，又能在引信周围形成一个接近360°圆周的光能量覆盖空间，有效增加激光的探测区域，提升打击效果。

2 设计方案及指标计算

柱面透镜是激光光束整形系统中一种常用的光学元件[4]，其结构不同于普通圆形球面或非球面透镜，它的子午方向是直线形成的母线，弧矢方向是带有曲率的曲面，只在一个方向上产生光焦度，即子午方向的焦距无穷远，弧矢方向的焦距有限远。柱面透镜的这种结构特征使光束经过一个曲面时只在一个方向上发散或汇聚，另一个方向上基本保持原方向不变。如图3所示，方形平行光斑经过一片平凸型柱面透镜后变成窄带线状光斑。同样地，在LD光源后特定位置正交放置两片柱透镜，可以分别对快轴与慢轴方向整形，最终使LD类椭圆形光斑变成窄带线光源[5]。

图3 方形平行光经过柱面镜后光束汇聚示意图

针对该引信装置的物理结构，提出两种改进设计思路：一种方案为保持原引信LD光源的布局不变；另一种方案为将LD光源数量减至4个，4个LD光源呈四象限对称分布，发射器光轴的空间方向保持不变。由于引信发射装置带有前倾角（约80°），周视系统中多个LD光源形成的光能量覆盖面将不再是360°圆周平面，而是以引信本体的中轴线形成的正八面体（8发射器）或正四面体（4发射器）。因此，在确定每个LD光源对空间的覆盖角度时，不能按照360°等分的方法计算。实际上，引信装置外围直径及不同LD光源的分布情况可以抽象转化为下面的几何运算，以此确定两个方案的设计参数。

图4所示为两种方案的发射器空间分布图，蓝色圆点表示LD发射器的空间位置部分，蓝色区域表示每个发射器光能量空间角度的平面俯视图（转化到引信装置内部，借助引信的结构数据进行角度计算），需要确定的每个LD的快轴发散角即为∠COB在多面体中的立体角。

图4 两种方案的发射器空间分布图

对多面体中每个LD光束对应的空间布局进行分析：点A为正多面体的顶点，OA为引信本体中轴线，也是激光周视系统的中轴线；OB、OC为引信装置外围半径；发射装置光轴的前倾角为∠OAB=80°，在8个发射器方案中，∠BOD=22.5°，4个发射器方案中，∠BOD=45°；∠BAC是∠COB的立体角，也是每个LD的快轴束散角。

通过三角函数关系，计算可得：8发射器方案中，∠BAC≈ 42.15°；4发射器方案中，∠BAC≈ 83.28°。

3 脉冲激光整形系统设计与优化

定义LD光斑的快轴方向发散角θt=40°，慢轴方向的发散角θs=10°。通过上述计算，光斑整形后慢轴方向发散角θs′≤1°，8发射器方案的快轴方向发散角θt′=42.15°，4发射器方案的快轴方向发散角θt′=83.28°。

另外，设定系统波长λ=900nm，属于近红外波段，光学系统的材料可选用BK7冕玻璃。

3.1 建立LD光源模型

光学系统的光源为LD点光源，快、慢轴方向发散角的半角分别为20°、5°，且能量分布为高斯型，可得数值孔径NA=0.342，光斑发散角的比例参数V=0.7596，以此建立的光源模型如图5所示，光斑形貌为类椭圆形。

图5 LD光源（θt=40°、θs=10°）距出射面20m处的形貌

3.2 8发射器设计方案

在8发射器方案中，由于LD光源本身快轴束散角已经达到40°，接近要求的42.15°，所以对快轴方向光斑不扩束，只考虑对慢轴方向进行准直压缩。若快轴方向不扩束，相邻两个LD光源的光束之间仍留有空白，空白区域夹角约为2.15°。根据试验条件，目标最小处的尺寸约为1.6m，按照空白区域夹角计算，能探测到目标最小尺寸时的距离为L=1.6/（2×tan（2.15°/2））m=42.63m。该距离大于引信有效探测范围（暂不考虑扩束后能量衰减），表明在有效探测范围内，小尺寸目标可以被激光束照射。因此，在LD快轴方向不扩束、探测区留有空白的情况下，光束自身发散角满足要求，只对慢轴方向压缩即可。

设定柱面镜初始结构为平凸结构，为方便装调，使透镜距离光源10mm，且柱面镜的子午面与LD光源快轴方向平行。根据近轴光学系统计算方法[6]：

式中，n0为空气折射率，n1为玻璃材料折射率，在红外900nm波长下，BK7玻璃折射率约为1.508；l0、l1为折算到物、像空间的物距和像距；r为透镜折射面曲率半径。

计算得到初始结构曲率半径约为-6.7mm。系统中输入参数并优化，得到如图6所示的系统结构。光束快轴方向角度保持不变，慢轴方向压缩，点光源在空间传播20m后光斑尺寸约为114.4mm×14.56m，发散角约为0.33°、40.01°，符合设计要求。光学系统透镜曲面为球面，总长15mm（不含LD装置），宽度8mm。

图6 8发射器单个LD光束整形系统

3.3 4发射器设计方案

目前在类似的光束整形系统中，不论是先准直后扩束还是先扩束后准直，大多需要用到两个柱面透镜才能实现。上述8发射器方案对光斑慢轴方向压缩已经完成，理论上4发射器方案中只需在第一个柱面镜后加装一个聚焦方向与其正交的柱面镜即可实现快轴方向扩束。但考虑到装调便捷，光源与两个柱面透镜三者之间的间距不可太小，否则第二个透镜的曲率与厚度关系会限制大角度扩束，系统结构也会变长。因此，设计为在一个透镜的前后表面上集成两个聚焦方向正交的柱面面型，这样LD光斑只通过一个透镜就可实现快轴和慢轴两个方向的整形，同时也可减少多个透镜组合带来的装调问题。

采用先准直后扩束的思路进行设计，初始结构的透镜第一面为外凸型，曲率方向与LD光源慢轴方向一致，实现光斑压缩；透镜第二面为内凹型，曲率方向与LD光源快轴方向一致，实现光斑扩束。透镜前表面距离光源10mm，透镜厚度5mm。经过式（1）计算后，柱面透镜前后表面的曲率半径分别约为5.23mm、12.31mm。系统优化后得到图7所示的系统结构，光束慢轴方向角度压缩，快轴方向角度扩束，点光源在传播20m后光斑尺寸约为147.2mm×35.68m，发散角约为0.422°、83.47°，符合设计要求。光学系统透镜曲面为球面，总长16.7mm（不含LD装置），宽度12mm。

图7 4发射器单个LD光束整形系统

4 设计方案比较与分析

通过对原LD光斑参数和周视引信光学系统参数的计算，在引信布局基本不变的基础上，设计了8发射器、4发射器两种光学系统，并对其进行了优化仿真。两种方案都能改善原引信发射系统光束指向性强、空间能量覆盖不足的问题，也进一步提高了对目标探测的概率。

1）8发射器方案的优点是基本不改变原有发射器的空间布局，只对LD光源慢轴方向光束压缩准直，因此用一片平凸柱面透镜即可完成，系统体积小，器件加工成本和系统装调难度小；缺点是需要用到的LD光源较多，且扩束后能量的功率密度比原系统有所降低，需要提高LD光源辐射能量才能达到与原系统相同的探测距离。

2）4发射器方案的优点是在原结构上减少一半的LD发射器，简化了布局，透镜数量较少，且只用一片透镜就可同时实现光斑快慢轴两个方向的整形，较为完善地形成了周视光学系统，探测空间不留空白；缺点是扩束后束散角较大，需要大幅度提高LD光源的辐射能量来弥补功率密度衰减，另外，在一片透镜上集成两个不同方向的柱面结构，透镜加工难度和成本相对较高。

理论上两个方案都能改善原引信探测性能的不足，但从产品维修或改进等实际因素考虑，8发射器方案更便于实施。