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激光半主动导引头光学系统设计与分析

发布时间:2019-12-26 08:13 作者:和记娱乐

  北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,国家“惯性技术”重点实验室,93790部队

  摘要:激光半主动导引头作为一种精确制导的方式,已经在实战中得到广泛的应用。导引头通过对探测器上获取的激光信号进行数据处理以获取目标的位置信息,因此导引头获取激光光斑的能力将会直接影响导引头跟踪目标的性能。本文基于单四象限探测器的工作原理,根据导引头的设计指标,对光学系统的焦距及获取光斑的大小进行分析,应用ZEMAX软件对光学系统进行设计和优化。并从光斑大小、系统畸变和光斑能量分布均匀性等角度对光学系统的性能进行评价。根据评价结果可知该光学系统满足设计要求,获取的光斑质量较好。

  从20世纪末几次世界局部战争中,可以发现,激光制导技术在战场中发挥着重要作用。激光制导武器首次应用是在1972年,美国在越南战争中使用的第一代“宝路石I”型制导炸弹,在中东战争、海湾战争中美国也多次使用“宝路石II”激光制导炸弹。在战争中,激光制导武器表现出较高的命中率。此外,和其他制导武器相比,激光制导武器具有结构简单和成本低的优点,这使得此后各国陆续展开激光制导技术的研究。激光制导技术分为激光主动制导和激光半主动制导两种制导方式。目前,激光半主动导引头的技术已比较成熟。在激光半主动导引头的工作过程中,光学系统的主要作用是接收和汇聚由目标反射的激光。控制系统对四象限探测器获得的光斑能量数据进行分析处理,判断出目标的角度和位置信息。因此,激光半主动导引头光学系统的性能将会直接影响到导引头的作用距离、作用精度等重要指标。

  本文通过分析光学系统工作的基本原理,根据设计指标,得出光学系统相关参数,并应用ZEMAX进行光学系统的设计和优化。该光学系统满足性能指标要求,可以为其他激光半主动导引武器的光学系统设计提供一定的参考。

  四象限探测器是由四个性能相同的光敏面组成,其示意图如图1所示。当导引头接收到目标反射的激光时,在四象限探测器上形成光斑,通过对各个象限输出信号进行和差运算,可以得到目标的位置偏差信息。

  当光学系统的光轴和目标之间没有位置偏差时,光斑中心与单四象限探测器的中心重合,此时,探测器四个象限的输出电流信号大小相等,经过和差运算之后,没有误差信号。

  当光学系统的光轴和目标之前存在位置偏差时,光斑的中心与单四象限探测器的中心将存在一定的位置偏差。此时,设光斑中心位置坐标为(X,Y),各象限输出电流信号大小分别为U1、U2、U3、U4,根据和差运算有:

  式中,∑U=U1+U2+U3+U4,Kx和Ky为比例系数;Ux、Uy为x、y方向上的偏差电压信号。

  根据式(1)和式(2),进一步进行分析和公式推导,可得式(3)和式(4):

  式中,r为接收光斑的半径;x、y为光斑中心位置坐标。由两式可知,偏差电压信号的大小不仅和光斑的位置相关,也和光斑的半径有一定的关系。

  假设四象限探测器半径为R,考虑不同光斑半径下的导引头工作过程。若光斑太大,当r≥R时,光斑会覆盖整个探测器,此时,通过单四象限的输出信号进行和差处理,根据公式,得到Ux=Uy=0,系统无法判断目标方位;若光斑太小,当光斑半径r和分划线a之间满足关系:r≤√2a时,将会出现无法探测到光斑信号的情况,此时导引头也将无法确定目标位置信息。为了避免出现误判的情况,提高导引头判断目标方位的能力,需要对光斑半径和偏差电压信号之间的关系进行分析,并将光斑的大小作为检验光学系统性能的一个重要指标。

  根据光学系统性能指标,首先对光斑半径和探测器半径之间的关系进行探索。根据四象限探测器偏差电压输出计算公式,利用MATLAB进行仿真,得出不同光斑大小、位置时偏差电压信号归一化幅度曲线所示。

  图2 偏差电压信号归一化曲线可以看出当光斑半径r位于[3/8R,5/8R]区间内时,四象限探测器具有较好的动态范围和探测灵敏度。

  光学系统指标分析根据对成像光斑半径的分析并参考探测器直径,可知在本光学系统中,需设计获取光斑半径r的取值范围为[1.875mm,3.125mm]。

  根据要求,±5°视场范围为线性区间、对探测器半径R=5mm,取光斑半径最大值r=3.125mm,可得5°视场方向成像光斑的中心位置(即主光线在光敏面上的成像位置)必须落在半径为R3的圆形区域内,并满足:

  为满足线°视场下的成像光斑中心最远位置为O2,此时,该视场下获取的光斑边缘刚好在探测器上。

  取5°视场下,光斑半径最大值,此时,通过计算可得,O1O2=1.875mm。

  由以上计算和分析可知,要设计的光学系统的焦距在21.43mm内,入瞳直径为32mm,视场角为±15°,线°。

  激光半主动导引头通过对光斑在单四象限探测器上的能量分布进行分析处理获得目标的位置信息,光学系统的成像质量,对导引头的性能有较大的影响,因此需要对该光学系统获取的光斑质量进行分析。由于激光半主动导引头的光学系统不是成像系统而是离焦系统,且系统使用激光光源,因此不存在色差。又考虑到光学系统球差是轴对称性像差,对光斑能量的均匀性没有影响。

  图5是通过ZEMAX得到的光学系统在不同视场下的光斑点列图。点列图反应了不同视场下的光斑大小和能量分布的均匀性。图中所示为线°视场下的光斑点列图。

  根据图6中的数据可知,在y方向上,5°视场下的光斑中心位置最高为ymax=1.4634mm<1.875mm,此时光斑半径r=2.559mm,整个圆形光斑分布在探测器上,满足线°的设计要求。

  对激光导引头而言,其光学系统线%左右,才能满足线是在该光学系统在线性区内的畸变曲线,根据图中数据可知,在5°视场下的系统的畸变在0.38%左右,满足设计要求。

  图7 5°视场下的系统畸变曲线根据光斑的能量包围曲线,对光斑的能量分布进行分析。

  式中,k为单位面积上的能量。若能量分布均匀,则光斑能量分布和光斑半径之间为二次曲线关系。

  该光学系统获得的光斑能量包围曲线可以看出,不同视场下的能量包围曲线都比较接近二次曲线,光斑能量分布比较稳定,基本满足设计要求。

  对光学系统的参数进行了推导、分析和设计,并最终利用ZEMAX设计出一套满足性能指标的光学系统。

  首先基于单四象限探测器的工作原理对获取的光斑大小进行分析,其次利用光学系统的指标数据,对系统焦距进行估计。在获取光学系统相关参数后,通过控制系统像差、球差和系统畸变等参数,利用ZEMAX设计出合适的光学系统。

  最后,从光斑大小、系统畸变以及能量分布均匀性等角度对系统的成像质量进行了评价和分析,得出设计的该光学系统满足激光半主动导引头的指标参数要求的结论。返回搜狐,查看更多

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