半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究

李 喆， 范衛(wèi)東， 李 源

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009）

0 引言

半導(dǎo)體激光引信是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的一種主動(dòng)式近炸引信［1］，引信本身發(fā)射激光光束，這一激光光束到達(dá)目標(biāo)發(fā)生反射，部分反射激光被引信接收系統(tǒng)所接收變成電信號(hào)，經(jīng)過實(shí)時(shí)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)探測(cè)［2］。半導(dǎo)體激光引信具有較強(qiáng)的抗外界電磁場(chǎng)干擾的能力，能夠?qū)崟r(shí)精確探測(cè)目標(biāo)，在空空導(dǎo)彈中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

半導(dǎo)體激光引信光學(xué)系統(tǒng)是半導(dǎo)體激光引信的重要組成部分，高素質(zhì)的、穩(wěn)定的、按指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)引信總體性能的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)基本保障，光學(xué)參數(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)直接關(guān)系到引信乃至整個(gè)武器系統(tǒng)的質(zhì)量，因此對(duì)半導(dǎo)體激光引信各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)的測(cè)試顯得極為重要。半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)主要包括半導(dǎo)體激光發(fā)射系統(tǒng)和接收探測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試包括發(fā)射光束束散角、發(fā)射光束傾角、接收系統(tǒng)光軸角度、接收系統(tǒng)視場(chǎng)角度測(cè)量［4］。本文對(duì)半導(dǎo)體激光引信主要光學(xué)參數(shù)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究分析，通過一種半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)的全自動(dòng)綜合測(cè)試。

1 半導(dǎo)體激光引信主要光學(xué)參數(shù)原理

半導(dǎo)體激光引信的探測(cè)區(qū)域由發(fā)射光束和接收視場(chǎng)交叉形成，由圖1所示。圖示箭頭指示圓周方向?yàn)橐曇胺较?，垂直視野方向平面的方向?yàn)橐晥?chǎng)方向。根據(jù)某型武器系統(tǒng)要求，半導(dǎo)體激光引信各個(gè)光學(xué)參數(shù)定義如下，角度a：接收系統(tǒng)視場(chǎng)角2°～4°；角度b：發(fā)射光束束散角，60′；角度c：發(fā)射光束傾角90′；角度d：接收系統(tǒng)光軸角度50′～80′；視野角度設(shè)定為±40°。

圖1 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)示意圖

1．1 光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)

光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、擴(kuò)束系統(tǒng)三部分組成，框圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)框圖

半導(dǎo)體激光器在垂直、平行PN結(jié)方向具有一定發(fā)散角。半導(dǎo)體激光器發(fā)光面尺寸在垂直PN結(jié)方向較小，而在平行PN結(jié)方向則要大的多，考慮在易于準(zhǔn)直的垂直PN結(jié)方向進(jìn)行準(zhǔn)直，在平行PN結(jié)方向?qū)馐M(jìn)行擴(kuò)束，以滿足光束束散角的要求。利用Light Tools光學(xué)軟件對(duì)該光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，如圖3所示。

圖3 Light Tools光學(xué)軟件對(duì)發(fā)射光束仿真圖

1．2 光學(xué)接收系統(tǒng)

圖4（a）為光學(xué)接收系統(tǒng)光路示意圖，整個(gè)接收光學(xué)系統(tǒng)由反射鏡1、帶通干涉濾光片2和探測(cè)器3組成。反射鏡是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在視場(chǎng)方向，一定通光孔徑和特定反射面型的反射鏡與探測(cè)器相互形成了合乎要求的接收空間視場(chǎng)，回波以不同的角度入射至反射鏡的入口，經(jīng)過反射鏡的反射聚焦在探測(cè)器上，如圖4（a）所示。同時(shí)，在視野方向光學(xué)接收系統(tǒng)是利用側(cè)面反射面的反射作用來增加視野角度，如圖4（b）所示。

圖4 光學(xué)接收系統(tǒng)示意圖

2 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)原理示意圖、原理框圖，如圖5、圖6所示。它由光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試控制系統(tǒng)兩大部分組成，經(jīng)緯儀裝置用于調(diào)整檢測(cè)控制臺(tái)臺(tái)面水平、被測(cè)引信（視野轉(zhuǎn)軸1）與象限轉(zhuǎn)臺(tái)（轉(zhuǎn)臺(tái)軸2）同軸性和垂直度。

圖5 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)原理示意圖

圖6 半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

2．1 光學(xué)發(fā)射參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

線陣CCD結(jié)構(gòu)簡單，能夠快速完成光電信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，輸出信號(hào)經(jīng)過二值化處理可準(zhǔn)確確定物體外形、位置等［5］。基于以上特點(diǎn)，線陣CCD在精確測(cè)量系統(tǒng)中廣泛引用，原理如圖7所示。

圖7 線陣CCD原理示意圖

應(yīng)用前后位置的兩個(gè)線陣CCD實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)發(fā)射參數(shù)的測(cè)試，采用的線陣CCD具有三色多像元感應(yīng)功能及較高的灰度分辨能力。系統(tǒng)采用如圖8結(jié)構(gòu)的分束棱鏡線陣CCD采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光光束在同一個(gè)角度內(nèi)分成兩束同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，分束棱鏡上加裝光闌保證兩個(gè)線陣CCD測(cè)試光束的一致性，同時(shí)采用多像素、微米級(jí)像元構(gòu)成的線陣CCD保證測(cè)試精度。該采集系統(tǒng)由線陣轉(zhuǎn)臺(tái)和線陣高度臺(tái)控制保證對(duì)發(fā)射光束的精密對(duì)準(zhǔn)和大傾角寬光束的測(cè)量。

圖8 分束棱鏡線陣CCD采集系統(tǒng)（俯視圖）

2．1．1 發(fā)射光束傾角測(cè)試

首先將引信固定在一個(gè)與水平面平行的轉(zhuǎn)臺(tái)上，CCD線陣系統(tǒng)也需調(diào)整到與水平面平行且正對(duì)發(fā)射組件出光面。發(fā)射光束傾角在CCD上成像示意圖如圖9所示。發(fā)射光束在CCD1和CCD2上成像的最大值點(diǎn)與CCD交點(diǎn)分別為1、2，1和2的連線可以視為發(fā)射光束傾角（光軸），1、2兩點(diǎn)在CCD1和CCD2上成像位置高度為hc，hc可由軟件像素差得出；CCD1與CCD2間距為L，L為固定值，由圖9可得

Δhc可測(cè)，由上式可得發(fā)射光束傾角c。

圖9 發(fā)射光束傾角在CCD上測(cè)試示意圖（側(cè)視圖）

2．1．2 發(fā)射光束束散角測(cè)試

由前項(xiàng)測(cè)出光束傾角c，微調(diào)CCD接收器傾角c°，使兩CCD垂直光軸。此時(shí)發(fā)射光束垂直打到CCD1和CCD2上，由于光束束散角的存在，CCD位置調(diào)整后光束的成像示意圖如圖10，1、2、3、4點(diǎn)由最大能量的1／2處確定。

圖10 CCD位置調(diào)整后光束的成像示意圖（側(cè)視圖）

從圖10可得光束上沿在CCD2和CCD1上成像位置高度差△h1；光束下沿在CCD2和CCD1上成像位置高度差△h2：

L固定，△h1＋△h2可由兩個(gè)CCD像素差確定，可得發(fā)射光束束散角b。

2．1．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用分束棱鏡CCD線陣采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 分束棱鏡CCD線陣采集系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 線陣CCD測(cè)試結(jié)果

發(fā)射系統(tǒng)光束傾角基本與設(shè)計(jì)要求相同。但是，發(fā)射系統(tǒng)束散角數(shù)據(jù)有些偏大，分析是由于CCD對(duì)半導(dǎo)體激光的響應(yīng)度較高，在計(jì)算擬和過程中出現(xiàn)誤差造成。如圖11（1）所示，在光束形狀接近高斯光束時(shí)，擬和曲線與光束形狀相近，如圖11（2）所示，在光束形狀不接近高斯光束時(shí)，擬合圖形與原圖有一定差別，周邊有一些較大毛刺，會(huì)使擬和曲線有一定的展寬，計(jì)算角度時(shí)截取最大能量值的1／2點(diǎn)，造成了角度計(jì)算值出現(xiàn)差別，這需要針對(duì)毛刺過大光束采用更有效濾波擬合，使結(jié)果更真實(shí)的反映發(fā)射組件光束情況。

2．2 光學(xué)接收參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)光學(xué)接收視場(chǎng)光軸、接收視場(chǎng)大小的確定需要借助外界準(zhǔn)直光源系統(tǒng)，要求該光源系統(tǒng)輸出光束能覆蓋整個(gè)接收窗口，保證在變換較大入射角度時(shí)還能全部覆蓋，該光束有較好的準(zhǔn)直性，保證經(jīng)過一定光程不會(huì)發(fā)散。該系統(tǒng)采用一種長焦距的單透鏡平行光管，實(shí)現(xiàn)了高斯光束的準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后光束具有高質(zhì)量的出射波前和均勻的光強(qiáng)分布［6］。圖12是進(jìn)行光學(xué)接收參數(shù)測(cè)試的光路示意圖，由平行光管組成的準(zhǔn)直光源系統(tǒng)輸出準(zhǔn)直光束經(jīng)過光源轉(zhuǎn)臺(tái)反射變?yōu)榇怪彼矫娴墓馐俳?jīng)過反射鏡反射形成水平方向光并覆蓋接收窗口，通過光源高度臺(tái)和反射鏡的隨動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了光路以產(chǎn)品接收窗口為中心的角度變化，完成各個(gè)角度的探測(cè)器電壓輸出測(cè)量。

圖12 接收組件視場(chǎng)方向測(cè)試光路圖

2．2．1 光學(xué)接收系統(tǒng)光軸、視場(chǎng)角測(cè)試

光學(xué)接收系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)測(cè)量光路示意圖如圖13圖示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源軸與方位轉(zhuǎn)臺(tái)軸距離為l，接收窗口中心與光學(xué)平臺(tái)臺(tái)面高度距離為h。當(dāng)接收系統(tǒng)光軸處于水平位置，反射鏡鏡面中心在接收系統(tǒng)光軸上，反射鏡傾斜角度k1＝＋45°。設(shè)此時(shí)鏡面中心高度為0位移。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的視場(chǎng)角α，調(diào)節(jié)反射鏡位移高度為h和傾斜角度為k，h和α值按式（5）、（6）計(jì)算得到。

圖13 接收組件光學(xué)參數(shù)測(cè)量光路示意圖

根據(jù)軟件控制反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)改變反射鏡傾角，實(shí)現(xiàn)了光束以產(chǎn)品接收窗口為中心的各個(gè)角度入射，連續(xù)測(cè)試紀(jì)錄反射鏡傾角和對(duì)應(yīng)探測(cè)器輸出電壓值，并找出探測(cè)器輸出電壓最大值U，并與U值進(jìn)行比較，找出對(duì)應(yīng)1／2 U的反射鏡傾角a1和a2，2×（a2－a1）即為該象限接收視場(chǎng)角a。反射鏡傾角與探測(cè)器輸出電壓關(guān)系示意圖如圖14所示。

圖14 反射鏡傾角與探測(cè)器輸出電壓關(guān)系曲線

圖15 視場(chǎng)方向電壓測(cè)試圖

圖15是光學(xué)接收系統(tǒng)某視野角度下的視場(chǎng)方向電壓測(cè)試圖，為了得到更為精確光軸位置，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行密測(cè)。

2．2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)用圖12所示系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

接收機(jī)光軸位置在1°左右，與設(shè)計(jì)要求基本吻合，在個(gè)別視野角度下偏差有些大，原因與探測(cè)器粘接時(shí)有微小的凹凸變化有關(guān)；視場(chǎng)角絕對(duì)值與設(shè)計(jì)要求相比偏小，分析主要與視場(chǎng)邊界定義有關(guān)，如圖15所示，選取U／2與選取U／e時(shí)邊界的范圍是不同的，軟件處理方式的改變會(huì)影響視場(chǎng)角度的數(shù)值。

3 結(jié)論

通過對(duì)半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試技術(shù)的研究分析，深入剖析了各個(gè)光學(xué)參數(shù)的含義及機(jī)理，構(gòu)建了一個(gè)半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將機(jī)械、光學(xué)與電子三大系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)全自動(dòng)測(cè)量以及最終的數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過分析驗(yàn)證，能夠滿足半導(dǎo)體激光引信光學(xué)參數(shù)測(cè)試要求。

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