基于四象限探測(cè)器的激光導(dǎo)引鏡頭的研制

張軍強(qiáng)，謝　飛，薛慶生，辛久喜

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033;

2.洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471009;

3.大連歐普迪光電儀器有限公司，遼寧 大連 116001)

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基于四象限探測(cè)器的激光導(dǎo)引鏡頭的研制

張軍強(qiáng)1，謝飛2，薛慶生1，辛久喜3*

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033;

2.洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471009;

3.大連歐普迪光電儀器有限公司，遼寧 大連 116001)

摘要：為了滿足激光制導(dǎo)對(duì)大視場(chǎng)、高線性度探測(cè)的性能要求，基于激光制導(dǎo)炸彈的應(yīng)用需求，介紹了四象限探測(cè)器的工作原理和特點(diǎn)，分析了光斑大小、能量均勻性、線性度、探測(cè)距離等參數(shù)對(duì)探測(cè)精度的影響；結(jié)合系統(tǒng)性能指標(biāo)，選擇了合理的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型，完成了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；利用畸變、點(diǎn)列圖、足跡圖、能量集中度等指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并分析了目標(biāo)大小和探測(cè)距離對(duì)光斑大小的影響。測(cè)試結(jié)果表明，激光導(dǎo)引鏡頭總視場(chǎng)為±20°、線性視場(chǎng)為±10°、目標(biāo)大小為1.5～2.4 m、探測(cè)距離為50 m～4 km、測(cè)角精度優(yōu)于0.2°，能夠滿足激光導(dǎo)引的需求。

關(guān)鍵詞:激光導(dǎo)引頭；四象限探測(cè)；光學(xué)設(shè)計(jì)；光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿真分析

Laser guided lens based on four-quadrant detector

ZHANG Jun-qiang1, XIE Fei2, XUE Qing-sheng1, XIN Jiu-xi3*

1引言

隨著電子、信息、材料、光學(xué)、機(jī)械等學(xué)科的飛速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)演化為一個(gè)能量密集型、信息密集型、知識(shí)密集型的復(fù)合系統(tǒng)，激光制導(dǎo)炸彈是一個(gè)代表性的例子。激光制導(dǎo)炸彈擺脫了傳統(tǒng)炸彈“以量取勝、打哪里指哪里”的作戰(zhàn)模式，使炸彈的功能和性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍，其高命中率、低成本的特點(diǎn)在近現(xiàn)代歷次戰(zhàn)爭(zhēng)中得到充分的體現(xiàn)[1-3]。

四象限探測(cè)器屬于主動(dòng)能量非成像探測(cè)，基于四象限探測(cè)器的光電探測(cè)系統(tǒng)較多元探測(cè)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)在探測(cè)效率、可靠性、抗干擾能力、復(fù)雜程度、質(zhì)量體積、成本等諸多方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，被廣泛應(yīng)用于激光制導(dǎo)、激光跟蹤等領(lǐng)域[4-5]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)四象限探測(cè)系統(tǒng)的線性區(qū)較小，研制大視場(chǎng)、大線性區(qū)、高精度測(cè)角、小型化、可靠性高的導(dǎo)引鏡頭是激光制導(dǎo)的發(fā)展方向。

本文介紹了四象限探測(cè)器的工作原理和特點(diǎn)，選擇了合理的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型，完成了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用畸變、點(diǎn)列圖、足跡圖、能量集中度等指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，激光導(dǎo)引鏡頭總視場(chǎng)為±20°、線性視場(chǎng)為±10°、目標(biāo)大小為1.5～2.4 m、探測(cè)距離為50 m～4 km、測(cè)角精度優(yōu)于0.2°，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

2基于四象限探測(cè)器的激光制導(dǎo)原理

2.1　激光制導(dǎo)對(duì)導(dǎo)引頭的需求

激光制導(dǎo)具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。由激光制導(dǎo)的原理可知，激光導(dǎo)引系統(tǒng)應(yīng)具備以下特征：

(1)大視場(chǎng)：較大的視場(chǎng)能夠保證導(dǎo)彈較大的搜索范圍，增強(qiáng)導(dǎo)彈飛行中段的機(jī)動(dòng)適應(yīng)性，降低目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)或更改攻擊目標(biāo)時(shí)脫靶的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)大線性區(qū)：導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，氣流、自身振動(dòng)等因素會(huì)嚴(yán)重干擾彈體的飛行彈道，大線性區(qū)是實(shí)現(xiàn)高精度彈道修正的前提和保障，有利于降低彈道修正的次數(shù)，提高攻擊效率。

(3)高精度測(cè)角：激光導(dǎo)引頭的本質(zhì)是一個(gè)激光測(cè)角系統(tǒng)[6]，角度偏差是彈道修正的依據(jù)，側(cè)角精度直接決定了制導(dǎo)炸彈最終攻擊的圓概率誤差。

2.2　四象限探測(cè)器的探測(cè)原理

四象限探測(cè)器的光敏面被分割為4個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱、光電響應(yīng)一致的扇形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)獨(dú)立的光電探測(cè)單元，能夠根據(jù)接收到的能量獨(dú)立輸出對(duì)應(yīng)幅值的電信號(hào)。通過(guò)對(duì)每個(gè)區(qū)域輸出的電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，可以得到目標(biāo)相對(duì)視軸的偏移量，如圖1所示[5, 7-8]。

圖1　四象限探測(cè)器的探測(cè)原理 Fig.1　Detecting principle of four-quadrant detector

圖1中，R為探測(cè)器光敏面的半徑，r為探測(cè)器光敏面上光斑半徑，(x，y)為光斑形心在探測(cè)器光敏面坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，A、B、C、D表示光敏面的4個(gè)象限，對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)為VA、VB、VC、VD。

對(duì)于理想的四象限光電探測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)與探測(cè)系統(tǒng)視軸對(duì)準(zhǔn)時(shí)，在四象限探測(cè)器上的圓形光斑位于探測(cè)器感光面的中心，即VA、VB、VC、VD的幅值理論上應(yīng)完全相等，此時(shí)有：

(1)

(2)

當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)視軸有俯仰(上下)角度偏差時(shí)，有：

(3)

當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)視軸有方位(左右)角度偏差時(shí)，有：

(4)

根據(jù)四象限探測(cè)器A、B、C、D4個(gè)象限的輸出信號(hào)值，可以計(jì)算出光斑中心在四象限探測(cè)器上的坐標(biāo)(x，y)；根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f可以計(jì)算出目標(biāo)的方位角偏差α、俯仰角偏差β：

(5)

(6)

因此，利用四象限探測(cè)器輸出信號(hào)，能夠快速得到目標(biāo)相對(duì)于系統(tǒng)視軸的角度偏差，為瞄準(zhǔn)、跟蹤提供修正數(shù)據(jù)。關(guān)于四象限探測(cè)器的測(cè)角算法及精度分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[9-13]，本文不再贅述。

3激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析

3.1　激光導(dǎo)引系統(tǒng)的需求分析

3.1.1光斑大小

四象限激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)光斑大小的需求包括兩方面：

(1)光斑直徑大小

在線性視場(chǎng)范圍內(nèi)，光斑必須始終位于四象限探測(cè)器的光敏面內(nèi)，且四個(gè)象限光敏區(qū)域均含有響應(yīng)。因此，光斑直徑應(yīng)滿足R<2r<2Rr，光斑的具體大小應(yīng)根據(jù)線性視場(chǎng)大小確定。

顯然，線性視場(chǎng)越大，系統(tǒng)可探測(cè)的角度偏差范圍越大，但光斑在四象限探測(cè)器光敏面上的相對(duì)位移量較小，角度探測(cè)精度隨之降低。光斑直徑、線性視場(chǎng)、角度探測(cè)精度等3個(gè)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要權(quán)衡設(shè)計(jì)。

(2)光斑穩(wěn)定性

光斑穩(wěn)定性是指線性視場(chǎng)內(nèi)，同一被探測(cè)目標(biāo)在不同視場(chǎng)角時(shí)，在四象限探測(cè)器光敏面上的光斑大小變化量(一致性)。由于光斑能量分布不可能絕對(duì)均勻，所以同一目標(biāo)、不同視場(chǎng)條件下的光斑穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)角度的探測(cè)精度。為了提高測(cè)量精度，需要盡量提高光斑的均勻性，相關(guān)學(xué)者也提出了一些改進(jìn)算法[11,14]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)四象限激光探測(cè)系統(tǒng)的光斑穩(wěn)定性一般為3%～5%，國(guó)外同類儀器一般要求優(yōu)于3%。

3.1.2光斑能量分布均勻性

四象限激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)光斑能量分布均勻性的需求包括兩方面：

(1)同一視場(chǎng)光斑能量分布均勻性

由四象限探測(cè)原理可知，A、B、C、D4個(gè)象限的輸出的信號(hào)值只與光斑在每個(gè)象限的總能量有關(guān)，而無(wú)法探測(cè)出具體的能量分布，現(xiàn)有信號(hào)處理算法一般也都是基于光斑能量均勻分布而言的。所以，同一視場(chǎng)光斑能量分布均勻性對(duì)四象限激光探測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要，直接影響系統(tǒng)的角度測(cè)量精度。

當(dāng)然，任何光學(xué)系統(tǒng)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)光斑內(nèi)能量的絕對(duì)均勻分布，而只能將其控制在一定范圍內(nèi)，殘余誤差一般通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定消除或改進(jìn)的算法修正[15]。

(2)不同視場(chǎng)光斑能量分布穩(wěn)定性

不同視場(chǎng)光斑能量分布穩(wěn)定性是指線性視場(chǎng)內(nèi)，同一被探測(cè)目標(biāo)在不同視場(chǎng)角時(shí)，在四象限探測(cè)器光敏面上的光斑能量分布變化量(一致性)，其對(duì)角度測(cè)量精度的影響與光斑穩(wěn)定性類似。

小量級(jí)、單視場(chǎng)光斑能量分布非均勻性可以通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定校正，而不同視場(chǎng)光斑能量分布穩(wěn)定性則較難標(biāo)定，一般需要通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證。

3.1.3系統(tǒng)線性度

根據(jù)目標(biāo)的方位角偏差α、俯仰角偏差β的計(jì)算公式可知，目標(biāo)角度偏差計(jì)算是基于像面位移量、焦距、視場(chǎng)角三者關(guān)系的幾何光學(xué)基本公式，所以，在線性視場(chǎng)內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足線性系統(tǒng)特征。

系統(tǒng)線性度主要通過(guò)降低光學(xué)系統(tǒng)畸變來(lái)保證，一般要求畸變?cè)?.5%左右，這也是此類光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

3.1.4四象限探測(cè)器象限非均勻性

象限非均勻性與四象限探測(cè)器性能、信號(hào)采集電路等因素有關(guān)[16]，與光學(xué)系統(tǒng)無(wú)關(guān)，在此不多贅述。

3.2　激光導(dǎo)引光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1光學(xué)系統(tǒng)性能指標(biāo)

波長(zhǎng)：1 064 nm；

相對(duì)孔徑：F#=0.8；

視場(chǎng)：總視場(chǎng)±20°、線性視場(chǎng)±10°；

有效目標(biāo)大小：1.5～2.4 m；

有效探測(cè)距離：50 m～4 km；

光敏面大?。害?0 mm；

角度測(cè)量精度：優(yōu)于0.2°。

3.2.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，該四象限激光探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)是大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑、低畸變、高穩(wěn)定性，光學(xué)系統(tǒng)采用改進(jìn)型的雙高斯結(jié)構(gòu)。由于光源為波段較窄的激光器，并在光學(xué)系統(tǒng)中加入窄帶濾光片抑制環(huán)境光，因而不存在色差，只需考慮5種單色像差。因?yàn)榍虿畈挥绊懝獍叻植嫉膶?duì)稱性，所以只需校正彗差、像散、場(chǎng)曲和畸變，保證不同視場(chǎng)的光斑尺寸和能量的均勻性。通過(guò)調(diào)節(jié)離焦距離，使線性視場(chǎng)范圍內(nèi)各個(gè)視場(chǎng)光斑直徑尺寸滿足系統(tǒng)對(duì)光斑尺寸的要求。

光學(xué)系統(tǒng)由整流罩和改進(jìn)型雙高斯透鏡組構(gòu)成，通過(guò)優(yōu)化曲率半徑和鏡片間隔實(shí)現(xiàn)了像差優(yōu)化。系統(tǒng)入瞳直徑為15 mm，F(xiàn)數(shù)為0.8，最大口徑為Φ50 mm，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)為100 mm，主動(dòng)離焦量為0.548 mm。整流罩采用藍(lán)寶石材料，第一片透鏡的第二個(gè)光學(xué)表面采用二次非球面，非球面系數(shù)k=-3.378 24，材料為H-ZF6，如圖2所示。

圖2　光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2　Diagram of optical structure

為了減小濾光片的入射角度，降低由于入射光錐角導(dǎo)致的譜線漂移量[17]，將濾光片置于孔徑光闌附近，以縮小濾光片的口徑，降低成本和質(zhì)量。濾光片選用日本西格瑪光機(jī)VPF-25C-01-30-10640型窄帶濾光片(部分參數(shù)定制)，1 nm～3.0 μm截止區(qū)透過(guò)率小于0.01%、半高寬為1 nm、峰值透過(guò)率大于45%、基板厚度為2.5 mm。

3.3　激光導(dǎo)引光學(xué)系統(tǒng)性能分析

激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)主要關(guān)注光斑穩(wěn)定性和能量分布均勻性，因此不能用傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，一般是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)畸變、點(diǎn)列圖、光線足跡圖、包圍能量分布圖等來(lái)評(píng)價(jià)[4-5, 12]。

3.3.1光學(xué)系統(tǒng)畸變

畸變不僅影響不同視場(chǎng)光斑直徑穩(wěn)定性和光斑能量分布穩(wěn)定性，還直接決定著系統(tǒng)的線性度，是此類光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。本光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的畸變控制在0.3%左右，如圖3所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3　光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線(目標(biāo)大小為1.5 m，探測(cè)距離為4 000 m) Fig.3　Distortion of optical system(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.2點(diǎn)列圖

點(diǎn)列圖可以反映不同視場(chǎng)的光斑大小和能量分布，對(duì)分析光斑分布均勻性有一定指導(dǎo)意義，圖4給出了線性視場(chǎng)內(nèi)0°、2°、4°、6°、8°、10°視場(chǎng)的光斑點(diǎn)列圖。從圖中可以看出，0°、2°、4°、6°、8°、10°視場(chǎng)光斑直徑大小分別為5.05、5.04、5.06、5.05、5.08、5.09 mm，最大偏差量小于1%，且光線分布比較均勻，滿足四象限探測(cè)對(duì)光斑尺寸的要求。

圖4　不同視場(chǎng)的點(diǎn)列圖分布(目標(biāo)大小為1.5 m，探測(cè)距離為4 000 m) Fig.4　Spot of optical system(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.3光線足跡圖

光線足跡圖主要為了顯示不同視場(chǎng)光斑在探測(cè)器光敏面上的位置，可以直觀地得到光斑和探測(cè)器中心的相對(duì)位置。圖5給出了線性視場(chǎng)內(nèi)0°、10°、20°視場(chǎng)時(shí)光斑的痕跡圖。

從圖5中可以看出，視場(chǎng)為10°時(shí)，光斑邊緣與探測(cè)器邊緣接近，但未超出探測(cè)器光敏面，而且覆蓋所有四個(gè)象限；視場(chǎng)為20°時(shí)，光斑位于四象限探測(cè)器光敏面的面積大于50%，滿足探測(cè)視場(chǎng)±20°、線性視場(chǎng)±10°的指標(biāo)要求。

圖5　光線足跡圖(目標(biāo)大小為1.5 m，探測(cè)距離為4 000 m) Fig.5　Spot of footprint(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.4能量集中度曲線

能量集中度曲線表示光斑能量隨光斑直徑的分布情況，圖6給出了視場(chǎng)0°、10°、20°的能量集中度曲線。由圖6可知，能量與光斑直徑近似成拋物線關(guān)系，能量分布較均勻，10°線性視場(chǎng)內(nèi)光斑能量分布穩(wěn)定性優(yōu)于1.5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6　不同視場(chǎng)光斑能量集中度曲線(目標(biāo)大小為1.5 m，探測(cè)距離為4 000 m) Fig.6　Geometric encircled energy for different fields(Diameter of target:1.5 m, detection distance:4 000 m)

3.3.5目標(biāo)大小、探測(cè)距離對(duì)光斑大小的影響

由激光制導(dǎo)的原理可知，對(duì)于視場(chǎng)角一定的

引導(dǎo)激光束和導(dǎo)引鏡頭，引導(dǎo)激光發(fā)射平臺(tái)與目標(biāo)之間不同的距離，導(dǎo)引頭接收到的激光回波光斑大小也將發(fā)生變化，本系統(tǒng)要求有效目標(biāo)大小1.5～2.4 m、有效探測(cè)距離為50 m～4 km范圍內(nèi)均能正常工作。

為了保證遠(yuǎn)距離、小目標(biāo)探測(cè)時(shí)具有足夠大的光斑直徑，而在近距離、大目標(biāo)探測(cè)時(shí)又不至于光斑溢出探測(cè)器光敏面，對(duì)焦距、離焦量等系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)衡設(shè)計(jì)。通過(guò)光線追跡，中心視場(chǎng)時(shí)目標(biāo)大小、探測(cè)距離對(duì)光斑大小的影響如表1所示。

表1　中心視場(chǎng)目標(biāo)大小和探測(cè)距離

由表1可知：

(1)同一探測(cè)距離時(shí)，目標(biāo)大小對(duì)光斑直徑影響相對(duì)較小；

(2)同一目標(biāo)大小時(shí)，探測(cè)距離對(duì)光斑直徑影響較大；

(3)短距離探測(cè)時(shí)，光斑直徑受目標(biāo)大小的影響較為顯著。

本系統(tǒng)線性視場(chǎng)角10°，邊緣視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的光斑極限位移量為2.1 mm，遠(yuǎn)距離、小目標(biāo)和近距離、大目標(biāo)兩種極端工況下的光斑余量為：

(1)目標(biāo)大小為1.5 m、探測(cè)距離為4 000 m時(shí)，線性視場(chǎng)邊緣狀態(tài)下，光斑中心余量為0.424 mm，探測(cè)器四個(gè)象限均有響應(yīng)；

(2)目標(biāo)大小為2.4 m、探測(cè)距離為50 m時(shí)，線性視場(chǎng)邊緣狀態(tài)下，光斑邊緣余量為0.114 8 mm，光斑相對(duì)于探測(cè)器感光面無(wú)溢出。

綜上所述，光斑直徑、焦距等系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足探測(cè)需求。

3.3.6溫度變化對(duì)光斑大小的影響

由于工作環(huán)境的特殊性，溫度對(duì)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的影響不容忽視。對(duì)于非成像的導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)，一般用不同溫度下的點(diǎn)列圖反映光斑大小和形狀的變化，表2為目標(biāo)大小為1.5 m，探測(cè)距離為4 000 m時(shí)，不同溫度下的系統(tǒng)點(diǎn)列圖變化。

表2　不同溫度載荷下系統(tǒng)光斑大小的變化

由表2可知：

(1)同一溫度、不同視場(chǎng)的光斑大小基本一致，最大偏差量小于1%，滿足四象限探測(cè)對(duì)光斑尺寸的要求；

(2)不同溫度下，所有視場(chǎng)的光斑大小均發(fā)生線性變化，隨著溫度升高，光斑大小將變小，20 ℃溫差時(shí)變化量在1.5%左右，但并不影響光斑中心在四象限探測(cè)器上的坐標(biāo)位置，滿足四象限探測(cè)對(duì)光斑尺寸的要求。

4激光導(dǎo)引光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為一個(gè)中小口徑、中等精度、透射式近紅外光學(xué)系統(tǒng)(如圖7所示)，為了滿足大溫差的工作需求，采用線膨脹系數(shù)匹配鈦合金鏡座，保證鏡頭的溫度適應(yīng)性；鏡座之間留有圓形通氣孔，滿足不同溫度、壓力條件下的放氣需要；鏡座內(nèi)壁采用噴砂、發(fā)黑的表面處理工藝，實(shí)現(xiàn)雜散光抑制；采用定心車的裝配工藝，在滿足光學(xué)公差的前提下，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

圖7　光導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Fig.7　Opti-mechanical design of laser seeker

5樣機(jī)測(cè)試

原理樣機(jī)研制由洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所資助，在大連歐普迪光電儀器有限公司完成加工、裝配后，利用鹵鎢燈光源、反射式紅外平行光管(星點(diǎn)目標(biāo)板)、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的線性視場(chǎng)、角度測(cè)量精度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。使用寬帶光源而非單波長(zhǎng)激光光源可使測(cè)試更接近實(shí)際工作狀態(tài)，同時(shí)檢驗(yàn)系統(tǒng)的雜光抑制性能。

首先，調(diào)整四象限探測(cè)器的像面坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系平行，測(cè)試水平方向(方位角)的相關(guān)性能參數(shù)；然后，將鏡頭沿光軸旋轉(zhuǎn)90°，等效測(cè)試豎直方向(俯仰角)的相關(guān)性能參數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。鑒于篇幅有限，在此僅列出方位角的測(cè)試結(jié)果，如圖9、圖10所示。

圖8　樣機(jī)性能測(cè)試 Fig.8　Testing for prototype

圖9　線性視場(chǎng)測(cè)試結(jié)果 Fig.9　Results of linear field testing

圖10　角度測(cè)量誤差測(cè)試結(jié)果 Fig.10　Angle errors of tracking accuracy

圖10中，角度測(cè)量誤差用實(shí)際測(cè)量結(jié)果相對(duì)于理論計(jì)算值的相對(duì)差值表示，由圖9、圖10可知，系統(tǒng)性能滿足線性視場(chǎng)±10°、測(cè)角精度優(yōu)于0.2°的指標(biāo)要求。

6結(jié)論

根據(jù)激光制導(dǎo)的工作原理，分析了基于四象限探測(cè)器激光制導(dǎo)鏡頭的指標(biāo)需求，完成了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用畸變、點(diǎn)列圖、足跡圖、能量集中度等指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最后通過(guò)樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，驗(yàn)證了線性視場(chǎng)、角度測(cè)量精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，激光導(dǎo)引鏡頭總視場(chǎng)為±20°、線性視場(chǎng)為±10°、有效目標(biāo)大小為1.5～2.4 m、有效探測(cè)距離為50 m～4 m、測(cè)角精度優(yōu)于0.2°，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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張軍強(qiáng)(1981—)，男，江蘇泰興人，博士，副研究員，2004年、2007年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2012年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事航空航天光學(xué)遙感儀器研制、光機(jī)系統(tǒng)整體性能評(píng)價(jià)等方面的研究工作。E-mail:zjq1981_81@163.com

謝　飛(1984—)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師，2007年于天津大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2011年于中國(guó)航空研究院獲得碩士學(xué)位，主要從事光電檢測(cè)、圖像處理等方面的研究。E-mail:xiefei0379@icloud.com

薛慶生(1979—)，男，山東梁山人，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，2010年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、航空和航天遙感成像光譜技術(shù)及光譜輻射定標(biāo)等方面的研究。E-mail:qshxue2006@163.com

辛久喜(1984—)，男，河北遵化人，學(xué)士，工程師，2008年于沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2011年于華南理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事金屬材料、自動(dòng)控制、機(jī)器視覺(jué)等方面的研究。E-mail:xinjiuxi@opti-instruments.com

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,

ChineseAcademyofSciences，Changchun130033,China；

2.LuoyangInstituteofElectro-OpticalEquipment,Luoyang471009,China；

3.DalianOptiPhotoelectricInstrumentsCo.,Ltd.,Dalian116001,China)

Abstract:In order to meet the leaser guiding requirements, such as large FOV, high linearity detecting and so on, the working principle and characteristics of four-quadrant detector are introduced based on the application requirements of laser-guided bombs. Spot size, energy uniformity, linearity, detection range and other parameters which influence detection accuracy are analyzed. Based on the system requirements, a reasonable structure type of optical system is selected, and optical system design and machine design are completed. Distortion, spot diagram, footprint and geometric encircled energy are used to evaluate the system performance, and the effects of target size and detection distance on spot size of the guidance system are presented. Test results show that the total FOV is ±20°; the linear FOV is ±10°; the detectable target size is 1.5~2.4 m; the detectable detection range is 50 m~4 km and angle detecting accuracy is better than 0.2°, which meet the needs of laser guidance.

Key words:laser seeker;four-quadrant detector;optical design;opti-mechanical design;simulation analysis

作者簡(jiǎn)介：

*Corresponding author， E-mail：xinjiuxi@opti-instruments.com

中圖分類號(hào)：TJ765.3; TH743; O435

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0471

文章編號(hào)2095-1531(2015)03-0471-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.2011AA12A103)

收稿日期:2014-12-12；

修訂日期:2015-02-13