定向干擾跟蹤平臺(tái)的激光擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何秉高,孫向陽(yáng),史麗娟

(長(zhǎng)春大學(xué)電子信息工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

隨著傳感器技術(shù)的不斷提高,使得制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾能力得到大幅度提升,明顯降低了常規(guī)紅外誘餌彈的干擾效果。若采用紅外干擾機(jī)進(jìn)行工作時(shí),由于發(fā)射角過(guò)大,導(dǎo)致能量過(guò)于分散,使得其作用距離變短,對(duì)于高空飛行的目標(biāo)難以進(jìn)行有效干擾。

基于上述原因,在20世紀(jì)末,各國(guó)開(kāi)始進(jìn)行定向干擾技術(shù)的研究。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是集中在一個(gè)立體角內(nèi)單向發(fā)射干擾能量,從而使干擾信號(hào)能量的集中性得到明顯提升,而且它只在干擾工作時(shí)才發(fā)射能量,這樣有效地解決了干擾源易暴露的問(wèn)題[1]。典型的產(chǎn)品有美國(guó)的AN/AAQ24系統(tǒng)、俄羅斯的101KS-O系統(tǒng)、以色列的MUSIC系統(tǒng)、美英聯(lián)合研制的CIRSM系統(tǒng)[2-3]。在設(shè)計(jì)時(shí),上述產(chǎn)品為了調(diào)整紅外激光束發(fā)散角,進(jìn)一步增加干擾距離、減少探測(cè)器的檢測(cè)誤差,多采用折反式準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)[4-7]；此類系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)小型化且在傳遞過(guò)程中損失了較大的能量。為了解決這一問(wèn)題,本文提出了一種反射式離軸擴(kuò)束系統(tǒng),以達(dá)到高能量反射率、無(wú)色差、大口徑的設(shè)計(jì)目標(biāo)；并采用了專門設(shè)計(jì)的變倍切換結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)根據(jù)作用距離進(jìn)行擴(kuò)束比變倍調(diào)整的目的。

2 系統(tǒng)組成及主要設(shè)計(jì)參量

本設(shè)計(jì)的光機(jī)系統(tǒng)主要由DF激光器、反射式主擴(kuò)束鏡、反射式離軸副擴(kuò)束鏡、兩組轉(zhuǎn)向平面反射鏡及安裝結(jié)構(gòu)組件構(gòu)成。進(jìn)行工作時(shí),激光束先經(jīng)轉(zhuǎn)向平面鏡組進(jìn)行干擾跟蹤平臺(tái)的擴(kuò)束系統(tǒng)中,再通過(guò)反射式主擴(kuò)束鏡的上下運(yùn)動(dòng)(安裝在往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上)來(lái)改變主副鏡組間的徑向距離,最后經(jīng)反射式離軸副鏡將主鏡所產(chǎn)生的光束分別擴(kuò)束為15倍、20倍、25倍的寬光束輸出。系統(tǒng)組成如圖1所示,主要設(shè)計(jì)參量如表1所示。

圖1 擴(kuò)束系統(tǒng)組成

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決激光能量過(guò)度集中的狀況及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大問(wèn)題,同時(shí)滿足DF激光器的傳輸、擴(kuò)束比及視場(chǎng)光譜范圍內(nèi)波差的要求,擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)采用Ritchey-Chretien(R-C)式離軸反射系統(tǒng)。主鏡的曲率半徑為25.052 mm,非球面系數(shù)(conic系數(shù))為-0.974；副鏡曲率半徑為625.052 mm,非球面系數(shù)(conic系數(shù))為-0.996；主副擴(kuò)束鏡間距為300 mm。通過(guò)主鏡上下直線運(yùn)動(dòng)改變主副鏡的徑向軸間距,以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束比變倍,(即15倍時(shí),兩者者軸間距為117.315 mm；20倍時(shí)為80 mm；25倍為49.827 mm),ZEMAX設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖3可知,三種擴(kuò)束系統(tǒng)的MTF函數(shù)都已達(dá)到衍射極限。

圖2 擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)

圖3 光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)性能要求,同時(shí)本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量、易于裝配的設(shè)計(jì)原則,采用分體設(shè)計(jì)的思想,將DF激光器安裝在干擾跟蹤平臺(tái)的固定基座上,反射式主副擴(kuò)束鏡組則安裝在系統(tǒng)的兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)上,中間通過(guò)兩組平面反射鏡引導(dǎo)激光束進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)中,各部分對(duì)接均可拆卸模式。這樣的設(shè)計(jì)既可以達(dá)到縮短整體機(jī)械尺寸的目的,又易于安裝調(diào)試,同時(shí)保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。系統(tǒng)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示,圖中1為主擴(kuò)束反射鏡組件,2、5為平面反射鏡,3為離軸副擴(kuò)束鏡組件,4為俯仰安裝軸。

圖4 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

5 反射式擴(kuò)束主副鏡組設(shè)計(jì)與分析

本設(shè)計(jì)所采用的DF激光器的中心波長(zhǎng)為3.8 μm,對(duì)于進(jìn)行能量傳輸?shù)溺R片均要求具有較高的損傷閾值及極低的吸收系數(shù),所以需要選擇對(duì)該波段激光有較高透射率的鏡片材料。因此在擴(kuò)束及平面反射光學(xué)系統(tǒng)的鏡片選擇方面,均采用了CaF2鏡片,同時(shí)為了提高擴(kuò)束系統(tǒng)的總體反射率,故在CaF2表面鍍Au膜并加鍍介質(zhì)膜,從而使總反射率達(dá)到97%以上。

5.1 主反射鏡組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

由于主擴(kuò)束反射鏡片的尺寸較小,因此在安裝設(shè)計(jì)時(shí)直接采用了膠接法,以減少反射鏡隨工作環(huán)境溫度變化所引起的鏡面變形量,同時(shí)降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化對(duì)鏡片的損傷,提高鏡片與鏡座材料熱膨脹系數(shù)匹配性。

為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束變倍功能,將副鏡組件安裝在由垂直導(dǎo)軌,螺旋絲杠及步進(jìn)電機(jī)等組成的工作臺(tái)上。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上運(yùn)動(dòng)的絲杠螺母以引導(dǎo)組件上下移動(dòng),從而精確定位,以改變主擴(kuò)束反射鏡組件的徑向高度,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束比的變倍目的,其安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主反射鏡結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證鏡組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果,需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。首先是對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于分析結(jié)果取決于精確的網(wǎng)格劃分過(guò)程,因此采用Hypermesh軟件的8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行工作,共劃分了513522個(gè)單元,共計(jì)1986026個(gè)節(jié)點(diǎn)；之后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS軟件中,輸入材料屬性,將固定螺釘孔添加為固定約束,按整體安裝方向添加自身重量約束及轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)的傳遞的力矩,對(duì)組件及鏡片進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 有限元分析

由分析結(jié)果可知,最大軸向變形量為1.65×10-4mm,小于最大變形量0.01 mm的技術(shù)指標(biāo)要求；最大應(yīng)力為0.142 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限48 MPa及260 MPa；接觸面壓力最大值為0.013 MPa,也小于材料使用強(qiáng)度；設(shè)計(jì)符合基本要求。

5.2 反射式離軸副鏡組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于較大口徑的離軸副擴(kuò)束反射鏡片安裝而言,常規(guī)方法難以滿足安裝要求:離軸鏡大口徑尺寸導(dǎo)致膠接法的穩(wěn)固性較差；離軸鏡的非球面形狀導(dǎo)致其難以使用壓圈法,離軸鏡不均勻的質(zhì)量分布導(dǎo)致?lián)闲园惭b結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜[8],設(shè)計(jì)裝調(diào)成本過(guò)高。反射式離軸副鏡如圖7所示。

因此在安裝設(shè)計(jì)時(shí),采用擋塊及膠接兩種方法來(lái)固定鏡片。安裝時(shí),先將反射鏡安放在鏡座內(nèi),之后在鏡座的圓環(huán)面安裝擋塊以固定鏡片(通過(guò)螺釘預(yù)緊),最后將橡膠劑注入位于鏡框外側(cè)的預(yù)留孔中來(lái)固緊反射鏡。通過(guò)長(zhǎng)條孔來(lái)進(jìn)行安裝位置的微調(diào)整。固定擋塊及鏡座材料選用2A12鋁合金,螺釘材料選用45#鋼。

圖7 反射式離軸副鏡

同理,亦需將其導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析。由分析結(jié)果可知,最大軸向變形量為1.037×10-4mm,小于的技術(shù)指標(biāo)要求；接觸面壓力最大值為0.701 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限260 MPa,設(shè)計(jì)符合要求，如圖8所示。

圖8 有限元分析

6 系統(tǒng)模態(tài)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證擴(kuò)束及干擾跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理,需要對(duì)它們進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)分析。由于擴(kuò)束機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)及整機(jī)的材料屬性不盡相同,且均采用可拆卸連接方式,所以可以先獨(dú)立分析擴(kuò)束的系統(tǒng)主要構(gòu)件,然后再分析干擾跟蹤平臺(tái)。表2為分析結(jié)果。

表2 系統(tǒng)主要機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

由基頻結(jié)果可知,系統(tǒng)無(wú)共振現(xiàn)象發(fā)生,但是由于擴(kuò)束系統(tǒng)的組件安裝質(zhì)量分布不均勻,導(dǎo)致在固定底板邊緣產(chǎn)生較大的變形量,可能降低擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)性能；為了達(dá)到靜力平衡狀態(tài),提高系統(tǒng)的抗振性能,故采用了添加配重的方法。

7 擴(kuò)束比及空間偏移量測(cè)試

7.1 擴(kuò)束比測(cè)試

在進(jìn)行測(cè)試工作時(shí),首先打開(kāi)中心波長(zhǎng)為632.8 nm的He-Ne激光器,同時(shí)打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的圖像采集軟件,再使用CCD依次采集主、副擴(kuò)束反射鏡面的光斑圖像；之后先利用He-Ne激光束的光強(qiáng)高斯分布性[9-10],利用高斯函數(shù)公式(1)計(jì)算出光斑的中心坐標(biāo)。

(1)

式中,A為光斑光強(qiáng)幅值;I(xz,yz)為與光束垂直截面處(xz,yz)的光；(x0,y0)為光斑中心位置;s1、s2為二維坐標(biāo)方向上的標(biāo)準(zhǔn)差。由此得出,光強(qiáng)幅值位置即為擴(kuò)束光斑中心位置,再利用最小二乘圓擬合法,通過(guò)公式(2)計(jì)算出測(cè)量光斑的直徑,之后利用公式(3)計(jì)算出擴(kuò)束比:

(2)

(3)

式中,(xi,yi)為光斑圖像邊緣的坐標(biāo)值；D1、D2分別為主、副擴(kuò)束反射鏡的光斑直徑;δ為系統(tǒng)擴(kuò)束比。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 擴(kuò)束比測(cè)試數(shù)據(jù)分布

整合測(cè)試數(shù)據(jù),取其算數(shù)平均值,得出計(jì)算結(jié)果,擴(kuò)束比分別為1∶15.01、1∶19.96、1∶25.03,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

7.2 空間偏移量測(cè)試

干擾跟蹤平臺(tái)采用U型框架結(jié)構(gòu),通過(guò)在框架頂部增加加強(qiáng)筋,提高了運(yùn)動(dòng)框架的整體穩(wěn)定性及抗振性,如圖10所示。在進(jìn)行工作時(shí),要求擴(kuò)束系統(tǒng)的發(fā)射軸與跟蹤系統(tǒng)的視準(zhǔn)軸保持平行關(guān)系且實(shí)時(shí)同步運(yùn)動(dòng),并且與干擾跟蹤平臺(tái)的水平軸始終保持垂直關(guān)系,因此主要測(cè)試參數(shù)的跟蹤系統(tǒng)的空間偏移量。

圖10 跟蹤平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

通過(guò)手持式激光測(cè)距儀分別測(cè)量整機(jī)跟蹤目標(biāo)方位及俯仰的偏軸量,通過(guò)其偏軸量與兩個(gè)測(cè)量目標(biāo)間距的正切函數(shù)值,分別求出方位角變化量θ1及俯仰角變化量θ2,之后通過(guò)公式(4),即可求空間偏移量。測(cè)量偏差如圖11所示。

(4)

(5)

由計(jì)算結(jié)果可知,σ等于0.263 mrad,滿足技術(shù)指標(biāo)3σ≤1 mrad的要求。

圖11 測(cè)試點(diǎn)偏差分布

8 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了由反射式離軸主副鏡組、平面反射鏡組和支撐固定機(jī)構(gòu)組成的中遠(yuǎn)紅外激光擴(kuò)束系統(tǒng),并對(duì)反射式離軸主、副鏡組進(jìn)行了光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并進(jìn)一步對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,系統(tǒng)可擴(kuò)束比為1∶15.01、1∶19.96、1∶25.03,空間偏移誤差3σ≤1 mrad,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求。