折衍共口径红外双波段位标指示器光学系统设计
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Optical system design of folded/diffractive co-aperture infrared dual-band beam positioner
Yue Baoyi1, Liu Jun1, Guo Jia2, Chen Yang1, Li Han3
(1. School of Optoelectronic Engineering, Xi′an Technological University, Xi'an 710021, China; 2. Xi′an Research Institute of Applied Optics, Xi′an 710065, China;
收 稿 日 期 ：2018-11-19 ； 修 订 日 期 ：2018-12-23 基 金 项 目 ： 陆 军 装 备 XXX 预 研 项 目 (XXXZY) ； 陕 西 省 重 点 实 验 室 项 目 (17JS052) 作 者 简 介 ： 岳 宝 毅 (1992-) ， 男 ， 硕 士 生 ， 主 要 从 事 光 学 设 计 理 论 及 技 术 方 面 的 研 究 。 Email:1759198767@ 导 师 简 介 ： 刘 钧 (1964-) ， 女 ， 教 授 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 光 学 设 计 理 论 研 究 与 光 电 仪 器 设 计 方 面 的 研 究 。 Email:junliu1990@
第 48 卷第 4 期 Vol.48 No.4
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2019 年 4 月 Apr.2019
折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统设计
岳宝毅 1，刘 钧 1，郭 佳 2，陈 阳 1，李 汉 3
(1. 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021；2. 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065； 3. 中国白城兵器实验中心，陕西 白城 137001)
摘 要 ： 针对反射式双模位标指示器视场小、中心遮拦、能量低等问题，提出一种折/衍共口径红外双 波段位标指示器光学系统。基于消色差理论和 MRTD 模型分别推导了光学系统波段间消色差公式和 作用距离方程。设计的双波段光学系统具有共焦距特性，从而实现了双波段同步探测以及识别目标信 息的一致性。折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统工作波长为 3.4~4.8 μm、7.7~9.5 μm，俯 仰、偏航视场为-26°～26°，焦距 115 mm，F 数为 2。结果表明：在-40~60 ℃温度范围内消热差，成像质 量接近衍射极限。 关键词： 折/衍结构； 双波段； 共口径； 消热差 中 图 分 类 号 ： TH744 文 献 标 志 码 ： A DOI： 10.3788/IRLA201948.0418003
3. China Baicheng Weapons Experiment Center, Baicheng 137001, China)
Abstract: Aiming at the problem of small-field, central obscuration and low anergy of reflective optical system, the dual-mode beam positioner optical system of a folded/diffractive co-aperture infrared dual band positioner was proposed. Based on achromatic theory and MRTD model, the equations of wavelength band achromaticity and action distance were deduced, respectively. With the property of a common focal length in the dual-band optical system, dual-band simultaneous detection and consistency of target information identification were achieved. The parameters of the folded/diffractive co -aperture infrared dual- band positioner optical system were as follows : wavelengths are 3 . 4 - 4 . 8 μm and 7 . 7 9.5 μm, pitch/yaw is -26° -26° . focal length is 115 mm and F number is 2. The results show that thermal difference eliminated in the temperature range of -40-60 ℃, the optical transfer function is close to the diffraction limit. Key words: folded/diffraction structure; dual band; co-aperture; athermalization
0418003-1
第4期
红外与激光工程
第 48 卷
0引言
随着伪装技术的发展， 探测识别目标的难度也 不断增大， 单一波段的探测已经很难满足现代战场 的需求。 而双模位标器在红外雷达、雷达电视、红外 激光等领域研究居多，在红外双波段方面研究较少， 且目前多采用反射式结构存在视场小、中心遮拦、能 量低等问题。 国外在双模制导方面研究较早，前苏联 SA-13 防 空 导 弹 ，采 用 以 双 色 红 外 技 术 改 进 原 弹 型 ， 美 国 与 法 国 许 多 近 程 防 空 导 弹 都 采 用 了 紫 外/红 外 双模复合制导体制， 比较典型的产品有美国的 “毒 刺”、法国的“西北”[1]。 2017 年,中国航空工业集团公司 洛阳电光设备研究所毛延凯等设计了一种共孔径红 外/激光复合导引头系统，其视场为±2°、焦 距 100 mm， 口 径 为 50 mm。 由 于 采 用 横 滚 加 俯 仰 扫 描 构 型 ，装 调 困 难 、体 积 大[2]。 同 年 ，天 津 津 航 技 术 物 理 研 究 所 孙 赤全等设计了一种滚仰式导引头红外光学系统，其 视 场 、焦 距 为 58 mm、F 数 为 2。 利 用 折 转 镜 组 实 现 俯 仰 ，结 构 复 杂[3]。 2016 年 ， 中 国 电 子 科 技 集 团 公 司 光 电 研 究 院 孙 宏 宇 等 提 出 了 紧 凑 型 折/衍 混 合 中 波 红 外 无热化成像光学系统，其视场为±2.6°、焦距为135 mm、 F 数 为 1.2[4]。 2015 年,中 国 科 学 院 生 物 物 理 研 究 所 殷 笑 尘 等 提 出 了 红 外/激 光 共 孔 径 双 模 导 引 头 光 学 系 统 ，其 视 场 为±2°、焦 距 为 140 mm，口 径 为 90 mm。 由 于 采 用 卡 塞 结 构 ， 存 在 中 心 遮 拦 、 能 量 低 等 问 题 [5]。 综上所述，基于红外成像具有结构紧凑、精度高、探 测距离远、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，将红外 成像技术应用于制导可以很好的解决对目标精准探 测识别、降低脱靶率等问题。 所以研究折/衍共口径 红外双波段位标器光学系统具有很重要的意义。
Yue Baoyi1, Liu Jun1, Guo Jia2, Chen Yang1, Li Han3
(1. School of Optoelectronic Engineering, Xi′an Technological University, Xi'an 710021, China; 2. Xi′an Research Institute of Applied Optics, Xi′an 710065, China;
收 稿 日 期 ：2018-11-19 ； 修 订 日 期 ：2018-12-23 基 金 项 目 ： 陆 军 装 备 XXX 预 研 项 目 (XXXZY) ； 陕 西 省 重 点 实 验 室 项 目 (17JS052) 作 者 简 介 ： 岳 宝 毅 (1992-) ， 男 ， 硕 士 生 ， 主 要 从 事 光 学 设 计 理 论 及 技 术 方 面 的 研 究 。 Email:1759198767@ 导 师 简 介 ： 刘 钧 (1964-) ， 女 ， 教 授 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 光 学 设 计 理 论 研 究 与 光 电 仪 器 设 计 方 面 的 研 究 。 Email:junliu1990@
第 48 卷第 4 期 Vol.48 No.4
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2019 年 4 月 Apr.2019
折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统设计
岳宝毅 1，刘 钧 1，郭 佳 2，陈 阳 1，李 汉 3
(1. 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021；2. 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065； 3. 中国白城兵器实验中心，陕西 白城 137001)
摘 要 ： 针对反射式双模位标指示器视场小、中心遮拦、能量低等问题，提出一种折/衍共口径红外双 波段位标指示器光学系统。基于消色差理论和 MRTD 模型分别推导了光学系统波段间消色差公式和 作用距离方程。设计的双波段光学系统具有共焦距特性，从而实现了双波段同步探测以及识别目标信 息的一致性。折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统工作波长为 3.4~4.8 μm、7.7~9.5 μm，俯 仰、偏航视场为-26°～26°，焦距 115 mm，F 数为 2。结果表明：在-40~60 ℃温度范围内消热差，成像质 量接近衍射极限。 关键词： 折/衍结构； 双波段； 共口径； 消热差 中 图 分 类 号 ： TH744 文 献 标 志 码 ： A DOI： 10.3788/IRLA201948.0418003
3. China Baicheng Weapons Experiment Center, Baicheng 137001, China)
Abstract: Aiming at the problem of small-field, central obscuration and low anergy of reflective optical system, the dual-mode beam positioner optical system of a folded/diffractive co-aperture infrared dual band positioner was proposed. Based on achromatic theory and MRTD model, the equations of wavelength band achromaticity and action distance were deduced, respectively. With the property of a common focal length in the dual-band optical system, dual-band simultaneous detection and consistency of target information identification were achieved. The parameters of the folded/diffractive co -aperture infrared dual- band positioner optical system were as follows : wavelengths are 3 . 4 - 4 . 8 μm and 7 . 7 9.5 μm, pitch/yaw is -26° -26° . focal length is 115 mm and F number is 2. The results show that thermal difference eliminated in the temperature range of -40-60 ℃, the optical transfer function is close to the diffraction limit. Key words: folded/diffraction structure; dual band; co-aperture; athermalization
0418003-1
第4期
红外与激光工程
第 48 卷
0引言
随着伪装技术的发展， 探测识别目标的难度也 不断增大， 单一波段的探测已经很难满足现代战场 的需求。 而双模位标器在红外雷达、雷达电视、红外 激光等领域研究居多，在红外双波段方面研究较少， 且目前多采用反射式结构存在视场小、中心遮拦、能 量低等问题。 国外在双模制导方面研究较早，前苏联 SA-13 防 空 导 弹 ，采 用 以 双 色 红 外 技 术 改 进 原 弹 型 ， 美 国 与 法 国 许 多 近 程 防 空 导 弹 都 采 用 了 紫 外/红 外 双模复合制导体制， 比较典型的产品有美国的 “毒 刺”、法国的“西北”[1]。 2017 年,中国航空工业集团公司 洛阳电光设备研究所毛延凯等设计了一种共孔径红 外/激光复合导引头系统，其视场为±2°、焦 距 100 mm， 口 径 为 50 mm。 由 于 采 用 横 滚 加 俯 仰 扫 描 构 型 ，装 调 困 难 、体 积 大[2]。 同 年 ，天 津 津 航 技 术 物 理 研 究 所 孙 赤全等设计了一种滚仰式导引头红外光学系统，其 视 场 、焦 距 为 58 mm、F 数 为 2。 利 用 折 转 镜 组 实 现 俯 仰 ，结 构 复 杂[3]。 2016 年 ， 中 国 电 子 科 技 集 团 公 司 光 电 研 究 院 孙 宏 宇 等 提 出 了 紧 凑 型 折/衍 混 合 中 波 红 外 无热化成像光学系统，其视场为±2.6°、焦距为135 mm、 F 数 为 1.2[4]。 2015 年,中 国 科 学 院 生 物 物 理 研 究 所 殷 笑 尘 等 提 出 了 红 外/激 光 共 孔 径 双 模 导 引 头 光 学 系 统 ，其 视 场 为±2°、焦 距 为 140 mm，口 径 为 90 mm。 由 于 采 用 卡 塞 结 构 ， 存 在 中 心 遮 拦 、 能 量 低 等 问 题 [5]。 综上所述，基于红外成像具有结构紧凑、精度高、探 测距离远、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，将红外 成像技术应用于制导可以很好的解决对目标精准探 测识别、降低脱靶率等问题。 所以研究折/衍共口径 红外双波段位标器光学系统具有很重要的意义。