半主动激光制导导引头光学系统微型化设计与分析

半主动激光制导导引头光学系统微型化设计与分析

【摘要】文章从半主动激光制导武器的探测原理出发，得出了导引头光学系统应满足的要求。结合现有工艺和技术设计了一套微型半主动激光制导光学系统，并通过ZEMAX光学设计软件进行了分析和仿真，实验结果表明，该系统满足各项参量要求，对导引头小型化的研究具有一定的参考价值。

【关键词】光学系统设计;半主动寻的制导;激光导引头

引言

激光半主动寻的制导武器（LSSGWS）具有制导精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低、使用方便等优点，因而被广泛应用于武器装备中。激光半主动寻的制导武器核心器件是激光导引头，导引头由位于前端的光学系统收集激光反射的回波，利用四象限探测器作为光电探测器件进行制导。通常情况下，目标信号经光学系统后在四象限探测器靶面上形成一定大小的光斑，通过分析光斑覆盖在探测器4个不同区域的面积来判断目标的方位。

鉴于激光半主动寻的制导方式在导弹、炮弹等大型武器中的成功使用和良好效果。如何将其小型化，并应用在小口径武器已成为当今研究的热点。文章根据四象限探测器目标方位探测的工作原理，对目标信号经过光学系统产生的光斑提出要求，结合像差对光斑能量分布的影响，利用ZEMAX进行系统设计。然后提出评价设计结果的方法，对激光半主动寻的制导光学系统的微型化设计具有一定的参考作用。

1.四象限探测器原理

四象限探测器的原理如图1所示。目标反射的激光信号通过制导武器前端的光学系统在四象限探测器表面形成一个激光光斑。

图1 四象限探测器原理

图2 光学系统结构示意图

若激光光斑正好落在象限探测器的中心，如图1（a）。那么，A、B、C、D 4个象限探测器输出的信号经4路放大器放大后的输出V A、VB、VB、VB的辐值应完全相等，这说明弹丸正好对准了目标[5]。此时有：

（V A+VB）-（VC+VD）=0 （1）

（V A+VD）-（VB+VC）=0 （2）

若弹丸未对准目标，则4个象限输出的电压幅值不相等，进而（1）、（2）式

不成立。利用此偏差信号驱动弹丸的舵面做出调整，直至激光光斑落在探测器中心，此时，弹丸轴线正对目标飞行。

2.光学系统设计

拟定光学系统设计指标为：

a）波长：940nm;

b）接收透镜通光口径：Φ10mm;

c）接收视场2ω：±2°;

d）探测器：Φ4。

根据系统设计指标，考虑到国内已有导引头的结构形式，微型化的导引头光学系统采用如图2所示的形式，该结构源于卡塞格伦系统将将校正透镜变为整流罩，即做矫正之用又能承受弹丸飞行高速运动的风阻。再者，通过在厚透镜两侧镀反射膜，减少了反射镜的个数，简化了结构的复杂性，体积小、结构紧凑、易于装配，容易满足微型化要求。

3.光学系统设计结果与分析

3.1 设计结果

通过ZEMAX光学辅助设计软件，设计了一套激光半主动寻的制导导引头的光学系统，并进行优化处理。优化后的光学系统的各项参量为：有效焦距EFFL=12.5mm，入瞳口径ENPD=5mm，实际工作F数WFNO=2.5，最大瞬时视场2=±2°，主反射镜直径D1=10mm，整流罩通光孔径D=20mm，厚度z=1mm，光学系统轴向长度L=12mm，探测器直径2R=4mm。

3.2 成像分析

对于激光半主动寻的制导武器的光学系统，不能单独用像差的大小作为评价成像质量的标准，而要看像差分布曲线是否具有对称性。如图3（a）所示。

图3（a）1千米的几何像差曲线

图3（b）1千米的视场点列图

通过图3（a）中视场角为0o、1o、1.5o、2o的像差特性分布曲线，可以看出通过光学系统所形成的弥散斑中心像差为零，远离弥散斑中心的像差分布曲线关于中心对称。调节探测器距离厚透镜的距离可以改变弥散斑在探测器上的成像直径，根据经验一般取弥散斑的直径D为：D=R。即光斑直径为探测器直径的

一半。

通过图3（b）中视场角为0o、1o、1.5o、2o的光线点列图，可以看出通过光学系统所形成的弥散斑成像情况。由此可知，在接收视场2ω为2o的时候，该光学系统满足探测器的要求。

从图2及图3中可以看出，目标经光学系统所形成的弥散斑半径及其成像质量（弥散斑能量分布情况）可以满足激光半主动寻的制导引头的使用要求。

4.结论

从导引头的工作机理和结构特点出发，以满足探测器的性能要求为目标，结合已有导引头光学系统结构，设计了一套满足探测器各项参量要求、具有较高成像质量的光学系统。同时，该系统具有光学元件少、结构简单、装配容易、体积小等优点。文中的分析设计结果，较好的满足了拟定设计要求，对今后半主动激光制导导引头光学系统的微型化设计具有一定的参考价值。

参考文献

[1]施德恒，熊水英.激光半主动寻的制导导弹发展综述[J].红外技术，2000，22（5）：28-34.

[2]崔子浩，付石友.基于905nm激光器的激光跟踪系统研究[J].激光与红外，2010，40（9）：950-953.

[3]谭千里.四象限探测器组件在激光制导技术中的应用[J].半导体光电，2005，26（2）：155-157.