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激光半主动导引头光学系统设计-激光与红外PDF

归档日期:07-05       文本归类:激光导引头      文章编辑:爱尚语录

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  第46卷 第5期 激 光 与 红 外 Vol.46,No.5 2016年5月 LASER&INFRARED May,2016 文章编号:10015078(2016)05052705 ·激光应用技术 · 激光半主动导引头光学系统设计 刘智颖,邢天祥 (长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022) 摘要:激光制导导引头是当今最常用的制导装置,本文设计的激光半主动制导导引头由光学 接收系统和一个四象限探测器组成。本文对四象限探测器的工作原理进行了分析介绍。结合 激光器的发射功率、作用距离与四象限探测器的参数,对导引头光学系统参数进行了计算与分 析,得到了系统入瞳的最小尺寸。应用ZEMAX软件对激光半主动导引头的光学系统进行了 优化设计,并通过包围圆能量曲线、光斑均匀性等对光斑质量进行了评价。使用MATLAB软 件对能量曲线进行拟合,根据拟合曲线对光斑的能量分布进行评价。 关键词:激光半主动导引头;光学系统设计;四象限探测器;光斑质量 中图分类号:TJ765;TN249文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.10015078.2016.05.003 Opticalsystemdesignforlasersemiactiveguidedseeker LIUZhiying,XINGTianxiang (SchoolofOpticalEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China) Abstract:LaserguidedseekerisoneofthemostcommonlyusedguidingdeviceThelasersemiactiveguidedseeker designedinthisarticleiscomposedofanopticalreceivingsystemandafourquadrantdetectorTheprincipleoffour quadrantdetectorwasintroducedandanalyzedAccordingtothelasertransmitpower,theoperatingrangeandthepa rametersoffourquadrantdetector,theminimumsizeoftheentrancepupilwasobtainedthroughcalculatingandanaly zingtheopticalsystem’sparametersThen,anopticalsystemforlasersemiactiveguidedseekerwasdesignedwith thesoftwareZEMAXThequalityofthelightspotswasevaluatedbasedonthegeometricencircleenergycurveandthe homogeneityoflightspotsTheenergycurvewasfittedwithMATLABTheenergydistributionoflightspotwasevalua tedaccordingtothefittedcurve Keywords:lasersemiactiveguidedseeker;opticalsystemdesign;quarterdetector;qualityoflightspots 1引言 象限探测器接受光信号,在经过信号处理系统后进 激光制导主要采取三种制导方式:激光半主动 行制导。在激光半主动导引头中只有接收系统,是 [1] 制导、激光主动成像制导和激光驾束制导 。导引 由地面激光或空中激光装置向目标发射激光脉冲信 头是现在制导武器中最常用的制导装置,激光导引 号,该激光信号经过大气传播至目标处,并在目标上 头具有结构简单、成本低、制导精度高、抗干扰能力 发生漫反射,反射的激光信号再次经过大气传输到 [2] 强、使用方便等优点 。导引头一般是由位于前面 导引头的接收系统。接收系统将反射激光会聚成光 的光学系统接收激光反射回的光波,由像面处的四 斑成像到探测器上。本文重点讨论了对四象限探测 作者简介:刘智颖(1981-),女,副教授,博士,主要从事光通信,光学设计,光学测量等方面的研究。Email:lzy@ custeducn 通讯作者:邢天祥(1991-),男,硕士研究生,主要从事光学设计,光通信等方面的研究。Email:965108456@qqcom 收稿日期:20150727;修订日期:20150909 528 激 光 与 红 外 第46卷 器的分析,导引头接收系统的设计以及对光斑质量 22四象限探测器参数分析 的分析。 (1)光斑半径一般情况下约为探测器光敏面尺 2激光半主动导引头工作原理 寸的1/2,本次设计取光斑直径为5mm。 激光半主动导引头将目标反射的激光会聚到四 (2)入瞳尺寸估算 象限探测器上,形成均匀的光斑。探测器将光信号 设照射器的激光发射功率为P,探测器上的接 t 处理后得到制导信号。半主动导引头的工作原理如 收功率为P,探测器的信噪比为SNR。由激光测距 r 图1所示。 [5] 公式 : 2 2 4PTTTAA ρ 8θ P = t 0 t r t rexp(- ) (3) r 2 4 2 2 R π θ θ t t 式中,T为单程大气透过率;T是发射系统透过率; 0 t T是接收系统的透过率;是目标的反射率;A是目 r ρ t 标的有效反射面积;A是接收口径面积;R是目标 图1激光半主动导引头工作原理 r 距离; 是激光发散角;是目标偏离激光发射光束 Fig1Principleoflasersemi-activeguidedseeker θ θ t 21四象限探测器原理 中心的角度。 四象限探测器属于主动能量非成像探测,为了 激光器脉冲能量为130mJ,脉冲宽度 15ns;探 [3] 测距离不小于22km,空中照射,斜程5km;目标特 定位目标,探测器相对于光学系统离焦放置 。探 测器的光敏面如图2所示被均分为四个象限,图中 性为漫反射,反射率不小于 02;激光发散角 阴影部分代表光斑。 为03mrad。 光斑会聚到四象限探测器光敏面上时,探测器 根据以上的条件,通过计算得到入瞳的最小值 会输出四路幅值信号 V、V、V、V。光斑的位置不 应为D =12mm。本次设计的入瞳为D=30mm, A B C D min 同,各象限将形成大小不同的输出信号。在x、y方向 显然满足要求。 [4] 分别产生位置误差信号V和V : 3光学系统设计与评价 X Y V =(V +V)-(V +V) (1) 31光学系统设计指标要求 Y A B C D V =(V +V)-(V +V) (2) 光学系统的设计指标为: X B D A C 如图2(a)所示,当光斑位于探测器中心位置 波长:1064 m μ 时,四个输出信号相等, V和 V为零,说明此时正 入瞳:30mm X Y 好对准目标。而当光斑位于图2(b)所示的位置时, 瞬时视场:2 =±8° ω 明显 V不为零,说明上下位置有偏差,此时会输出 探测器:=12mm Y  位置误差信号,使物体上下移动重新对准目标。同 后截距:大于5mm 理,V也不为零,说明有左右的位置偏差。如此,利 测角精度:6mrad X 用位置误差信号可以不停地修正对准方向,始终对 根据这些指标,由公式:D=2f′tan 即可算出 ω 准目标。 系统的焦距应为21346mm,式中的D为探测器口 径的一半,同时得到系统的F数为0711。 32光学系统设计过程与结果 激光半主动导引头光学系统可以使用折反式 结构或折射式结构。折反式系统元件少,但会产 生拦光、杂散光、视场角较小而且一般需要使用非 球面,使成本增高。折射式系统结构简单、视场角 较大、杂散光影响小、体积小、成本低。因而在设 图2四象限探测器探测原理 计中选择使用折射式系统,选择库克三片式物镜 Fig2Principleofthequarterdetector 作为初始结构。 激 光 与 红 外No.52016刘智颖等激光半主动导引头光学系统设计 529 激光半主动导引头系统传输能量信息,要求 大,减小了光线的剧烈偏折缩小了彗差。而为了保 像面光斑均匀。通过离焦及控制光线的分布可以 证光焦度,同时防止光线的剧烈偏折,设计中采用了 得到均匀的光斑。由于系统使用激光光源,因此 折射率较大的材料。对于像散,和彗差一样调整视 没有色差,只需考虑单色像差。其中球差为轴对 场光阑的位置可以减小像散。 称性像差不影响光斑的均匀性,只影响弥散斑大 由场曲分布公式[7]: 小。在设计中需控制球差大小得到要求的光斑。 m  2 i x′=J∑ (6) p i=1 n 彗差是轴外光束经系统后失对称的表现,影响光 i 斑分布的均匀性,而场曲和像散会使像面弯曲,同 可知通过正负光焦度组合可以减小场曲,但是 样会使光斑均匀性降低,畸变的存在对导引头方 同时也会减小系统的总光焦度。由于要求得到汇聚 位解算的正确性产生影响。因此几种像差均需在 光斑,透镜组必须保持正的总光焦度。因此只能将 设计过程中考虑。经过优化设计后,光学系统的 经优化后得到三片正透镜的正光焦度减小,以此减 最终结构如图3所示。 小场曲。 最终设计结果的具体系统参数为:入瞳D为 30mm,焦距为216mm,F数为07,光斑直径为 Φ=(5±01)mm,系统总长为528mm。 34光斑的质量评价 对于激光半主动导引头光学系统来说,其对光 斑的要求基本上有三方面: (1)光斑的直径为探测器光敏面直径的一半, 因为若光斑尺寸太小,光斑可能只会聚于某一个象 限内,探测器会无法输出位置误差信号,无法进行制 导;若光斑太大,超过光敏面时,会造成能量的浪费。 (2)光斑的能量要集中且分布均匀,这是因为 图3接收系统设计结果 光斑分布不均时其中心位置会产生偏移,使位置误 Fig3Theresultofthereceivingsystemdesign 差信号产生偏差影响探测精度。 系统中第一块透镜为整流罩,其球心与导引头 (3)确保光斑的圆度,即光斑应为圆形,否则当 的转动中心重合,用于减小飞行动力阻力,对透镜组 光斑中心在四象限探测器中心时,由于形状的不均 起保护作用,又可以校正系统像差。 也会产生位置误差信号,影响探测精度。 球差 L′为: δ 由ZEMAX优化设计后得到的光斑点列图如下 L′=L′-l′ (4) δ 图4所示。 由公式(4)可知正透镜产生负球差,负透镜产 生正球差。图3中三片透镜都由一个凸面和一个凹 面组成,如此正负光焦度组合,根据软件中球差塞得 和系数,可以控制球差得到要求的光斑。 对于彗差,通过调整视场光阑的位置可以减小, 采用库克三片式结构,使光阑位于镜组中间可以有 效地减小彗差。 k 3 K′=- ∑luni(i-i′)(i′-u) (5) T 2n′u′1 z k k [6] 由子午彗差分布公式(5)可知 ,当入射角减 小彗差随之减小。三片式中的第一片透镜曲率较 图4成像光斑 Fig4Lightspots 大,使光线入射角减小,同时相邻透镜间曲率相差不 530 激 光 与 红 外 第46卷 其中可以看到六个视场的光斑,光板尺寸均 将 ZEMAX的包围圆能量曲线的坐标导出到 满足探测器光敏面一半的要求,而且光斑的形状 TXT文件中,再导入 MATLAB软件中进行拟合,将 都为圆形。在点列图中centroid和 chiefray两种 三个视场的曲线重新画出。由于MATLAB拟合曲 情况下对比光斑中心位置,发现边缘视场变化最 线时会对曲线归一化,因此将包围圆半径增加到 大为 =008mm。光学系统 的实际焦距为 3600 m,根据公式(7)进行归一化计算得到:E= Δ μ -8 2 216mm,由式子 = /f′,算出角度误差 = 7716×10 ×r,将此式写入软件中得到了能量分 Δθ Δ Δθ 37mrad,显然满足系统的测角精度要求,说明光 部均匀的曲线所示。 斑圆整度较好。 在图7中,x轴为光斑半径,y轴为能量百分比。 图5为光斑痕迹图,显示了0°、5656°、8°三 从图中能够看出,三视场的能量分布曲线非常接近, 个视场的光斑在探测器靶面上的位置,同时显示 而且都与抛物线近似,虽然与理想曲线有些微的差 出光斑的口径。从图中可以看出视场为8°时,光 距,但系统光斑的能量分布与理想情况较为符合,能 斑边缘与探测器边缘接近,覆盖四个象限但未超 量分布均匀性达到了系统要求。 出光敏面。 图5光斑痕迹图 Fig5Thetraceoflightspots 对于光斑能量的分布可以由包围圆能量分布曲 图7拟合包围能量曲线与均匀分布对比结果 线来分析,它描述了光斑能量随着半径的分布情况。 Fig7Theresultofcontrastbetweenthefitted 假设光斑内能量分布是均匀的,设其内能量密度为 encircledenergycurveandtheidealcurve k,则光斑能量为: 4结论 2 E=k× ×r (7) π 本文根据激光半主动制导导引头的工作原理, 当能量分布绝对均匀时,k为常数,显然,光斑 分析了导引头系统的指标要求,完成了对光学接收 能量分布与半径为抛物线关系。所以当包围圆能量 系统的设计。对四象限探测器的工作原理进行了分 曲线越平滑而且越接近抛物线,就说明光斑的能量 析,然后根据能量关系和探测系统的信噪比对接收 分布越均匀,图6显示了三个视场0°、5656°、8°包 功率进行计算,估算出了接收系统入瞳的最小尺寸。 围圆能量分布的曲线。 并通过使用 MATLAB对包围圆能量曲线进行拟合 以及对理想能量曲线的归一化计算和拟合,将两组 曲线进行对比,得出了光斑能量分布均匀的结论。 最终得到的导引头接收系统,满足光学参数指标,光 斑的大小、圆整度和能量分布均满足要求。 参考文献: [1]TANQianli.Theapplicationofquadrantphotodetector moduleonlaserguidancetechnology[J].Semiconductor 图6设计结果的包围圆能量曲线 Optoelectronics,2005,26(2):155-157.(inChinese) Fig6Theencircledenergycurveofthedesigningresult 谭千里.四象限探测器组件在激光制导技术中的应用 激 光 与 红 外No.52016刘智颖等激光半主动导引头光学系统设计 531 [J].半导体光电,2005,26(2):155-157. 南理工学院学报:自然科学版,2007,20(1):50-53. 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