共形整流罩技术研究

李庆波，张 健

(哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150001)

1 引言

红外制导导弹由于其精确打击能力，在现代军事战争中被普遍使用，拥有更高机动性导弹的一方势必获得明显的优势，传统的红外制导导弹，位于其前方的整流罩被设计为半球形［1］，在飞行过程中整流罩承受导弹大部分的空气阻力，并且参与红外系统成像，因为其球对称的特点，在每个扫描视场中产生的像差十分接近，容易得到校正，但是这种球形设计对导弹机动性能的提高并没有帮助。共形光学是指首先考虑空气动力学性能，其次考虑光学成像性能的技术［2］，共形光学技术的应用将使导弹在速度、射程、机动性和隐身性方面得到大幅度的提升。但是由于共形整流罩自身非球对称的特点，也使其在光学系统设计和加工检测方面面临更高的挑战，所以近年来国内外越来越多的研究机构参与其中，推动该项技术不断发展。图1为装有共形整流罩的导弹与传统导弹的对比图。

图1 共形整流罩与传统整流罩对比图

2 共形光学的发展与最新进展

国外在共形光学研究最早始于20世纪70年代，但由于当时得不到相关的技术支持，所以进展缓慢，直到1996由美国国防部高级研究计划局(DARPA)开始支持相关大学和科研机构对共形光学的特点和应用前景进行初步研究，并作出了可行性分析，1998年DARPA又联合美国导弹研究与发展中心共同启动了“精密共形光学技术”(PCOT)研究项目［3］，2001年该项目组成功研制出长径比为1．5的共形整流罩，并由Raytheon公司将该整流罩应用于“响尾蛇”导弹上，实验结果表明，导弹所受的空气阻力减小了25%，射程增加了一倍。图2为共形光学探测器首次对F－16轰炸机起飞时探测到的红外图像。从以上成果及近年来的相关报道可见，国外在共形光学方面的理论研究相当成熟，正由样机设计阶段向军事应用阶段过度，欧美一些国家现阶段在技术研发方面将更大的精力投入到了整流罩制造与检测工艺的研究，以及加工与检测设备的制造，试图在整流罩制造工艺方面获得更大的突破。

图2 共形光学探测器首次对F－16轰炸机起飞时探测到的红外图像

由于意识到共形光学技术给相关军事领域带来的巨大影响，我国在该研究领域的投入也在不断增加，国内对于共形光学方面的研究在近年来也有了迅速的发展，与国外的差距也在不断地缩小。我国在共形光学方面的研究单位主要有中国科学院长春光机所、航天三院8358所、中国空空导弹研究院以及中国兵器工业第209所等。近年来我国在共形光学理论研究方面逐步走向成熟，很多新的设计方案被不断提出，例如中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的孙金霞提出了后置校正板校正立轴像差，何伍斌等人设计的变焦距共形红外光学系统［4］，以及在加工检测方面，国防科技大学建立了用于共形红外头罩性能检测的测试实验平台。最近中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等多家大型科研机构先后开展了对共形整流罩的气动仿真分析以及风洞试验，这意味着我国在共形光学领域已经开始由理论研究向样机制造阶段过渡，相信不用很长时间，我国的首个共形导引头就会研制成功。

3 像差校正技术

整流罩的一个重要参数是它的长径比，是指整流罩后端直径与长度的比值，长径比越大，导弹在飞行过程中受到的空气阻力就越小，但是成像系统所引入的像差也越难得到校正，所以设计过程中要平衡空气动力学与光学设计两个方面的因素，选择适当的长径比，现阶段设计中长径比的一般选择在1～1．7之间，由于整流罩的非球对称性，成像系统在对整流罩进行扫描时，会产生随着视场变化而不断变化的像差，其中主要包括球差、像散和彗差，所以对整流罩像差的校正是共形光学研究中最主要的方面。目前比较成熟的像差校正技术有以下几个。

3．1 整流罩自身校正

在满足设计要求的前提下，可以将整流罩内表面设计为特殊面形，或者将整流罩设计为合理的非等厚形状，从而将不同扫描视场的像差校正到一定范围内，以便后续设计对相差做进一步校正，这种方案是利用整流罩自身设计的特点来平和整流罩像差，可以充分发挥整流罩自身的校正能力，不仅可以减少设计空间与重量，而且对像差的校正能力也好于头罩后方的校正系统，不过这种设计的瓶颈在于整流罩的加工与检测技术，加工精度越高，像差校正的效果越明显。

3．2 固定校正器

固定校正器是在整流罩后方放置一个旋转对称的固定的校正透镜，透镜选择特殊面型，用来补偿整流罩在各个视场的像差，这种设计将整流罩不同视场的像差补偿到相接近的范围内，并需要后方的校正系统配合进一步校正，为了将像差校正到足够小的范围，经常采用两块或多块固定校正镜片，通过调整镜片的距离，选择不同的材料与面形来达到最佳效果。这种设计方案实现简单，但是会增加这题设计的体积和重量。现有设计中Wassermann－wolf曲线拟合方法［5］被更多地使用，它是通过对Wassermann－wolf方程组求解，通过拟合得到两个满足正弦条件的非球面，从而达到同时消除传统彗差和像散的效果，这种设计得到的面型为加工与检测带来了非常大的困难，现在的技术还无法实现。图3为安装有固定校正器的整流罩示意图。

图3 安装有固定校正器的整流罩示意图

3．3 拱形校正器

拱形校正器［6］和固定校正器一样属于固定校正技术，它是一种条状校正器，与万向支架相连，通过转动来实现对全视场的像差校正，这种校正器可以看成是固定校正器的一部分，通过旋转来达到对全视场像差补偿的效果，这种方案相比固定校正器减轻了设计的总体重量，但是需要与万向支架固定，所以不能像固定校正器那样采用多片组合设计。图4为安装有拱形校正器的整流罩示意图。

图4 安装有拱形校正器的整流罩示意图

3．4 轴向移动柱面镜

整流罩由于子午和弧矢方向光焦度的差别而产生像散。柱面元件可以提供单方向的光焦度补偿，平衡系统像散，这种设计是利用母线垂直的两个柱面元件，通过轴向平移改变元件间距离，可以校正随视场变化产生的的像差。两块柱面镜的另一表面设计为球面或者特殊面型，来配合消除像差［7］。这种设计属于动态校正技术，对于机械控制要求较高。图5为轴向移动柱面镜设计示意图。

图5 轴向移动柱面镜设计示意图

3．5 反向旋转位相板

反向旋转相位板［8］结构是如图6的两块平行放置的雷斯莱棱镜，通过反向旋转完成对整流罩全视场的扫面，视场角最大可达30°。由于这种结构本身并没有减小像差的能力，反而引入更多的像差，所以需要将两块雷斯莱棱镜内表面设计为特殊表面，使系统整体达到减小像差的目的。由于像差校正度不足，这种结构还应与其他校正技术配合使用。图7为反向旋转位相板结构对共形整流罩视场扫描图。

图6 反向旋转位相板机构图

图7 反向旋转位相板结构对共形整流罩视场扫描图

3．6 可变形反射镜

可变形反射镜是一种由电子信号控制面形变化的反射镜，在卡塞格林成像系统的第二块反射镜用可变形反射镜代替，如图8所示，通过微电子电路的控制来改变可变形反射镜的面型，从而校正扫描视场的像差。这种方案可以和自适应光学技术相结合，系统根据对像面的像质的分析，按照系统中已编写迭代算法，自动调节可变形反射镜面型，直到像质达到最佳，从而达到自动实时校正系统像差的目的［9］。这种方案结构简单，大大减小了设计的重量和体积，但是像差校正度和视场扫面的速度都依赖于可变形反射镜的性能参数，而且设计中对于电子控制设计要求较高。随着可变形反射镜性能参数的不断提高，这种方案具有更好的发展前景。

图8 可变形反射镜结构设计示意图

4 共形整流罩加工与检测技术

由于整流罩是成像系统中的一部分，所以对其加工精度要求较高，并且共形整流罩的形状不同于传统球形整流罩，属于高陡度非球面，各点曲率半径不断变化，所以为整流罩的加工与检测提出了新的挑战，现有的整流罩加工技术主要有单点金刚石车削、确定性研磨、磁流变抛光、射流抛光和化学气相沉积法［10－11］。其中单点精钢石车削是最早应用于共形光学原件加工，对其研究也最深入，世界第一个共形导引头由PCOT于1999年研制成功，其外表面加工就是采用这种方法。确定性微磨利用超精密磨床和特殊砂轮进行超薄磨削，由于受砂轮大小的限制，所以只应用于大曲率半径的凸面加工。单点精钢石车削和确定性微磨对加工设备的精度要求非常高，需要高精密的机床对工件进行加工。磁流变抛光和射流抛光都是新的抛光技术，抛光效率是传统抛光技术的几十倍，但抛光的适应性、稳定性和可控性及面形修正能力还需要进一步完善。化学气相沉积法适用于容易发生化学反应的晶体材料，可以产生致密、无空隙、高纯度的多晶体材料，由于进行的是原子级加工，所以可以达到很高的精度。在实际加工中，根据具体要求合理的采用各种加工技术，对整流罩的不同部位进行加工，形成成熟的加工工艺，制造出高可靠性的机床，实现整流罩的量产化将成为共形加工的发展方向。

整流罩的检测技术主要有三坐标测量方法(轮廓仪法)、红外干涉子孔径测量、红外零镜(Null optics)全口径测量、Shack－Hartmann波前测量法等［11］。其中子孔径测量由于不需要高精度的补偿镜，所以受到更多地关注，基本思想是通过干涉仪对共形头罩的不同区域进行测量，然后通过拼接算法将重叠部分进行拼接，重构全孔径面型误差。在加工时需要将单一表面误差数据进行融合处理，得到去除函数，继而获得被加工表面的去除量，通过数控抛光机器进行抛光。

5 结论

目前我国在共形光学技术方面的工作还处于理论研究阶段，随着各科研机构对该领域的理论研究不断成熟，一些关键技术会相继得到突破，共形整流罩势必替代我国导弹现有的球形整流罩，使红外制导导弹气动性能获得大幅提高。

［1］ LIU Ke，CHEN Baoguo，LI Lijuan．Development tendance and key technology of IR seeker for air－ti－air missile［J］．Laser＆ Infrared，2011，41(10):1117 － 1121．(in Chinese)刘珂，陈宝国，李丽娟．空空导弹红外导引头技术发展趋势及关键技术［J］．激光与红外，2011，41(10):1117－1121．

［2］ Mills JP．Conformal optics:theory and practice［C］．SPIE，2001，4442:101 －107．

［3］ Shannon R R．Overview of conformal optics［J］．SPIE，1999，3705:180 －188．

［4］ HEWubin，PENG Qingqing，LUO Shoujun．Research on conformal optical zoom system［J］．Laser ＆ Infrared，2012，42(8):914 －916．(in Chinese)何伍斌，彭晴晴，骆守俊．变焦距共形红外光学系统的设计研究［J］．激光与红外，2012，42(8):914 －916．

［5］ LIDongxi，LU Zhenwu，SUN Qiang，et al．Research on conformal optical system design usingWassermann－Wolf principle［J］．Acta Photonica Sinica，2008，337(4):776 －779．(in Chinese)李东熙，卢振武，孙强，等．利用Wassermann－Wolf原理设计共形光学系统［J］．光子学报，2008，337(4):776－779．

［6］ ScottW Sparrold．Arch corrector for conformal optical systems［C］．SPIE，1999，3705:189 －200．

［7］ Michael RWhalen．Correcting variable third order astigmatism introduced by conformal aspheric surfaces［C］．SPIE，1999，3482:62 －73．

［8］ ScottW Sparrold，James P Mills，David J Knapp，et al．Conformal dome correction with counterrotating phase plates［J］．Optical Engineering，2000，39(7):1822－1829．

［9］ LIYan，LILin，Huang Yifan，et al．Correcting dynamic residual aberrations of conformal optical systems using AO technology［J］．Chinese Physics B，2009，18(07):2769 －2773．

［10］ Patrick A Trotta．Precision conformal optics technology program［C］．SPIE 2001，4375:96 －107．

［11］ ZHANG Xuecheng，XU Rong，LIU Li．Application of conformal optics on seeker［J］．Ordnance Industry Automation，2010，29(4):30 －37．(in Chinese)张学成，徐榕，刘莉．保形光学在导引头中的应用［J］．兵工自动化，2010，29(4):30 －37．