近距离激光武器光学系统特性分析

刘 琳,李 林

(1.北京理工大学,北京 100081;2.华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

2 利用椭球镜的光学系统

近距离激光武器系统的光学系统设计指标如表1所示。

表1 光学系统设计指标

根据系统的工作距离,需要在近距离具有最强的激光能量集中度。为了提高系统在设计工作距离的光斑能量集中度,设计应从光学结构形式上对发射系统进行优化。分析采用主镜为椭球镜,次镜为抛物面镜的光学结构。激光先经抛物面次镜反射,在焦点处形成完善像点,再入射至椭球面主镜,以近似平行光出射,对1.5 km的目标精确聚焦。这种结构形式,理论上能在近距离目标处很好地聚焦,从而提高在这些距离下,系统的毁伤能力,最大限度地发挥了高能激光的毁伤能力。

光学系统结构原理参照图1,椭球面反射镜有一对共轭几何焦点F1和F2,由F2发出的光线将严格会聚于F1,没有像差[2]。非球面的方程为:

参照图2,抛物面反射镜有一对共轭几何焦点F1′和无穷远,由无穷远发出的光线将严格会聚于F1′,没有像差。非球面的方程为

基于3.2节得到的SAD项目加权知识超网络模型，应用本文提出的稳定性研究方法对SAD项目CPIKN的稳定性进行测度与分析。

图1 椭球反射镜成像原理

图2 抛物面反射镜成像原理

由椭球面和抛物面的设计得到,抛物面的焦点F1′(-247,0)与椭球面的焦点F2(-247,0)重合。由椭球面反射镜作为主镜,抛物面反射镜作为次镜,组成反射式激光扩束系统的参数如表2所示,光学系统如图3所示。

表2 系统成像参数

图3 光学系统原理图

3 聚焦和成像特性分析

激光束束腰半径为:

其中,λ为光束波长；b为不同结构共振腔的激光共焦参数。

高斯光束经过扩束器后,束腰位置为:

其中,l′为激光光束的传输距离[3]。

根据扩束光学系统和激光器的参数,分别计算系统在激光器出射端、0.5 km、1 km、1.5 km、2 km和3 km处的激光光斑情况。由仿真的数据可以得到椭球面主镜在不同距离处的光斑尺寸,如表3所示。

表3 椭球面主镜在不同距离处的光斑尺寸

比较同样指标的抛物面主镜在不同距离处的光斑尺寸如表4所示。

表4 抛物面主镜在不同距离处的光斑尺寸

进一步比较抛物面主镜和椭球面主镜在不同距离处的光斑仿真情况。

主镜为椭球的结构,对应的光斑仿真如图4所示。

图4 椭球主镜结构在不同距离处 相同比例尺下光斑的仿真图

光斑功率密度分布曲线如图5所示。

图5 在不同距离处激光光斑功率密度分布曲线

主镜为抛物面的结构,对应的光斑仿真如图6所示。

图6 抛物面主镜结构在不同距离处相同比例下光斑仿真图

光斑功率密度分布曲线如图7所示。

图7 在不同距离处激光光斑功率密度分布曲线

4 外场实验

系统在外场实验中,对同样条件下典型工作距离的激光光斑到靶功率和光斑大小进行测量,测量值和到靶功率密度计算结果如表5和表6所示。测试使用的激光发射功率为10 kW,大气能见度6 km,大气湍流较弱[4]。

表5 椭球面系统不同距离激光光斑的到靶功率密度和光斑大小

表6 抛物面系统不同距离激光光斑的到靶功率密度和光斑大小

对比表5和表6的数据可以看到,抛物面主镜系统,随着距离的增加,到靶功率减少很多,光斑的尺寸也增加较多,功率密度下降接近一半；而椭球面主镜系统在1.5 km处达到最大的到靶功率和最小的光斑尺寸,且与抛物面主镜系统相比较,同样的作用距离,到靶功率密度均有提高,最高达到原系统的4倍。说明在其他条件相同的情况下,椭球面主镜的系统比抛物面主镜的系统具有更小的到靶光斑尺寸和更高的到靶光斑功率密度,能够最大限度地发挥系统的打击性能。

5 结 论

通过比较,椭球面主镜的结构在目标距离为500 m～3 km时,比抛物面主镜的结构具有更小的衍射光斑和更高的能量集中度[5]。因此,利用椭球镜的强激光光学发射系统,在近距离毁伤应用中,可以最大限度的发挥高能激光的优势。

[1] LIU Xiaoming,HE Xuhong,ZHANG Yilin.Study of laser weapon and anti-laser technology of missile[J].Tactical Missile Technology,2014,4:1-4.(in Chinese)

刘晓明,何煦虹,张翼.激光武器及导弹抗激光技术研究[J].战术导弹技术,2014,4:1-4.

[2] LI Fanying, XIONG Zhenkai,CAI Jie.Analysis of tracking & pointing requirement and the factors for laser weapon[J].Techniques of Automation & Applications,2014,33(1):63-66.(in Chinese)

李凡营,熊珍凯,蔡杰.激光武器跟瞄精度及其成因分析[J].自动化技术与应用,2014,33(1):63-66.

[3] ZHANG Yimo.Applied optics[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry Press,2008.(in Chinese)

张以谟.应用光学[M].北京：电子工业出版社,2008.

[4] LI Yanjie,JIN Guang,ZHONG Xing,et al.Design and analysis of using imaging optical system as lasertransmittingantenna[J].Infrared and Laser Engineering,2015,44(11):3373-3376.(in Chinese)

李艳杰,金光,钟兴,等.将成像光学系统用于激光发射的设计与分析[J].红外与激光工程,2015,44(11):3373-3376.

[5] Peiper Yan, Wenji She,Hengjin Zhang.Optimal design of the laser communication optical system[C].OSA Technical Digest,2013:ASa3A.45.