空舰反辐射导弹激光引信光学系统及光束配置研究

孔德浩 路 明 苏益德

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.中国人民解放军92916部队 三亚 572000）

1 引言

空舰反辐射导弹（Anti-Radiation Missile，ARM）是针对在海战场环境下对舰载雷达目标进行打击，其打击效果主要取决于ARM上的引信战斗部系统。传统的ARM配备触发引信效果并不理想，于是为ARM增配探测距离远、测距精度高且抗电磁干扰能力强的激光引信［1］，可以使之在一定脱靶量的范围内仍能够对舰载雷达目标进行有效毁伤。

本文对ARM激光引信的激光器选择、探测系统等光学系统进行了研究，同时在建立激光引信对舰载雷达目标探测概率的数学模型下对激光引信的光束配置进行了分析。

2 激光引信组成及工作原理

激光引信随着激光技术和半导体技术的发展而迅速发展，其中脉冲激光引信因其瞬时功率高、回波信号明显等特点已广泛应用于各种炮弹、航弹、无人机、战术及战略导弹中，逐渐成为新一代先进导弹的重要标志之一［2］。本文就围绕脉冲激光引信展开研究讨论。

脉冲激光引信通常由激光器、激励电路、光电探测器、放大电路、预处理电路、信号处理电路、电源电路、执行电路、发射光学系统和接收光学系统组成，其组成框图如图1所示。

图1 脉冲激光引信组成框图

通过脉冲激光引信组成框图，可知其工作原理：激励电路产生脉冲电流，激励激光器产生脉冲，发射光学系统按照一定要求将光信号整形并发射出去，接收光学系统接收目标的反射光并将其汇聚到光电探测器上，光电探测器将光脉冲信号转换成电信号，放大电路把电信号放大，预处理电路和信号处理电路利用发射基准信号与回波信号进行距离探测和目标识别，然后输出启动指令。

3 光学系统设计

3.1 发射和接收光学系统

发射光学系统把激光器发出的激光按眼球整形成合适的发射视场，形成单个支路或360°视场进行探测。发射光学系统形成所需探测视场的激光波束，对于单通道小视场的激光引信，通常采用非球面透镜或透镜组合对发射激光进行整形；对于360°视场的激光引信，则常采用线列发光面或圆形发光面，通过透镜组合或衍射光学元件整形成扇形或锥形发射视场。接收光学系统则要求与发射光学系统的视场匹配，其目的是尽量多地接收目标反射回来的激光信号并减少接收背景杂波噪声信号。

目前国内研究的激光引信光学系统设计中，通常要求接收系统视场在覆盖发射激光波束的基础上尽量小，从而保证有效接收面积较高的光学透过率［3］。本文研究的发射与接收光学系统采用同轴系统设计（如图2所示），此设计可满足上述缩小探测系统的体积和增大有效接收面积的要求。

3.2 激光器的选取

激光器可按产生激光的工作物质不同分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。半导体激光器因其结构简单、体积尺寸小、功耗低等优点多应用于导弹武器系统中［4］，因此本文的光学系统设计中选用半导体激光器。

图2 收发同轴光学系统示意图

目前，使用较广泛、技术较成熟的高功率脉冲半导体激光器主要产自德国的Laser Components公司与美国的PerkinElmer公司。其中Laser Components公司的905D3J08系列，采用InGaAs／GaAs材料，波长为905nm，发射功率可达210W以上，温度稳定性很好，常用在激光测距、模拟武器、激光雷达、医疗等方面［5］，其型号及光学参数如表1所示。

表1 905D3J08系列的器件及其光学参数

于是本文选用 LaserComponents的905D1S3J08X激光器，其波长为905nm，单个管芯功率约75W ，根据对目标探测的功率需求，每个激光发射处采取3个管芯组合发光，进而得到约200W～210W 的功率。

3.3 光束整形

根据上述激光器特性可知其垂直P-N结方向（也称快轴方向）和平行P-N结方向（也称慢轴方向）的发散角分别为 25°和13°［6～7］，然而此光束的形状参数并不直接适用于空舰ARM激光引信系统中。于是根据激光器的参数，并针对空舰ARM激光引信的需求以及保证后续的波束配置和能量密度，对激光束进行整形，将两个发散角分别调整为1°，使出射激光束呈圆锥形。

本文使用OSLO光学软件设计了一组透镜，该透镜由柱面镜组成，柱面镜的特点是只对单个方向的光束发散角进行改变，对与其垂直的另一个方向的光束不产生影响。这里只讨论快轴方向的光束（发散角为25°）整形，慢轴方向的光束整形与之同理。

根据前文905D1S3J08X激光器参数可知其快轴方向的光束光源截面高度为10μm，在软件中采用点光源进行代替并仿真分析。本次光束整形的目的是将快轴方向的发散角由25°压缩至1°，这要求光源与透镜的间距略小于焦距，同时使用折射率较大且成本不高的BK6与BK7玻璃，并采用正负透镜组合的方式。将光源的入射角设置为12.5°，即发散角为25°，通过反复调试与比对，最后采取前置负透镜，后置正透镜的结构，如图3所示。

图3 透镜组合结构图

在软件中将组合透镜及光路进行仿真，其结果如图4所示。

图4 透镜组合光路仿真图

由光线追迹（raytrace）可以得知，最后通过透镜组合得到的像面入射角为0.532°，从而实现了将光束发射角由25°压缩调整至1.064°。

4 探测概率及光束配置

空舰ARM激光引信对舰载雷达目标的探测概率与激光引信光束数量及光束间夹角密切相关。倘若在探测视场内具有的光束数量足够大，则光束之间夹角可视为零，此时可在探测视场内实现对目标的精确识别。然而实际情况中，考虑到成本、尺寸、功率等限制，只能达到有限光束的探测［8］。因此，对有限光束的数量及夹角进行设计配置以达到最大探测概率就显得尤为重要。

4.1 基本假设

为了便于后续探测概率模型的建立与分析，做出适当假设与简化［9］。

1）激光引信采用收发同轴的光学系统，其各发射、接收装置间的工作相互独立；

2）发射激光发散角在1°～2°内，呈锥形，在有效探测距离内将激光束视为一条直线；

3）多条发射激光束近似认为位于同一平面；4）ARM飞行过程中弹体稳定，滚转角为零；5）考虑到雷达天线相对于舰船体积较小，将舰载雷达所处舰岛视为打击目标。

4.2 探测概率模型的建立

以舰载雷达目标为研究对象，弹体攻角视为0，建立弹目交会示意图如图5所示。设目标雷达天线距舰船平面高度OC=H，A为ARM激光引信位置，探测前倾角为θ，弹体俯仰角为φ，导弹在制导平面Azy上的制导误差为(z ,y)。z,y相互独立 ，且，其中 CEP 为导弹的制导误差［10］。

图5 弹目交会示意图

由图中几何关系可知：

则有 A′C=(H cosφ+y ) sinθ 。于是在如图6所示的探测平面Az′y′内，目标所在舰岛的上表面中心坐标为C(z′, y′) ，根据上述分析可知：z′=z ，y′=(H cosφ+y ) sinθ。由正态分布线性变换不变性的特点，可以得到C(z′, y′) 在探测平面内各个点出现的探测概率密度为

图6 激光引信探测雷达目标区域示意图

4.3 光束配置优化

根据上述探测区域示意图，可设雷达目标在区域内宽度为b，其两端点坐标分别为C1(z′-0.5b,y′) ，C2(z′+0.5b,y′) ，且 A′C1，A′C2与A′M 的夹角为 β1和 β2。激光引信的探测概率可由探测平面 Az′y′内对 C(z′, y′) 的概率密度函数进行积分得到。由上图可知，当C(z′, y′) 可被激光引信探测到时，则最少存在一束光束 A′C，使得 A′C与 A′M 的夹角 α ，满足 β1≤α≤β2。

当光束数量n确定时，可将光束间的夹角按照一定步长离散开来进行计算，从而求得探测概率P最大时的光束夹角，即为光束配置的最优化。上述过程的数学表达如下：

5 仿真结果与分析

5.1 最大探测概率

设导弹制导误差CEP=8m，舰载雷达目标高度 h=3m～7m ，分别取弹体俯仰角φ=30°,45°,60°，探测前倾角 θ=30°,60°，对目标的最大探测概率进行仿真，结果如图7所示。

由图7可知，空舰ARM激光引信的最大探测概率随着目标高度的增加、弹体俯仰角的减小而逐渐增大，但与引信探测前倾角的变化无关。这是因为ARM在对目标雷达天线进行末端打击时，弹道近似为一条直线，此时弹体俯仰角（实际为进入角，二者相差一很小攻角，可近似）越小，雷达目标天线越高，导弹从目标上方掠过的可能性就越大，激光引信也就更容易探测到目标。

图7 最大探测概率与目标高度、弹体俯仰角及探测前倾角的关系图

5.2 光束优化配置

取弹体俯仰角φ=30°，探测前倾角θ=30°，目标假设为“Arleigh Burke”级导弹驱逐舰搭载的SPG-62火控雷达，其天线与所在舰岛上层建筑的尺寸为2.5m×2.5m×4.5m，天线为直径2m的圆形天线［11～12］，于是取 H=5m 。将光束夹角 αi根据式（3）取最优值时，可以得到激光引信光束配置情况与其对应的探测概率见表2所示（由于光束的对称性，仅列出αi＞0的部分）。

表2 激光引信光束配置情况及其探测概率

从表中的数据可以看出，探测概率随着光束数量的增加逐渐增大，随之而来的还有探测视场逐渐增大，光束间的夹角逐渐减小。然而随着光束数量的增加，探测概率的增量逐渐减小，最终将接近最大探测概率。

5.3 光束优化设计

从图7中可知探测概率不受激光引信探测前倾角的变化影响，根据这一特点本文提出一种前后双探测平面的光束优化设计，即将原本在同一探测平面（探测倾角θ=30°）的光束拆分成探测倾角不同的两个探测平面（探测倾角分别为θ1=30°，θ2=45°），如将7根光束拆分为4+3根光束，见图8所示。

图8 将单探测平面拆分成双探测平面示意图

则拆分后的双探测平面的探测概率为

其中P1，P2为拆分后两个探测平面内光束配置分别对应的探测概率。根据式（4）可以计算出拆分前后不同探测平面光束配置情况及探测概率见表3所示。

由表3可以看出在采用光束数量相等的情况下，拆分后的双探测平面探测概率高于拆分前的单探测平面，探测概率约提高0.06。这一设计通常以前探测平面为主探测平面，将探测概率大、光束配置多的探测平面为倾角较小的前探测平面，光束配置少的为倾角较大的后探测平面。除此之外，当两个探测平面都探测到目标时，激光引信可获得更多的目标信息，从而有助于提高后续的引战配合效率等，但同时要考虑到不同探测平面接收目标回波信号可能存在互相干扰的问题，本文并没有做出讨论与研究。

表3 不同探测平面光束配置情况及其探测概率

6 结语

根据空舰ARM对舰载雷达目标进行打击的需求，对增配的激光引信光学系统以及光束优化配置进行了研究。发射和接收光学系统采用收发同轴设计以简单高效地获取回波信号，发射激光器选取成熟的905D1S3J08X激光器，并采用组合透镜进行光束整形将两个激光发散角压缩至1°左右，以满足后续建模及探测要求。

通过对激光引信探测雷达目标概率的模型建立与仿真，结果得到导弹的俯仰角越小，雷达天线高度越高，引信探测概率越大且与导弹的探测倾角无关，同时得到光束配置情况与探测概率间的对应关系，即在确定光束数量时，可确定光束间最优夹角以获得最大探测概率。最后，提出了一种将单探测平面拆分为双探测平面的光束优化设计，使其在不改变光束总数的前提上提高探测概率0.06左右，为后续ARM激光引信研究提供借鉴意义。