鱼雷激光引信发射与接收光学系统设计∗

朱志巍 顾宏灿 王 鹏

（海军工程大学兵器工程学院 武汉 430033）

1 引言

作为一种新型近炸引信，激光引信在精确定距、抗电磁干扰及目标识别方面具有独特的优势。目前，周视激光引信系统在导弹上已得到广泛应用，其中较有代表性的如法国便携式西北风导弹、美国响尾蛇导弹等［1］。鱼雷作为现代海战的主战武器之一，在战争中所发挥的作用也不可忽视。而现如今鱼雷引信多以声引信、磁引信为主［2］，激光引信在鱼雷上的应用仍处于科研阶段，因此对激光引信在鱼雷上应用的研究意义重大。

大探测场激光引信系统有四种常见的光束布局方案：多辐射方案、分区方案、区域扫描方案、同步扫描方案［3］。目前基于鱼雷应用的激光引信中，南京理工大学采用同步扫描方案，采用扫描折转机构折转光束并带动光束旋转［4］，实现绕雷轴全周向动态探测，其不可避免的问题就是体积大结构复杂，难以与雷体结合，且自带的折转机构由于自身转动会影响雷体稳定性。而与其他方案相比，分区方案结构简单，可探测的目标尺寸小，不需要采取机械方式实现周视探测，更有利于雷体的稳定性。因此，结合现有的研究条件，我们认为选择分区方案是更合适的鱼雷激光引信布局方案。

在本文中，将以鱼雷为应用背景，设计一种基于分区方案的鱼雷激光引信发射和接收光学系统。

2 发射光学系统设计

因在水下光学窗口为450nm～580nm［5］，水下激光引信发射系统的激光光源选用532nm波段的脉冲激光。又由于海水信道相较空气信道对光束会产生强烈的衰减［6］，因此，本文在设计中使用高功率的脉冲绿激光器。所选用激光器参数如表1所示。

表1 激光器参数

采用分区方案，圆周视场被分为6个分区，每一分区内采用55°×1°的线状光束实现覆盖发射，且光束发射方向与雷体子午轴面成60°夹角［7］。因此本发射光学系统设计目标是子午方向θ∥≤1°，弧矢方向θ⊥≤ 55°。

结合设计目标要求与所选激光器发散角参数，有1.5mrad=0.0859°＜1°，方向性较好，因此，在进行设计过程中主要对弧氏方向发散角进行扩束处理。

如图1，西安电子科技大学在设计激光引信光学系统中指出，采用先扩束后压缩方式来改变激光束的两个束散角，使激光束成为一个能量集中的窄带状光束［8］。

表2 Object 1 source gaussian

表3 Object 2、3 Toroidal Lens

表4 Object 4 Detector Ret

其原理为激光器出光光束通过第一块凹柱面透镜后，由于凹面镜的发散作用，光斑在弧氏方向被拉长，而凹柱面镜对子午方向上的光束起平行玻璃板的作用，其光束不发生角度变化。当光束通过第二块凸柱面透镜时，第二块凸柱面透镜对激光器弧矢方向的光束起平行玻璃板的作用，而由于凸面镜的会聚作用，光斑在子午方向被会聚，使光束近似平行出射。同时要求激光器发射结需要放置在凹柱面镜系统的弧氏焦距上。

由于在本设计中，所选用的激光器出光质量较好，不需要对光束子午方向进行准直，只需要对弧氏方向进行扩束设计，因此光学系统中可以只选用凹柱面透镜进行设计优化即可。

利用上述设计思路，采用凹柱面透镜系统改善光束，通过ZEMAX软件非序列模式对透镜进行优化设计［9］，各元件参数如表2、3、4所示。

其扩束效果如图2所示。

经计算弧氏方向角度为55°，可以得出结论，本文所选用的激光器经次光学系统的整形后能得到本系统所需要的线状光源，满足设计要求。

3 接收光学系统设计

激光引信接收系统作用［10］是对准发射光束并接收尽可能多的目标信息光能，将线状光束探测到目标后的反射光进行会聚，进入光电探测器进行后续信号处理，十分类似于接收目标回波的激光雷达接收天线。

常见的接收系统有反射式和透射式两种［11］。如图3所示，透射式接收光学系统结构简单、体积小、质量轻、对成像质量要求不高。结合实际应用，由于激光引信需要安装在鱼雷雷体上，体积限制使得接收光学系统无法使用复杂的光学系统结构。因此可使用透射式光学系统来实现光线接收会聚。

为了提高探测系统的性能，除了提高发射系统激光器功率外，提高对目标回波的接收灵敏度也是一条重要途径。雪崩光电探测器具有功耗低，体积小，灵敏度高，响应度高、响应时间快、可靠性好等优点［12］，本文可采用雪崩光电探测器作为接收探测器进行方案设计。

在探测接收系统中，所选用的Si-APD探测器参数如表5：

表5 Si-APD探测器参数

接收光学系统设计目标为视场角55°，波长532nm，接收光敏面直径1.5mm。

有上述分析可知，所要设计的光学系统为大视场透射式系统，视场角为55°。光线经光学系统会聚后进入探测器光敏面（Ф=1.5mm）即可，对成像质量要求不高，不需要考虑像差因素。

结合上述设计思路，借鉴无焦透镜的原理，利用孔径光阑，加入窄带干涉滤光镜，通过ZEMAX软件对透镜进行优化设计，各透镜参数如表6，透镜外形如图4。

表6 接收系统透镜参数

IMA Standard Infinity - - 0.712255

弥散斑如图5，分析像面成像结果可知，像面半径为0.712mm，视场角为55°时像高为0.465mm，而光敏面直径为1.5mm，所以成像已进入光敏面，符合设计要求。

4 结语

本文提出了一种应用于鱼雷雷体上的激光引信布局设计方案，并对激光引信的发射光学系统和接收光学系统进行设计。设计原则是结构简单，方便后续加工制作和安装实验。

结合半导体激光器光束整形的经验，利用凹柱面透镜，在ZEMAX非序列模式中设计了基于532nm固体激光器的光束整形，将高斯光束整形为线状光束，子午方向发散角＜1°，弧氏方向发散角为55°。且前后两块凹柱面透镜材料、曲率半径、厚度等各项参数均相同，方便加工制作，在进行实验调试时仅需调整两块凹柱面透镜的位置即可改变光束发散角。

结合激光雷达接收系统的设计经验，采用透射式接收光学系统，借鉴无焦透镜的原理，加入窄带干涉滤光镜，利用ZEMAX软件设计了大视场角的透射式光学系统，系统中窄带干涉滤光镜作用是只允许532nm激光通过，无焦透镜则主要用于对不同视场角的光线进行会聚，将光线会聚到直径为1.5mm的雪崩探测器光敏面上。