毫米波/激光/红外共口径复合光学系统设计*

钱坤,刘家国,李婷，李军伟，田文明

(光学辐射重点实验室，北京 100854)

0 引言

在现代战争中，精确制导武器使用的比例日益加大，导引头作为精确制导武器的“眼睛”，起到至关重要的作用，提高精确制导武器的效能，根本就在于提高其导引头的性能。随着技术的发展，单一模式制导的导引头已不能满足复杂战场中精确制导的要求，而复合制导把2种或2种以上的制导方式复合在一起，发挥2种或几种制导方式的优点，有效对抗战场环境上的各种干扰，提高制导精度，是未来技术发展的趋势。毫米波制导方式穿透烟雾、沙尘能力强，但易受干扰；而红外制导方式对毫米波干扰不敏感，但云雾烟尘对红外有较强的吸收与衰减，使红外作用距离有所减小；激光制导是目前制导武器中精度较高的武器，但需要人在回路，且抗干扰及云雾烟尘能力不强[1-3]。因此将上述3种制导方式结合起来，形成复合制导，能够克服某种单一制导方式的不足，适应复杂的战场电磁环境和作战方式，提高武器系统的制导精度。

本文提出一种毫米波/半主动激光/红外成像共口径三模复合光学系统设计，能够解决3种制导方式的共口径复合，最大限度利用光学口径，增大作用距离。

1 复合光学系统总体布局

复合光学系统的总体布局要根据选择的导引模式以及总体结构尺寸，还要利于3种模式的复合，选择合适的布局结构，既能够实现不同的导引模式还要使得结构紧凑满足总体尺寸要求[4]。文献[4]中提出了一种毫米波、半主动激光、长波红外成像3种制导方式“共口径”的复合设计，但是这种“共口径”方式只是毫米波和红外共用主镜全部口径，半主动激光通道只利用了主镜边缘反射的激光能量，这种方式降低了设计及装调难度，但3种制导方式的观察基准仍保持一致，因此这种设计方式不失为一种较好的三模复合光学系统实现方式。但是这种激光只利用主镜边缘口径的设计还是会带来半激光制导通道口径利用率低，影响此通道的作用距离；并且头罩后方、次镜前方需要布置激光反射镜及激光探测器，对压缩光路纵向总长不利，力矩较长，给伺服稳定系统设计带来难度。

针对文献[4]的设计不足，本文提出一种完全共口径的三模复合光学系统，设计思路如下：为最大限度利用口径且能够分离3种不同制导方式的能量，总体上采用抛物面天线-卡塞格伦光学系统复合的结构方式，主镜收集入射的3种能量，次镜上镀介质反射膜，能够反射红外能量而使激光和毫米波能量几乎无损透过，达到分离红外能量和激光、毫米波能量目的。考虑分离激光与毫米波能量，由于整体光学布局采用共用主反射镜，经过主次镜后两路能量则会汇聚在光轴上，焦点呈前后分布。若将激光探测器放置在激光光路焦点位置，则必然会对前方毫米波的收发造成遮挡，影响毫米波探测通道性能，如下图1所示，因此需要对激光探测器位置布局进行改变。

图1 激光探测器对毫米波传输路径遮挡示意图Fig.1 Laser detection blocking the MMW transmission path

分析半主动激光探测原理，是光学系统将入射激光能量会聚成一定大小的点光斑入射到激光四象限探测器上，根据每个象限元件接收到的能量大小进行和差运算来确定目标相对光轴偏差。基于这一原理，考虑将常规的整体式激光四象限探测器分成4个分离器件，每个器件就是一个象限元件；再采用特殊的光学设计，引入4个直角反射光波导，将激光点光斑分成4份分别导入到位于光轴中心边缘依次相距90°的4个分离的象限元件上，如下图2所示。

图2 激光探测光学系统总体布局图Fig.2 Laser detection optical system layout

直角反射光波导采用合适的材料及镀膜，对毫米波具有高透过率，对毫米波探测通道的性能影响小。毫米波经主镜反射，透过次镜、激光镜片、光波导后聚焦于位于光波导前方的毫米波馈源上，馈源通过微波波导与主镜后方电子舱中的毫米波收发器件连接。

采用上述抛物面天线-卡塞格伦光学系统复合的结构方式的优点是结构紧凑，易于实现，且次反射镜尺寸较小，经特殊设计后，其加工及镀膜工艺相对容易实现[5]。

2 光学系统设计

综合总体指标进行分析，确定光学系统的具体指标如表1所示。

表1 复合光学系统主要技术参数Table 1 Main performances of optical system

根据上述表1指标开展光学系统详细设计。三模共用主反射镜，面型为抛物面，红外探测光学系统视场角要求为6.4°×4.8°，对于折反式光学系统来说较大，轴外像差校正困难。为了到达要求的成像质量，提高设计自由度，增加二次成像镜组[6]，通过二次成像单元提高设计自由度。同时，次镜和红外光路的二次成像系统均采用高次非球面，增加校正像差的变量，从而实现全视场像质良好。激光探测通道属于能量探测光学系统，像差控制主要目的是保证聚焦光斑内能量分布均匀，因此需要校正彗差、像散、场曲和畸变4种轴外像差[7-9]。球差只影响光斑的大小而不影响其分布对称性，控制在一定范围即可。

整个光学系统设计的难点在于激光与毫米波能量的分离以及如何将激光光斑分成4份分别导入到各自的单元象限探测器上，同时保证毫米波探测性能所受影响较小。首先是次镜、激光镜片及直角反射光波导材料的选择，要保证材料对1.064 μm激光和毫米波同时具有高透过率，经反复选择比较，采用硒化锌材料，其在1.064 μm波段具有高透过率的同时，在94 GHz中心频段内损耗角正切tan δ和介电常数ε较小[10]，对毫米波的吸收和反射小[11]，可以保证毫米波的高透过率。其次在激光光斑像面上均布4个直角反射光波导，每个直角反射光波导将激光光斑1/4的能量多次反射传导到位于光波导末端的激光单元象限探测器上，实现激光光斑四等分传导。为了补偿毫米波传输经过光波导在45°“劈尖”位置时产生的传输路径差，需要在此位置上再放置4个与之相补的直角棱镜，这样对于毫米波传输路径形成一个等厚的平板介质，不影响毫米波的焦点位置。激光及毫米波能量分离示意图如图3。

图3 激光和毫米波能量分离示意图Fig.3 Laser and millimeter wave separation schematic

根据上述指标及光学系统的设计思路，在光学系统设计软件CODE V中分别对半主动激光光学系统和红外光学系统经过多轮迭代优化设计得出光学系统结果。最后设计出的复合光学系统焦距97 mm，系统总长140 mm，中心遮拦比0.4，光学有效接收口径88 mm，光路中给毫米波馈源及微波波导留够了充足布置空间。光路图如下图4所示。

光路的三维模型如下图5所示。

图4 复合光学系统光路图Fig.4 compound optical system layout

图5 复合光学系统三维图Fig.5 3D model of compound optical system

3 设计结果分析评价

调制传递函数(MTF)是光学系统在特定空间频率下的强度调制对比度传递能力的度量，可以综合评价光学系统成像质量[12]。红外支路的MTF设计曲线如图6所示，从MTF曲线可见全视场成像质量接近衍射极限，满足设计要求。

图6 红外光学系统MTF曲线Fig.6 MTF curve of IR optical system

对于激光半主动探测光学系统来说，其性能评价主要是光斑的能量集中且分布均匀，还要确保光斑的圆度[13-15]。对上述要求可通过点列图、几何包围能量图来进行评价。点列图可以反映不同视场的光斑大小及能量分布，对分析光斑分布均匀性有一定指导意义。几何包围能量是像直径函数的能量百分比，包含100%能量的光斑直径。图7给出了0°,1°,1.5°,2°和2.5°视场的光斑点列图。图8给出各视场几何能量包围曲线。

图7 激光光学系统点列图Fig.7 Spot diagram of laser optical system

图8 激光光斑几何包围能量Fig.8 Geometric encircled energy of laser spot

从图7中可以看出，0°,1°,1.5°线性视场内光斑能量分布比较均匀，大小基本一致。从图8可见，0°,1°,1.5°线性视场光斑直径大小分别为3.99 mm,4.10 mm,4.15 mm，最大偏差量为4%，满足四象限探测对光斑尺寸的要求。

4 结束语

本文设计了一种共口径毫米波/半主动激光/红外成像三模复合光学系统，能最大限度利用光学口径，结构紧凑，3种模式融合度高、相互间干扰小，能有效提高作用距离，进而带来整体性能的提升。这种设计具有工程上较好的可实现性，可作为多模复合光学系统的设计参考。