激光／红外双模环形孔径导引头光学系统设计.docx

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1、激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计目录1 .导读12 .双模共光路环形孔径超薄成像系统的设计原理23 .激光/长波红外双模共光路环形孔径超薄成像系统的设计24 .激光/红外导引头国内外研究现状综述44.1.背景知识44.2.国内外研究现状44.2.1.国外研究现状44.2.2.国内研究现状74. 3.未来发展趋势95. 4.感想和建议96. 结论91 .导读信息化条件下的战争，使精确制导武器成为实施毁灭性打击的重要手段。精确制导武器的打击精度主要依赖导引头的制导技术。随着精确制导武器的对抗层次越来越多，对抗手段越来越复杂，在多变的现代战场环境中，单一模式的制导很难满足精确打击的需要，所以

2、多模复合制导光学系统得到了飞速发展。红外/激光双模复合制导技术是世界各国研究的重点，它能实现光电互补，从而克服各自的不足，又综合利用了二者的优点。红外成像系统主要用于探测场景，排除各种轻重诱饵的干扰，识别出欲拦截目标。激光雷达发射激光束照亮所选目标，反射回的激光会聚到探测器上以提取频谱幅度、相位等多种信息。将这两种传感器提供的多种信息经过信息融合处理可准确识别目标。近日，中国电子科技集团公司第二十七研究所谢亚峰团队在红外与激光工程发表“激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计”一文，文中介绍了该团队为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化，简化光学系统结构，设计了四次反射的双模共光路环形孔

3、径超薄成像系统，实现了仅有单一光学元件的长波红外7.79.5m和激光1.064m双模导引头成像系统。2 .双模共光路环形孔径超薄成像系统的设计原理环形孔径超薄成像系统仅由单块光学材料构成，超薄透镜的两个表面均为环带非球面反射面，在不同的环带反射区域有不同的面型。成像光束通过超薄透镜的外环通光口径进入光学系统，经过一系列同心圆环反射区域后进入位于透镜中心的探测器进行成像。激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的原理如图1所示，两个不同焦距的光学系统共用一个通光口径分别成像在各自的探测器上。图1中红色成像光束是激光成像波段，蓝色成像光束是长波红外波段。激光/长波红外双模成像系统的近轴折射式光路如图

4、1(a)所示，在其中引入多个反射镜对两个波段光路进行多次折叠，通过分光面分离长波红外和激光波段成像光路，可以显著减小系统的轴向尺寸，如图1(b)所示。(a)(b)图1激光/长波红外双模环形孔径超薄系统成像原理图3 双模近轴折射式结构；(b)双模近轴环形孔径反射式结构4 .激光/长波红外双模共光路环形孔径超薄成像系统的设计设计了应用于长波红外7.79.5m和激光1.064m的双模导引头成像系统，该系统的设计指标参数如表1所示。对于超薄成像系统的基底材料，不仅需要考虑两个波段的透过率，还要考虑材料的光学特性和加工特性。选择红外硫系玻璃IRG206作为双模环形孔径超薄成像系统的基底材料，这种材料可以

5、通过精密模压实现批量化加工。表1激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的设计指标1UIR1aserEffectivefoca11engthmm7053.8Effectiveentranceaperturemm53.853.8EffectiveFW1.31.0Wave1engthm7.7-9.51.064Fie1dofview(o)810Detectormm7.686.144101engthofs)stemmmPython5和A-Darter采用了双色红外成像制导技术。由于这一代导弹的空间分辨力和光谱分辨力较之前有很大的提高，可以利用能量、形状、轨迹、光谱等特征来区分目标和干扰。目前，国外的第四

6、代红外制导空空导弹逐步装备部队，其技术特点如下：4.2.1.1.美国AIM-9X导弹A1M-9X采用128X128元凝视睇化钿FPA导引头。探测器工作在35m波段，和机械斯特林制冷器、惯性组件一起安装在隔舱板的后面，固定在弹体上。光学系统则位于隔舱板前面的稳定平台上。导引头采用半捷联稳定平台技术，用安装在隔舱上的惯性组件来指示位标器框架系统，从而省去了速率陀螺。其极坐标式的两轴结构位标器能以8000/s的速率俯仰和以1600/s的速率滚转，实现90跟踪场。导引头最大直径127mm,其半球形蓝宝石整流罩的直径为76mm。AIM9X导引头布局的优点是位标器尺寸小，且省却了通往前端框架的气路。现阶段

7、装备部队的AIM-9X尚不具备发射后截获能力。目前正在研制的A1M-QXB1ockII将具备这一能力。它重新设计了导引头的制导舱和引信，在保证导弹外形不变的情况下，利用导弹内部腾出的5.08Cm空间，增加了与A1M-120导弹相同的单向数据链。4.2.1.2.英国的ASRAAM导弹ASRAAM采用休斯公司研制的128X128元凝视锦化锢FPA导引头。工作波段为35um.导引头采用JT制冷方式，探测器安装在两轴稳定平台上，实现90。跟踪场。惯性组件由DASA研制，安放在电子舱内。导引头信息处理软件由ADA语言编写，可以设定导弹攻击目标的部位。ASRAAM可以使用发射前锁定方式或发射后锁定方式发射

8、。导引头最大直径166mm,其半球形蓝宝石整流罩的直径约为80mm。目前，英国及印度的空军已经装备该型导弹。4.2.1.3.德国的IRIS-T导弹IRIS-T采用4x128睇化钢探测器阵列红外成像导引头，该导引头由迪尔BGT防务公司研制，最初采用的是多元64x1交错排列睇化钢探测器阵列。红外探测器工作波段在3-5微米间，导引头采用机械扫描红外阵列成像，具有正负90度视场。IRIS-T并没有像ASRAAM和AIM-9X那样采用凝视焦平面阵列，而是传统的机械扫描式阵列，前者的优点是导引头灵敏度高、导弹总瞬时视场很大、对于大机动性目标也不存在跟踪角速度问题，从而提高了格斗性能；应该说这种技术更加先进

9、，是未来发展方向，但凝视成像导引头在探测远距离目标时，目标像点落入探测元盲区时会造成目标图像不稳定，解决的方法是增大探测元密度，这势必造成导引头成本提高。而后者则可以减小激光干扰，降低对弧光灯的敏感度。另外，机械扫描阵列的成本低，覆盖面积大，热处理方便，具有相当好的动态探测范围，在导引头被蓝宝石制整流罩因受热产生热噪声干扰前，可以探测到红外信号更弱的目标。IRIS-T6的导引头具有全向能力和远距离捕获目标能力，捕获距离跟导弹的动力射程相匹配。据报道，IR1ST导引头比目前“响尾蛇”导弹的视场要大34倍。德国空军副部长评价IRIST的目标截获能力时说，配合“台风”战斗机的头盔显示系统，飞行员只需

10、要往后肩看一眼，发射后的导弹就可攻击目标，甚至是载机后面的目标。由于采用了大量具有毫弧度分辨率的探测元件，以及大规模并行和压缩处理技术，因此其能清楚地区分出目标、背景红外线辐射源和目标可能发射的任何曳光弹，具有极高的独立判断和抗干扰能力。再配合瑞典萨伯公司研制的新型弹上计算机，可达到惊人的跟踪率和智能图像处理效果。4.2.1.4.南非的A-Darter导弹A-DARTER导弹探测器为2X100元，采用线列扫描方式。双色探测器的响应波段是中短波。离轴角可达90。导引头最大直径166mm,其半球形蓝宝石整流罩的直径约为150mm。由于其选择了BAE系统公司的最新固体惯性测量单元(IMU)作为中程制

11、导组件，因此具备了获得发射后截获能力的潜力。4.2.1.5.法国M1CA-IR导弹该种导弹采用可互换使用的主动雷达和被动激光/红外导引头，因此进一步扩大了该导弹的战术使用范围。在近距格斗时，可以采用主动雷达型并在发射前锁定目标，也可以采用红外成像型在发射前或发射后锁定目标，从而获得发射后不管能力。在中距拦射时，采用主动雷达型，其制导体制为初段惯性制导、中段载机指令修正、末段主动雷达制导，与机载边跟踪/边扫描雷达配合，可以同时攻击68个目标。导引头采用蓝宝石整流罩，双色探测器，线列扫描方式。尚不知其响应波段和探测器元数。探测器采用斯特林制冷方式。导弹最大过载35g,弹尾端配有数据链，具备发射后截获能力。4.2.1.6.以色列的Python5导弹采用