激光／红外双模环形孔径导引头光学系统设计.docx

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双模近轴折射式结构；(b)双模近轴环形孔径反射式结构3 .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 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LUIRLaserEffective focal length mm7053.8Effective entrance aperture mm53.853.8Effective FW1.31.0Wavelength m7.7-9.51.064Field ofview (o)810Detector mm7.68×6.14410Length of s)stem mm<32-'¾7lr.ParameterValue通过优化各环带面型参数并控制系统总长和口径，得到设计结果如图2所 示。系统的外径直径为80mm,遮拦区域直径为53.4mm,遮拦比为0.67。经 过分光面后系统左侧为长波红外波段，系统右侧为激光波段，双模环形孔径超 薄成像系统的轴向尺寸为28mm,远远小于目前常用的卡式双模导引头成像系 统尺寸。激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的实体结构如图3所示。 图3(a)中，黄色透明区域表示折射透光环带，银白色区域表示反射环带，粉色 区域表示分光面。图3(b)中，银白色区域表示反射环带，黄色透明区域表示折 射透光环带。图2激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的光路图(a)(b)图3激光/长波红外双模环形孔径超薄系统成像实体结构。(a)前表面；(b)后表面4 .激光/红外导引头国内外研究现状综述4. 1.背景知识随着现代战争智能化，信息化的发展，战场环境日趋复杂，为了实现远距 离、高精度打击的作战任务，精确制导武器逐渐受到了人们的重视。导引头作为精确制导武器系统的核心，兼具自主搜索、识别与跟踪目标的 复杂功能，能够持续输入目标信息并给出制导控制指令，确保武器系统不断地 跟踪目标，进而实现对目标的精确打击。而红外技术用于制导武器是由空空导 弹开始的。1948年美国开始研制红外制导空空导弹，1956年“响尾蛇”空空 导弹研制成功。因为激光/红外导引头在制导精度、抗干扰性、隐蔽性和效费比等方面具 有很大优势，已经成为先进精确制导武器广泛采用的目标敏感装置之一。在 未来战争中，激光/红外导引头技术必然会在不同的任务需求中发挥至关重要 的作用。所以重视并大力研发这一技术势在必行。本文重点介绍了激光/红外 导引头技术国内外的研究现状以及该技术未来的发展趋势。4. 2.国内外研究现状4. 2. 1.国外研究现状国外红外型空空导弹的发展先后经历了四代，而每次更新换代的标志恰恰 就是激光/红外导引头技术的更新。第一代：采用非制冷的硫化铅探测器，工作在近红外波段，只能探测飞机 发动机喷口的红外辐射，因此仅可以从尾后方向攻击目标。这一代导弹利用调 制盘的调制信息从空间上、能量上区分目标和背景，因而也不具备抗红外诱饵 干扰的能力。这一代的导弹的典型代表有美国的AIM-9B响尾蛇（图一）、苏联 的K-13,以及中国的PL2等。它们的探测距离为10千米以下，有效攻击范 围仅为目标尾后23千米。第二代：第二代采用制冷的硫化铅或睇化钢探测器，提高了探测能力，可 以从后向攻击目标。但是令人感到遗憾的是这一代导弹仍然不具备抗红外诱饵 干扰的能力。典型代表有美国的AlM-9D,中国的PL-5乙，法国的马特拉 R530（图二），以及俄罗斯的R-60T等。它们仍然采用鸭式气动布局，但所采用 的致冷型硫化铅探测器却极大地提高了探测灵敏度，引信则采用红外近炸引 信，比之前的红外导引技术更加先进。第三代：采用制冷锦化锢探测器，工作在中波红外波段，改进了调制盘系 统，部分型号采用了多元探测器，具备一定程度的全向攻击能力及抗干扰能 力。这一代导弹通过改进的调制方式，可以从空间上、能量上比上两代细分目 标和背景，同时采用集成电路使得导弹的逻辑判断能力有较大提高，而且还 具备了一定的抗红外诱饵的能力，这使得作战性能和可靠性大幅提高。这一代 导弹典型的代表有美国的AlM-9L,中国的PL-8B,以及PL-5C等。第四代：采用成像制导技术，大幅度提高了探测能力，可以全方位探测、 攻击目标，具备很强的抗干扰能力。典型的有美国的AlM-9X、英国的 ASRAAM、德国的IRIST、法国的MICAR、以色列的Python5和南非的A- Darter等。其中MICA-IR> Python5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AlM-9X采用128X128元凝视睇化钿FPA导引头。探测器工作在35 m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AlM-QXBlockII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AlM-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35 U m。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。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，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，IRlST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IRIS T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MlCA-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