小型化大視場激光引信收發光學系統的制作方法

本發明涉及一種利用激光引信進行收發的光學系統，具體是指一種小型化大視場的激光引信收發光學系統，屬于激光引信領域。

背景技術：

激光引信是利用激光束探測或感知目標，通過對目標回波信號的分析來確定導彈戰斗部最佳起爆時間的一種新型引信。其發射、接收工作原理如圖1所示，首先通過電脈沖信號使激光器發光，然后通過發射光學系統對激光束進行整形，使經過整形后的激光束按照發射方向圖的要求向空間輻射，當探測到目標時產生漫反射回波信號，此信號經過接收光學系統匯聚到探測器的光敏面上，最后轉為電信號進行視頻輸出。

在彈目交匯的過程中，目標只有一部分會被激光波束照射到，為了獲得確切的目標信息，可以通過設定激光束的不同空間布局方式，用以準確獲得目標的距離、方位和尺寸信息，從而實現導彈精確定距、定向起爆的目的。因此，激光引信被廣泛的應用于面空導彈、空空導彈、反輻射導彈等領域。為了滿足激光引信小型化、遠距離、強抗干擾能力、高探測精度及工程化的多方面需求，收發光學系統需要滿足圓周方向無漏探測、彈軸方向窄視場探測，大接收口徑、大視場、短焦距、易裝調等要求。

目前，現有技術中研制的激光引信大多是窄視場目標探測，具有探測精度高、抗干擾能力強的特點。但探測視場僅在幾度左右，一般應用于大目標或掃描探測等。對于小目標，則無法達到引信360°周向無漏探測的技術指標。如《小型化激光近炸引信技術研究》中提到的收發光學系統，為了滿足小型化的要求采用了同軸前視的結構方式，但視場無法滿足360°周向無漏探測。而《激光引信接收光學組件的研究與測試》中，接收光學系統的視場角僅為14°，焦距為15mm，不滿足小型化及大視場的要求。

對于周視探測激光引信，《周視激光動態探測系統》中介紹了周視探測激光引信收發光學系統的一般結構，提到了通過光錐的方式來實現周視探測，但并沒有說明收發光學系統的實現方法及具體指標。而《一種適用于激光引信的激光擴束整形光學系統》中針對發射光學系統的設計方法及指標做了詳細論述，其采用一片非球面透鏡準直和一片V型柱組鏡擴束的方式實現單路視場90°的發射光學系統。但是基于工程化的角度考慮，非球面鏡和V型柱組鏡的加工非常復雜，大大增加了光學系統的成本和裝調難度，不滿足工程化的需求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種小型化大視場激光引信收發光學系統，實現激光引信對任意目標的大視場、周向360°無漏探測技術，并且滿足激光引信小型化的要求，具有目標定位準確、探測精度高、抗干擾能力強的特點。

為了達到上述目的，本發明提供一種小型化大視場激光引信收發光學系統，由三路發射光學系統和三路接收光學系統構成，在圓周方向上依次排列設置，且每路發射光學系統與每路接收光學系統之間相鄰交錯設置，相鄰兩路的發射光學系統的中心光軸之間的夾角為120°，相鄰兩路的接收光學系統的中心光軸之間的夾角為120°；在弧矢方向上，每路發射光學系統采用120°的發射視場，每路接收光學系統采用120°的接收視場；在子午方向上，每路發射光學系統采用1°的發射視場；每路接收光學系統采用2°～8°的接收視場。

所述的發射光學系統包含：依次排列設置的激光器、一塊正柱面透鏡和兩塊負柱面透鏡；所述的激光器在子午方向上和弧失方向上具有不同的發散角；所述的正柱面透鏡在子午方向上對激光器發射的光束進行整形，實現子午方向上的1°一字線形出射光束；兩塊所述的負柱面透鏡在弧矢方向上對經過正柱面透鏡的光束進行發散，實現弧矢方向上的120°扇形出射光束。

所述的激光器采用半導體激光器。

所述的正柱面透鏡采用火石玻璃制成，且焦距為5.28mm。

所述的負柱面透鏡采用火石玻璃制成，具有比正柱面透鏡高的折射率，且焦距為-1.38mm。

所述的接收光學系統包含：依次排列設置的探測器、濾光片和雙分離球面透鏡；所述的雙分離球面透鏡在弧失方向上接收120°扇形入射光束并進行匯聚形成異形窄光束，經過濾光片進行濾光處理后入射探測器；所述的雙分離球面透鏡在子午方向上接收2°～8°的入射光束并進行匯聚形成異形窄光束，經過濾光片進行濾光處理后入射探測器。

所述的雙分離球面透鏡采用水晶與火石玻璃組合制成，接收通光口徑為5mm，焦距為5.58mm。

所述的濾光片采用前截止型有色濾光片。

所述的探測器采用光電探測器。

所述的探測器采用異形光敏面，由矩形光敏面去除部分區域形成，接收的入射光束為異形窄光束，發出的發射光束為一字窄線形光束。

綜上所述，本發明所提供的小型化大視場激光引信收發光學系統，實現了激光引信對任意目標的大視場、周向360°無漏探測技術，并且發射、接收光學系統的體積均很小，滿足整個激光引信小型化要求，具有目標定位準確、探測精度高、抗干擾能力強的特點。

附圖說明

圖1為現有技術中的激光引信目標探測原理圖；

圖2為本發明中的接收光學系統探測器的異形光敏面示意圖；

圖3為本發明中的小型化大視場激光引信收發光學系統的外觀示意圖；

圖4為本發明中的發射光學系統在子午方向的原理示意圖；

圖5為本發明中的發射光學系統在弧失方向的原理示意圖；

圖6為本發明中的接收光學系統在弧失方向的原理示意圖；

圖7為本發明中的接收光學系統在子午方向的原理示意圖。

具體實施方式

以下結合圖2～圖7，詳細說明本發明的一個優選實施例。

如圖3所示，本發明提供的小型化大視場激光引信收發光學系統，由三路發射光學系統10和三路接收光學系統20構成，在圓周方向上依次排列設置，且每路發射光學系統10與每路接收光學系統20之間相鄰交錯設置(即每路發射光學系統10的兩側均為接收光學系統20，而每路接收光學系統20的兩側也均為發射光學系統10)，相鄰兩路的發射光學系統10的中心光軸之間的夾角為120°，相鄰兩路的接收光學系統20的中心光軸之間的夾角為120°。

另外，為了實現本發明的小型化大視場激光引信收發光學系統在周向上覆蓋360°的無漏探測，在弧矢方向(即圓周方向)上，每路發射光學系統10采用120°的發射視場，每路接收光學系統20采用120°的接收視場。

同時，為了盡可能地集中能量，增加本發明的小型化大視場激光引信收發光學系統進行探測的有效作用距離，在子午方向(即彈軸方向)上，每路發射光學系統10采用1°的窄發射視場；每路接收光學系統20采用2°～8°的異形窄接收視場。

其中，所述的發射光學系統10要獲得一字線形窄光束出射，需在快軸方向(子午面)上對激光束進行會聚，而在慢軸方向上對激光束進行發散。因此，綜合考慮發射光學系統10的各項評價指標以及總體長度要求，如圖4和圖5所示，該發射光學系統10包含：依次排列設置的激光器1、一塊正柱面透鏡11和兩塊負柱面透鏡13；所述的激光器1在子午方向上和弧失方向上具有不同的發散角；所述的正柱面透鏡11在子午方向上對激光器1發射的光束進行整形，實現子午方向上的1°一字線形出射光束12；兩塊所述的負柱面透鏡13在弧矢方向上對經過正柱面透鏡11的光束進行發散，實現弧矢方向上的120°扇形出射光束14。因此，所述的發射光學系統10具備弧矢方向大視場、子午方向窄視場、小體積的特點。

本實施例中，根據體積要求，所述的激光器1選用半導體激光器(LD)作為光源。所述的正柱面透鏡11采用具有高折射率的ZF7重火石玻璃制成，且該正柱面透鏡11的焦距為f’＝5.28mm。所述的負柱面透鏡13采用具有更高折射率的ZF14重火石玻璃制成，且該負柱面透鏡13的焦距為f’＝-1.38mm。使得整個發射光學系統10的光學長度為14.9mm。

由于所述的接收光學系統20的探測模式是采用大的線視場進行一維探測，因此接收光學系統20的口徑取決于目標輻射的強弱及探測距離的要求，接收光學系統20的焦距則與視場大小、角分辨率及探測器尺寸等有關。當口徑一定時，焦距愈長則相對口徑愈小，接收光學系統20的設計及加工相對容易；但對同一角視場而言，線視場尺寸就愈大，線陣接收器的長度就愈長，導致設計制造愈麻煩；同時，接收光學系統20的總尺寸也愈長。因此，焦距長短的選擇是要綜合考慮各方面的因素而決定的。從另一方面看，如果像元對應的瞬時視場一定，則焦距愈短，像元尺寸就愈小，探測器的本征噪音也愈小。總的來講，紅外探測的焦距往往只能很短，也就是接收光學系統20的相對口徑往往要很大。

綜合考慮，所述的接收光學系統20設計成透射式，采用雙分離球面透鏡對接收的光束進行匯聚。具體的，如圖6和圖7所示，該接收光學系統20包含：依次排列設置的探測器2、濾光片23和雙分離球面透鏡24；所述的雙分離球面透鏡24在弧失方向上接收120°扇形入射光束22并進行匯聚形成異形窄光束，經過濾光片23進行濾光處理后入射探測器2；所述的雙分離球面透鏡24在子午方向上接收2°～8°的入射光束25并進行匯聚形成異形窄光束，經過濾光片23進行濾光處理后入射探測器2。因此，所述的接收光學系統20具備大視場、大口徑、小體積的特點。

本實施例中，所述的雙分離球面透鏡24采用K9水晶與ZF14重火石玻璃組合制成，接收通光口徑為D＝Ф5mm，焦距為f’＝5.58mm，使得整個接收光學系統20的光學總長為11.5mm。所述的濾光片23采用HWB780的前截止型有色濾光片，能有效截止波長小于780nm的光信號，并對波長大于780nm的光信號具有很高的透過率，一定程度上有效減少了陽光和雜光的干擾。

本實施例中，根據體積要求，所述的探測器2采用光電探測器。經綜合考慮，為了保證120°視場范圍內接收能量的一致性及引信的抗干擾能力，將經過接收光學系統20匯聚的光能量用異形光敏面探測器接收，從而滿足引信總體需要。因此，所述的探測器2采用異形光敏面21，其由矩形光敏面去除部分區域而形成；因此，所述的探測器2接收的入射光束為異形窄光束，而發出的發射光束為一字窄線形光束。具體的，如圖2所示，矩形光敏面的尺寸為0.95×10mm²，在該矩形光敏面上挖除4塊對稱的梯形區域從而構成異形光敏面21。其中，4塊梯形區域的坐標分別對應矩形光敏面上的-4mm～-1mm和1mm～4mm的上下區域，且梯形的上邊長為3mm，下邊長為1mm，高為0.28mm。

本發明所述的小型化大視場激光引信收發光學系統，與現有技術相比，具有以下優點和有益效果：

1、實現了激光引信對任意目標(尤其是小目標)的大視場、周向360°無漏探測技術。

2、通過合理的結構布局、透鏡參數設計、透鏡材料選擇解決了大視場、大接收口徑與光學系統短焦距之間的相互制約，因此本發明結構合理，裝調簡單，可滿足激光引信小型化、遠探測距離、強抗干擾能力的要求。

3、大視場小型化的激光引信具有目標定位準確、探測精度高、抗干擾能力強等特點，可廣泛運用于各類便攜式中小型導彈中。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。