中国指挥与控制学会会刊 
激光制导武器以其制导精度高、抗干扰能力强、效费比高、结构紧凑、机动灵活等优点,已成为精确制导武器的重要技术手段,受到各国军方的重视,并已大量装备于部队。我国近年来非常重视激光制导武器系统的研制。在激光制导武器中,激光导引头起着重要作用,其性能好坏直接影响制导武器的制导精度。在激光导引头初样、试样研制和定型过程中,需要对导引头进行性能评估,以确保研制的导引头满足要求;在批检阶段,需要对进厂的导引头进行验收测试,以确保导引头性能合格。随着激光导引头技术的发展,激光测试系统的重要程度日益凸显。
半主动激光制导原理是指引系统发出经过编码的激光光束,经目标漫反射后被激光导引头光学系统接收,激光导引头通过对激光编码进行识别和判断,确定正确目标的位置[1]。激光导引头在研制过程中需要对接收性能、辨别目标真伪的能力、系统抗目标性能进行相关测试试验。由于外场试验耗费高,耗时长,很容易受天气条件等限制,需要一种实验室内的试验设备对激光导引头的性能进行测试和评价。本文介绍一种实验室内的激光测试模拟系统,用于半主动激光制导武器导引头的性能参数测试及半实物仿真训练,重点介绍其关键设备——激光目标模拟器的设计技术。
1 系统原理及组成
激光目标模拟系统可为激光导引头提供激光编码回波信号,用于检测导引头的隔离度、探测灵敏度、编码识别、跟踪角速度、品质因数与动态输入输出特性等动态性能指标,并对导引头总体性能参数做出科学评价[2]。激光测试模拟系统由三轴转台、激光目标模拟器、总控制台等组成。系统组成如图1 所示。
激光制导导引头安装在三轴转台的滚转框架上,三轴转台可实现方位、俯仰和滚转的运动,模拟弹体的飞行姿态。激光目标模拟器用于生成激光回波信号,可生成真实目标回波信号,可也用于生成干扰回波信号。导引头接收激光回波信号,对信号的编码和能量进行识别和判断,输出响应指令信号。激光目标模拟器直接与激光导引头进行对接,是系统中最重要的组成部分。
2 激光目标模拟器设计
2.1 激光制导光学原理
激光制导武器通过激光器发射周期性脉冲信号,经过空间传播遇到目标后反射,由接收机接收,经信号放大后进行后续的信号处理。在激光制导的整个工作过程中,目标回波信号会跟随目标反射特性、目标相对位置等因素进行变化。激光制导武器收发光学系统[3]示意图如图2 所示。
2.2 模拟器组成
激光目标模拟器由光学耦合系统、激光目标模拟系统、模拟器控制系统组成,如图3 所示。
光学耦合系统的功能是将激光光束变为平行光输出[4],并与导引头光学系统耦合,从而使得导引头接收的是相当于远距离,并且真实的激光回波信号;
激光目标模拟系统的功能是提供具有一定能量和光斑大小可变的激光目标光束。
模拟器控制系统的功能是控制目标通道和激光器生成弹目接近过程中激光光斑尺寸和能量的变化情况,并且可控制激光光斑在导引头视场中运动。
2.2.1 光学耦合系统
光学耦合系统由前置望远系统、目标光路组成,其作用是将照明系统发出的激光光束变为平行光投射至系统出瞳处,并与被测光学系统完善耦合,使被测系统观察到等效于无限远的清晰均匀的目标图像。
前置望远系统采用开普勒式结构进行设计。在望远系统物镜口径一定的情况下,放大倍率越大,其视场角越小。综合考虑系统视场、总长等因素,初始结构中前置望远系统的放大倍率为3,物镜焦距为380mm。
目标成像光路与前组望远物镜耦合,使被测系统接收到无穷远的目标图像。综合技术指标要求及前置望远系统的设计结果确定目标光路以光路的设计指标,选取对称式结构进行设计,考虑到后续照明均匀性的问题,其结构也为像方远心光路。
将前置望远系统与目标成像光路组合到一起,进行整体优化。目标通道视场角为7°。光学耦合系统光学结构如图4 所示,点列图、场曲和畸变、MTF曲线分别如图5 、图6 、图7 所示。
2.2.2 激光目标模拟系统
激光目标模拟系统由驱动电路和照明系统组成。其中,照明系统主要分为光棒、照明镜组。光纤发出的光经照明物镜组进行一次耦合后投射至光棒[5]、再经光棒内壁多次反射后形成能量均匀分布的照明光,照明激光目标模拟系统的像面。
照明系统在设计时需考虑两方面的问题:
1)与目标光路的完善耦合,即照明镜组的数值孔径与目标光路的像方数值孔径相匹配;
2)采用远心光路对接,以利于实现均匀照明。
因此在设计照明光学系统时,需要根据目标成像光学系统的设计结果进行设计。如图8 所示。
照明系统结构确定后,在ZEMAX非序列中将目标照明光学系统、目标光学耦合系统耦合到一起,建立非序列模型。然后对系统进行整体光线追迹,分析系统在像面位置的照度均匀性分情况,结果如图9 、图10 所示。
2.2.3 模拟器控制系统
模拟器控制系统是模拟器的中枢,由激光器和控制单元组成,其负责协调各功能模块工作,控制目标通道和激光器生成弹目接近过程中激光光斑尺寸和能量的变化情况[6],并且控制激光光斑在导引头视场中运动。
激光器采用LD泵浦水冷激光器[7],有内控和外控两种工作模式。工作于内控模式时,可以发射固定频率、固定脉宽的激光脉冲。而工作于外控模式时,激光器可发射用户自定义的脉冲序列。客户可以在上位机上进行设定,然后通过串口发送给脉冲同步设备,再由同步设备对激光器进行触发,发射要求的激光脉冲序列。激光器采用Nd:YAG晶体为激光工作物质,通过谐振腔选模,使激光波长在1064nm±3nm。Nd:YAG激光器为四能级系统,室温下有多条荧光谱线,正常工作条件下(室温)1064nm波长激光振荡最强。如果以特殊设计的谐振腔反射镜作为输出镜、使用镀有高度选择性1064nm介质膜的反射镜,抑制不需要的波长的激光振荡,可获得准确的1064nm波长的激光。
实验室环境内,激光在大气传输过程中的衰减可忽略不计,激光引信接收回波信号功率为
Pr=PT τTτrρθ
式中,Pr为接收信号的功率;PT为发射信号的功率;Ar为接收孔径有效面积;τT为发射端透过率;τr为接收端透过率;ρ为目标信号反射率;R为接收端与目标的距离;θ为发射波束平面角。
2.3 技术指标
根据激光目标模拟系统对光斑尺度随目标距离远近的变化要求,系统设计应满足如下指标:
1)工作波长:1.064μm;
2)重复频率:1pps~30pps;
3)脉冲宽度:10ns~25ns;
4)输出能量稳定性:≤10%/h;
5)动态衰减范围:50dB;
6)全动态衰减时间:≤8s;
7)光学束散角:0.2 mrad;
8)出瞳直径:≥80mm;
9)出瞳距离:≥600mm;
10)视场角:7°;
11)全变焦时间:≤8s;
3 关键技术
3.1 系统无热化设计
激光目标模拟器输出光斑的质量受环境温度变化的影响,在初始结构的设计过程中就要考虑无热化设计,目前系统无热化有机械无热化和光学无热化两种方案。机械无热化原理是通过采用不同膨胀系数的材质搭配设计机械结构,温度变化时改变镜片间的空气间隙,消除镜片变形及折射率随温度变化的影响,采用这种无热化方法机械设计难度较大,结构复杂,无热化效果不理想,系统还需要采取微调焦的方法使成像清晰。光学无热化原理是根据不同温度下的镜片形变、折射率变化及空气间隙变化,优化镜头结构[8],这种方法无热化效果好,不需要微调焦,且简化了机械结构,使系统达到最优状态。激光目标模拟器采用正负光焦度搭配,不同温度折射率系数的光学材料搭配方法消除温度变化带来的影响,并使用计算机软件优化结构,使用高次非球面、衍射面,简化光学耦合系统结构,进一步消除像差、减小温度影响。通过合理分配光焦度及选择透镜材料使其成像质量及无热化最终满足系统要求。
3.2 光路完善耦合设计
为了使激光导引头能够逼真地接收激光回波信号,模拟器与导引头光学系统之间常用光学完善耦合设计,模拟器的出瞳位置与成像系统的入瞳位置重合,模拟器的出瞳口径覆盖导引头的入瞳口径,模拟器的视场覆盖导引头的视场。因此模拟器的视场大、出瞳口径大,使光学设计变得很困难。为了解决这个问题,光学耦合系统采用二次成像系统设计,经过反复的分析,最终得到了合理的光学设计结果。
4 结束语
激光目标模拟器可用于激光导引头研制、生产过程中的各种参数的测试及性能验证的试验,不仅可以优化激光导引头的方案,节约经费,缩短研制周期,加快激光制导武器的研制,还可以提高激光制导武器的产品合格率。