CN103454773A - 一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置 - Google Patents

一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，涉及一种波束合成装置，本发明属于光学与微波技术的交叉领域。本发明包括红外/激光反射平面、支撑平板、空气层、调整机构。所述的红外/激光反射平面由多个子片拼接而成。支撑平板由多个子板拼接构成。调整机构用于固定支撑子片，且可实现子片的水平、垂直和纵向的调节，通过调节调整机构调节红外/激光反射平面的面型，保证各子片的红外/激光反射面在一个平面内；通过调整机构的纵向调节还可微调空气层的厚度，从而微调微波/毫米波的透过频带。调整机构具有调整完毕后锁紧的功能。本发明主要应用于红外/激光/微波(毫米波)复合成像探测制导半实物仿真系统。

Description

一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置
技术领域
本发明涉及一种波束合成装置，特别涉及一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，主要应用于红外/激光/微波(毫米波)复合成像探测制导半实物仿真系统。本发明属于光学与微波技术的交叉领域。
背景技术
红外/激光/微波/毫米波任意两种及以上模式组合而成的双模/多模复合制导技术是当前最有发展前景的精确制导技术之一。它使得红外制导、激光制导、微波制导与毫米波制导体制优势互补，同时可以弥补各方的缺点。为了在实验室进行红外/激光/微波/毫米波复合制导的设计、验证、测试和评估，需要建立相应的红外/激光/微波/毫米波复合制导半实物仿真系统。波束合成装置时实现红外/激光/微波/毫米波复合制导半实物仿真系统中模拟复合制导的主要手段。波束合成装置的作用就是将红外目标图像信号、激光回波信号、微波信号、毫米波信号两两或多种信号在空间组合投射到同一探测视场而互不干扰。红外/激光/微波/毫米波波束合成技术是共口径双模/多模复合制导半实物仿真系统的关键技术之一。
在波束合成装置的设计研制中，主要以带红外反射膜的介质板、泡沫基质上的选频表面、衍射光学器件、一维光子晶体、金属网栅膜、棱镜阵列等技术路线为主。
到目前为止，在介质基质平板上镀上红外反射膜是最为成熟的一种技术。波束合成装置由镀有多层红外反射涂层的相对较厚的介质基质平板组成。根据薄膜理论，理论上具有制备出在中波红外、长波红外和激光波段都具有良好反射特性的多层介质膜的可能。电介质材料对微波/毫米波具有良好的透过特性，同时在介质平板上镀的多层红外反射膜厚度最大在微米量级，理论上对微波/毫米波的吸收小。基质平板的厚度也应当优化，保证对微波/毫米波有足够小的吸收，同时防止表面的变形。由于加工工艺的限制，到目前为止所报道的这种结构形式的波束合成装置最大直径尺寸<800mm。
泡沫基质上的选频面(FSS)是由大量无源单元按某种特定分布方式周期排列而成的分层准平面结构。这些无源单元一般是导电微片，它的间隔和大小决定了FSS的性能。FSS对电磁波的透射和反射具有良好的选择性，对其通带内的电磁波呈现全通特性，而对其阻带内的电磁波则呈全反射特性，即具有空间滤波功能。选频表面相对于介质膜的一大优势在于它可以将尺寸做得很大，以减少对毫米波场的衍射影响。但它的缺点在于制作的表面远不如用传统光学镀膜方法制作的介质膜表面光滑，表面粗糙引起的对红外波段光学特性的影响是这一技术的最大欠缺之处。
衍射光学器件(DOE)优于前两项技术的主要之处在于可使波束合成装置垂直于微波/毫米波视线放置。衍射光学器件是在光滑的表面刻蚀成锯齿形并镀制金属膜形成光栅，用于反射红外/激光信号。这种结构允许波束合成装置与微波/毫米波传播方向垂直，但是DOE结构仍然对微波/毫米波一种极化状态比另一种极化状态更有利。此外，有限的口径尺寸会引发边缘效应，从而在单脉冲探测系统中导致角度误差。DOE的最小尺寸可以从红外场景投射的需要来考虑，主要由投射器的视场角和DOE到被测单元的距离来决定。
一维光子晶体波束合成装置是由不同介电常数的两种或多种介质交替层叠而成，形成光子禁带，可以实现全角度、任意偏振态的反射红外/激光信号，微波/毫米波的透过率主要由基质的电气性能参数和结构决定。一维光子晶体一般采用镀膜法进行制备，设计简单、成本低、精度高。光子晶体的均匀性及其尺寸仍受到镀膜工艺的限制。
金属网栅膜是一种导电膜，它的周期远大于红外/激光的波长，而又同时远小于微波/毫米波的波长，可以实现对微波/毫米波的高效屏蔽和对红外/激光的高透过。可以实现波束的合成但是到目前为止还未见到应用的报道。
北京理工大学发明了无机和有机材料制成的波束合成装置，专利号：ZL200610120495.7红外射频波束合成装置，在无机介质上镀制多层介质红外增反膜，并在无机介质外制备闪耀光栅，在有机介质外表面制成一定曲率的曲面，根据红外投射视场的范围不同，把闪耀光栅外形制备成圆形或多边形，无机介质采用小块的多边形拼接成大面积的平板结构，粘贴在有机基质表面，降低了加工难度和成本。但是该方法仍受加工工艺和材料尺寸的限制。例如：由于无机介质粘贴于有机介质上，因此有机介质的尺寸仍限制了波束合成装置的最大尺寸。
发明内容
上述波束合成装置具有如下缺点：1、尺寸小、无法扩展、无法拆卸；2、微波/毫米波的透波特性在加工成型后无法进行微调。3、微波/毫米波的反射红外平面在加工成型后无法进行微调。为了克服现有波束合成装置的不足，本发明公开一种可扩展的红外/激光/微波/毫米波波束合成装置，可用于双模/多模复合制导半实物仿真系统。本发明是通过下述技术方案实现的：
本发明的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，包括红外/激光反射平面、支撑平板、空气层、调整机构。所述的红外/激光反射平面由多个子片拼接而成，拼接后红外/激光反射平面的形状根据波束合成要求而定。支撑平板由多个子板构成，拼接后支撑平板的形状根据波束合成要求而定。红外/激光反射平面和支撑平板之间设有一个空气层。通过调整红外/激光反射平面的材料和厚度、空气层厚度、支撑平板的材料和厚度，使微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率满足要求。
所述的子片由镀有红外/激光增反膜的多层介质多边形平板构成。子片介质的层数根据要实现的红外/激光入射角范围和波长范围以及微波/毫米波波段范围和入射角范围而定，满足红外波段以及在激光波段的反射率要求和微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率要求。子片上设有与调整机构连接的通孔。
所述的子板由单层或多层多边形介质平板构成。所选择的介质材料和介质层数满足微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率要求。子板上设有与调整机构连接的螺纹孔。
调整机构用于固定支撑子片，且可实现子片的水平、垂直和纵向的调节，通过调节调整机构调节红外/激光反射平面的面型，保证各子片的红外/激光反射面在一个平面内；通过调整机构的纵向调节还可微调空气层的厚度，从而微调微波/毫米波的透过频带。调整机构具有调整完毕后锁紧的功能。所述的调整机构包括用于连接子片和子板的螺母和螺钉，通过调整螺母和螺钉的距离实现子片的水平、垂直和纵向的调节。
子片材料优选为氟化物、半导体、硫化物、硒化物、二氧化硅、4，4’-二氯二苯砜聚合物、四氟乙烯聚合物，或双酚A和环氧氯丙烷。
子板材料优选为4，4’-二氯二苯砜聚合物、四氟乙烯聚合物、二氧化硅、双酚A和环氧氯丙烷、玻璃纤维。
本发明的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置的装配过程为：根据波束合成要求的形状，将各子板之间拼接固连成支撑平板。根据波束合成要求的形状，将子片通过调整机构与支撑平板连接。由于红外/激光反射平面和支撑平板是由拼接而成的，所以解决了波束合成装置尺寸小、无法扩展、无法拆卸等问题，降低了一次性加工大块平板的难度和成本。通过调整机构确定空气层的厚度，进而微调微波/毫米波的透过频带特性；并以此为厚度基准调整子片的水平和垂直方向的位置，进而调节红外/激光反射平面的面型，保证各子片的红外/激光反射面在一个平面内。调整完毕后锁紧调整机构。
本发明的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置的工作过程为：红外/激光信号入射到波束合成装置的反射膜后受到反射；微波/毫米波经过波束合成器装置的支撑平板透过波束合成装置。反射的红外/激光信号和透过的微波/毫米波信号实现了二维大角度的共口径同方向传播。
有益效果
1、本发明的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，由于红外/激光反射平面和支撑平板是由拼接而成的，所以解决了波束合成装置尺寸小、无法扩展、无法拆卸等问题，降低了一次性加工大块平板的难度和成本。
2、本发明的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，通过调整机构调节空气层的厚度，进而微调微波/毫米波的透过频带特性。
3、本发明的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，通过调整机构调节子片的水平和垂直方向的位置，进而调节红外/激光反射平面的面型，保证各子片的红外/激光反射面在一个平面内。
附图说明
图1是本发明的红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置主视图；
图2是本发明的红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置左视图。
其中，1-红外/激光反射平面、2-支撑平板、3-空气层、4-调整机构、5-子片、6-子板。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本实施例的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，包括红外/激光反射平面1、支撑平板2、空气层3、调整机构4。所述的红外/激光反射平面由多个子片5拼接而成，拼接后红外/激光反射平面的形状根据波束合成要求而定。支撑平板由多个子板6构成，拼接后支撑平板的形状根据波束合成要求而定。红外/激光反射平面和支撑平板之间设有一个空气层3。通过调整红外/激光反射平面1的材料和厚度、空气层3厚度、支撑平板2的材料和厚度，使微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率满足要求。
所述的子片5由镀有红外/激光增反膜的多层介质多边形平板构成。子片5介质的层数根据要实现的红外/激光入射角范围和波长范围以及微波/毫米波波段范围和入射角范围而定，满足红外波段以及在激光波段的反射率要求和微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率要求。子片5上设有与调整机构4连接的通孔。
所述的子板6由单层或多层多边形介质平板构成。所选择的介质材料和介质层数满足微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率要求。子板6上设有与调整机构4连接的螺纹孔。
调整机构4用于固定支撑子片5，且可实现子片5的水平、垂直和纵向的调节，通过调节调整机构4调节红外/激光反射平面1的面型，保证各子片5的红外/激光反射面1在一个平面内；通过调整机构4的纵向调节还可微调空气层3的厚度，从而微调微波/毫米波的透过频带。调整机构4具有调整完毕后锁紧的功能。
所述的调整机构4包括用于连接子片和子板的螺母和螺钉，通过调整螺母和螺钉的距离实现子片5的水平、垂直和纵向的调节。
子片5材料优选为氟化物、半导体、硫化物、硒化物、二氧化硅、4，4’-二氯二苯砜聚合物、四氟乙烯聚合物，或双酚A和环氧氯丙烷。
子板6材料优选为4，4’-二氯二苯砜聚合物、四氟乙烯聚合物、二氧化硅、双酚A和环氧氯丙烷、玻璃纤维。
本实施例的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置的装配过程为：根据波束合成要求的形状，将各子板6之间拼接固连成支撑平板2。根据波束合成要求的形状，将子片5通过调整机构4与支撑平板2连接。由于红外/激光反射平面1和支撑平板2是由拼接而成的，所以解决了波束合成装置尺寸小、无法扩展、无法拆卸等问题，降低了一次性加工大块平板的难度和成本。通过调整机构4确定空气层3的厚度，进而微调微波/毫米波的透过频带特性；并以此为厚度基准调整子片5的水平和垂直方向的位置，进而调节红外/激光反射平面1的面型，保证各子片5的红外/激光反射面1在一个平面内。调整完毕后锁紧调整机构4。
本实施例的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置的工作过程为：红外/激光信号入射到波束合成装置的反射膜后受到反射；微波/毫米波经过波束合成器装置的支撑平板2透过波束合成装置。反射的红外/激光信号和透过的微波/毫米波信号实现了二维大角度的共口径同方向传播。
所述的多边形平板子片5形状根据拼接要求而定，拼接形状优选正方形；所述的多边形子板6形状根据拼接要求而定，拼接形状优选正方形。

Claims (5)

1.一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，其特征在于：包括红外/激光反射平面(1)、支撑平板(2)、空气层(3)、调整机构(4)；所述的红外/激光反射平面(1)由多个子片(5)拼接而成，拼接后红外/激光反射平面的形状根据波束合成要求而定；支撑平板由多个子板(6)构成，拼接后支撑平板(2)的形状根据波束合成要求而定；红外/激光反射平面(1)和支撑平板(2)之间设有一个空气层(3)；通过调整红外/激光反射平面(1)的材料和厚度、空气层(3)厚度、支撑平板(2)的材料和厚度，使微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率满足要求；
所述的子片(5)由镀有红外/激光增反膜的多层介质多边形平板构成；子片(5)介质的层数根据要实现的红外/激光入射角范围和波长范围以及微波/毫米波波段范围和入射角范围而定，满足红外波段以及在激光波段的反射率要求和微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率要求；
所述的子板(6)由单层或多层多边形介质平板构成；所选择的介质材料和介质层数满足微波/毫米波波段范围内和入射角范围内的透过率要求。
调整机构(4)用于固定支撑子片(5)，且可实现子片(5)的水平、垂直和纵向的调节，通过调节调整机构(4)调节红外/激光反射平面(1)的面型，保证各子片(5)的红外/激光反射面(1)在一个平面内；通过调整机构(4)的纵向调节还可微调空气层(3)的厚度，从而微调微波/毫米波的透过频带；调整机构(4)具有调整完毕后锁紧的功能。
2.根据权利要求1所述的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，其特征在于：所述的调整机构(4)包括用于连接子片(5)和子板(6)的螺母和螺钉，通过调整螺母和螺钉的距离实现子片(5)的水平、垂直和纵向的调节；子片(5)上设有与调整机构(4)连接的通孔；子板(6)上设有与调整机构(4)连接的螺纹孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，其特征在于：所述的子片(5)材料优选为氟化物、半导体、硫化物、硒化物、二氧化硅、4，4’-二氯二苯砜聚合物、四氟乙烯聚合物，或双酚A和环氧氯丙烷。
所述的子板(6)材料优选为4，4’-二氯二苯砜聚合物、四氟乙烯聚合物、二氧化硅、双酚A和环氧氯丙烷、玻璃纤维。
4.根据权利要求1或2所述的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，其特征在于：所述的多边形平板子片(5)形状优选正方形；所述的多边形子板(6)形状优选正方形。
5.根据权利要求1或2所述的一种红外/激光/微波/毫米波共口径波束合成装置，其特征在于：装配过程为，根据波束合成要求的形状，将各子板(6)之间拼接固连成支撑平板(2)；根据波束合成要求的形状，将子片(5)通过调整机构(4)与支撑平板(2)连接；通过调整机构(4)确定空气层(3)的厚度，微调微波/毫米波的透过频带特性；并以此为厚度基准调整子片(5)的水平和垂直方向的位置，进而调节红外/激光反射平面(1)的面型，保证各子片(5)的红外/激光反射面(1)在一个平面内；调整完毕后锁紧调整机构(4)。
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