CN104502909B - 一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，技术主要应用于靶场测量、空间目标探测及多模共孔径复合制导，属于光学与雷达探测技术的交叉领域。它主要由大口径主镜天线、次镜反射面、高效分频元件、毫米波雷达收发系统及光电接收系统组成。所述大口径主镜天线及次镜反射面既能够高增益地反射毫米波雷达信号，也能高效反射光学信号；所述高效分频元件可以高效地反光学透毫米波信号或反毫米波信号透光学信号。本发明基于大口径光电经纬仪，结合毫米波雷达技术与光学薄膜技术，实现光学与毫米波雷达共孔径复合探测的功能。

Description

一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统

技术领域

本发明涉及靶场测量、空间目标探测及多模共孔径复合制导技术，属于光学与雷达探测技术的交叉领域，特别涉及一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统。

背景技术

随着目标探测需求的提高，对探测系统的性能提出了更高的要求，光学探测设备具有高分辨率、测角精度高等特点，但其受天气影响大，无法给出距离及速度信息；雷达具备测距、测速、全天候工作能力，但其无法实现高分率成像。单一模式的探测系统都存在其固有的局限，将两种模式或者多种模式复合在一起的复合探测系统能够发挥不同模式的优势形成互补。光学与毫米波雷达共口径复合探测系统中，光学与毫米波雷达设备由于共用了伺服系统和主镜天线，简化了硬件设备，提高了系统的集成性，对于靶场目标测量而言，使单站设备实现对雷达信号与光学信号的同时采集与处理，而对于导引头、卫星及飞机载荷而言，体积和外形尺寸都有严格的要求，又需要光学和雷达设备合作探测，光学雷达共孔径复合探测同样能够很好的解决体积限制问题。光学与毫米波雷达共口径复合探测系统将光学与雷达探测体制进行优势互补，提升了设备的集成性、环境适应性及单站设备的目标识别能力。

70年代末期，美国、前苏联等国开始研制微波/红外双模系统。微波雷达探测系统在比较弱的电磁环境中可以说是比较完美的，但是在复杂的电磁环境中，微波雷达探测系统的探测能力却受到了限制。本世纪以来共孔径复合探测中应用最为广泛的就为多模导引头的使用，美国陆军战术导弹系统(ATACMS)的BlockⅡA导弹采用红外/毫米波双模制导、标准20BlockⅣ防空导弹采用红外/微波双模制导,俄罗斯/马斯基特反舰导弹采用主/被动雷达复合制导，欧美国家多种末制导弹或末敏弹也采用多模复合制导方式。

在众多的多模导引头光电探测设备中，由于毫米波雷达具有许多优点,特别是毫米波器件体积小，便于小型化，这对于导弹提高精度且轻巧装载具有决定意义。目前，毫米波/红外双模制导已成为多模复合制导技术的发展重点。其中以主动毫米波+被动红外复合制导的导引头最为常见，美国洛马公司提出的方案可分为毫米波前馈、毫米波后馈。方案中毫米波系统波段为94GHz,采用卡塞格林天线,频率步进体制,单脉冲测角(一路发射，四路接收),红外系统采用128×128红外焦平面阵列探测器。

国内近些年也在开展光雷复合探测技术的研究，目前还未有光雷共孔径复合探测设备的应用报道。其中长春光机所在2010年为某基地战区反导任务研制了光学雷达一体化设备(非共口径测量设备)。

目前国内外光学与雷达共孔径复合探测设备主要应用于导引头制导领域，由于体积限制导致其共用的主镜天线尺寸受到限制，其光学系统分辨率较低及雷达系统探测距离较短。而对于靶场与空间目标测量领域，光学系统分辨率及雷达探测距离均有很高要求，但国内外未有关于大口径光学与毫米波雷达复合探测设备的报道。

上述光学与雷达共口径复合探测装置具有如下缺点：1.共口径复合探测设备的主镜天线尺寸小，导致光学系统分辨率低雷达系统探测距离短的问题；2.光学工作波段窄，由于高效分频元件的限制，多采用中波及长波红外，无法实现多光谱复合探测。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，包括：光学与毫米波共用的主镜天线、次镜反射面、高效分频元件、光学接收系统、毫米波雷达收发系统；

所述光学与毫米波共用的主镜天线为凹面，其口径大于400mm，中心设有用于安装光电接收系统或毫米波雷达收发系统的开孔；

所述次镜反射面为凸面；

所述的高效分频元件为反光学透毫米波方案时：毫米波馈源、收发转换开关、接收机及发射机设置于主镜天线中心的后端，光学系统及光电探测器与主镜中心非共轴放置；反光学透毫米波分频元件基底为非导电材料，通过镀介质膜实现对光学波段90％以上的高反射率及对毫米波波段95％以上的透过率；

所述的高效分频元件为反毫米波透光学方案时：反毫米波透光学分频元件采用金属网格形状，毫米波的反射率在95％以上，光学波段的透过率在80％以上；

所述光学接收系统，根据光学谱段的选择而不同，如果只需接收单一光学谱段，则在一次像面后端设置光学系统进行二次成像，成像于相应谱段的光电探测器上；如需接收多光谱的光学信号，则在光路中设置分色镜，使不同谱段的光线经过各自的光学系统成像于对应的光电探测器上；

所述毫米波雷达收发系统包括：毫米波馈源、收发转换开关、接收机及发射机；所述发射机产生的电磁波，经收发转换开关传输给主镜天线；接收机将接收的信号交予信号处理机进行数据处理获得待测目标的相关参数；

光学/毫米波信号入射到主镜天线，反射到次镜反射面后，可再经高效分频元件，使光线与毫米波传输路径分开，进入各自的接收系统。

在上述技术方案中，主镜天线的基底材料为碳化硅或微晶材料。

在上述技术方案中，所述主镜天线和次镜反射面的表面镀有金属膜层。

在上述技术方案中，所述金属膜层为铝或银膜。

在上述技术方案中，所述金属膜层的厚度为趋肤深度3到5倍。

在上述技术方案中，所述主镜天线和次镜反射面的面型均为二次曲面。

在上述技术方案中，所述主镜天线和次镜反射面的基底材料为碳化硅、微晶或碳纤维材料。

在上述技术方案中，高效分频元件为反光学透毫米波方案时，

基底材料为K9或熔石英玻璃；

介质膜高折射率材料为二氧化钛、五氧化二钽或H4；

介质膜低折射率材料氟化镁或二氧化硅。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，将光学与雷达探测体制进行优势互补，提升了系统的集成性、环境适应性及单站设备的目标识别能力，可用于靶场测量、空间目标探测及多模共口径复合制导等领域。

本发明基于大口径光电经纬仪，结合毫米波雷达技术与光学薄膜技术，实现光学与毫米波雷达共孔径复合探测的功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统的结构示意图；

图2为本发明的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统中反光学透毫米波结构示意图；

图3为本发明的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统中透光学反毫米波结构示意图；

图4为本发明的金属网格结构示意图；

图5为本发明实施例一的结构示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

发明提出如图1所示的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其包括：光学与毫米波共用的主镜天线1、次镜反射面2、高效分频元件3、光学接收系统4、毫米波雷达收发系统5。

所述的光学与毫米波共用的主镜天线1为凹面，为了保证光学系统分辨率及毫米波雷达的探测距离，主镜天线的口径应大于400mm，同时为获得较好的成像效果，其面型采用二次曲面，中心开孔用于安装光电接收系统4或毫米波雷达收发系统5。主镜天线的基底材料优选为碳化硅或微晶材料，用以保证轻量化及机械强度。同时为保证毫米波与光学信号均具有高反射率，在主镜天线表面镀有金属铝或银膜，考虑到毫米波的趋肤效应及欧姆损耗的影响，金属膜层的厚度应为趋肤深度3到5倍。

所述的次镜反射面2为凸面，与主镜天线类似，为获得较好的成像质量，采用二次曲面。次镜反射面的基底材料优选为碳化硅或微晶，表面镀有金属铝或银膜，金属膜层厚度为趋肤深度的3到5倍。

所述的高效分频元件3根据光学接收系统4与毫米波雷达收发系统5的摆放位置不同，有反光学透毫米波及反毫米波透光学两种方案。当采用反光学透毫米波方案时，如图2所示，反光学透毫米波分频元件6基底选用非导电材料，通过镀介质膜实现对光学波段90％以上的高反射率及对毫米波波段95％以上的透过率，毫米波馈源9、收发转换开关10、接收机11及发射机12位于主镜天线中心的后端，光学系统7及光电探测器8与主镜中心非共轴放置。当采用反毫米波透光学的方案时，如图3所示，反毫米波透光学分频元件13采用金属网格方案如图4所示，其基底材料优选熔石英玻璃，该方案保证毫米波的反射率在95％以上，光学波段的透过率在80％以上。具体采用何种分频方案需要根据雷达波段、光学谱段及各系统体积大小等因素进行合理的选择。

所述的光学接收系统4，如图1、2及3中所示，根据光学谱段的选择而不同，如果只接收单一光学谱段，则在一次像面后端加入光学系统7进行二次成像，最终成像于相应谱段的光电探测器8上。如果接收多光谱的光学信号，则需要在光路中加入分色镜，起到分光的作用，使不同谱段的光线经过各自的光学系统成像于对应的光电探测器上。

所述的毫米波雷达器件5，如图1、2及3所示，其工作流程，由发射机12产生的电磁波，经收发转换10开关传输给主镜天线1，收发转换开关10实现了单个天线既能发射电磁波，又能接收电磁波，接收机11将接收的信号交予信号处理机进行数据处理获得待测目标的相关参数。

主镜天线1及次镜反射面2基底材料优选为碳化硅、微晶及碳纤维等材料，二者表面的金属镀膜材料优选为金属铝膜或金属银膜。

高效分频元件3若采取反光学透毫米波方案6，则其基底材料优选为K9或熔石英玻璃，介质膜高折射率材料优选为二氧化钛、五氧化二钽及H4，低折射率材料氟化镁或二氧化硅。

本发明光学与毫米波雷达共孔径探测系统工作过程为：光学/毫米波信号入射到主镜天线1，反射到次镜反射面2，再经高效分频元件3，使光线与毫米波传输路径分开，进入各自的接收系统。实现光学与毫米波共孔径复合探测的功能。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

实施例一

本发明的光学与毫米波复合共孔径探测系统的一种具体实施例如图5所示，它是由主镜天线1、次镜反射面2、反光学透毫米波的高效分频元件6、分光镜14、长波红外光学系统15、长波红外探测器16、可见光光学系统17、可见光探测器18及毫米波雷达收发系统5组成。

其中主镜反射面1为凹面，其基底材料选用碳化硅，表面镀2.5μm厚的金属铝膜，口径1000mm，顶点半径3500mm，为抛物面(K＝-1)。次镜反射面16为凸面，其基底材料选用微晶，顶点半径1340mm，为双曲面(K＝-3.4264),主次镜间隔为1280mm。反光学透毫米波分频元件6基底材料选用熔石英玻璃，表面介质膜高折射率材料选用二氧化钛，低折射率材料选用氟化镁。分光镜基底和高折射率材料选用ZnSe，低折射率材料选用YbF₃。长波红外光学系统15采用一片非球面透镜，两片球面透镜，长波红外探测器16采用碲镉汞红外焦平面器件。可见光光学系统17采用三片球面透镜。

该实施例能够实现光学(可见光/长波红外)与毫米波共孔径探测，主镜天线口径达到1m，分频元件光学反射效率高于95％，毫米波透过率高于98％，毫米波波段选为Ka波段，雷达系统探测距离为300km(RCS＝10m²目标)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，包括：光学与毫米波共用的主镜天线、次镜反射面、高效分频元件、光学接收系统、毫米波雷达收发系统；

所述光学与毫米波共用的主镜天线为凹面，其口径大于400mm，中心设有用于安装光学接收系统或毫米波雷达收发系统的开孔；

所述次镜反射面为凸面；

所述的高效分频元件为反光学透毫米波方案时：毫米波馈源、收发转换开关、接收机及发射机设置于主镜天线中心的后端，光学系统及光电探测器与主镜中心非共轴放置；反光学透毫米波高效分频元件基底为非导电材料，通过镀介质膜实现对光学波段90％以上的高反射率及对毫米波波段95％以上的透过率；

所述的高效分频元件为反毫米波透光学方案时：反毫米波透光学高效分频元件采用金属网格形状，其基底材料为熔石英玻璃，以保证毫米波的反射率在95％以上，光学波段的透过率在80％以上，毫米波馈源、收发转换开关、接收机及发射机与主镜中心非共轴放置，光学系统及光电探测器设置于主镜天线中心的后端；

所述光学接收系统，根据光学谱段的选择而不同，如果只需接收单一光学谱段，则在一次像面后端设置光学系统进行二次成像，成像于相应谱段的光电探测器上；如需接收多光谱的光学信号，则在光路中设置分色镜，使不同谱段的光线经过各自的光学系统成像于对应的光电探测器上；

所述毫米波雷达收发系统包括：毫米波馈源、收发转换开关、接收机及发射机；所述发射机产生的电磁波，经收发转换开关传输给主镜天线；接收机将接收的信号交予信号处理机进行数据处理获得待测目标的相关参数；

光学/毫米波信号入射到主镜天线，反射到次镜反射面后，再经高效分频元件，使光线与毫米波传输路径分开，进入各自的接收系统。

2.根据权利要求1所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，主镜天线的基底材料为碳化硅或微晶材料。

3.根据权利要求1所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，所述主镜天线和次镜反射面的表面镀有金属膜层。

4.根据权利要求3所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，所述金属膜层为铝或银膜。

5.根据权利要求3或4所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，所述金属膜层的厚度为趋肤深度3到5倍。

6.根据权利要求1所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，所述主镜天线和次镜反射面的面型均为二次曲面。

7.根据权利要求1所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，所述主镜天线和次镜反射面的基底材料为碳化硅、微晶或碳纤维材料。

8.根据权利要求1-4以及6、7中任一所述的光学与毫米波雷达共孔径复合探测系统，其特征在于，高效分频元件为反光学透毫米波方案时，

基底材料为K9或熔石英玻璃；

介质膜高折射率材料为二氧化钛、五氧化二钽或H4；

介质膜低折射率材料为氟化镁或二氧化硅。