CN106646863A - 小型化大视场激光引信收发光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化大视场激光引信收发光学系统，由三路发射光学系统和三路接收光学系统构成，在圆周方向上依次排列设置，每路发射光学系统与每路接收光学系统之间相邻交错设置，相邻两路发射光学系统的中心光轴之间的夹角为120°，相邻两路接收光学系统的中心光轴之间的夹角为120°；在弧矢方向上，每路发射光学系统采用120°的发射视场，每路接收光学系统采用120°的接收视场；在子午方向上，每路发射光学系统采用1°的发射视场；每路接收光学系统采用2°～8°的接收视场。本发明实现了激光引信对任意目标的大视场、周向360°无漏探测技术，并且满足激光引信小型化的要求，具有目标定位准确、探测精度高、抗干扰能力强的特点。

Description

小型化大视场激光引信收发光学系统

技术领域

本发明涉及一种利用激光引信进行收发的光学系统，具体是指一种小型化大视场的激光引信收发光学系统，属于激光引信领域。

背景技术

激光引信是利用激光束探测或感知目标，通过对目标回波信号的分析来确定导弹战斗部最佳起爆时间的一种新型引信。其发射、接收工作原理如图1所示，首先通过电脉冲信号使激光器发光，然后通过发射光学系统对激光束进行整形，使经过整形后的激光束按照发射方向图的要求向空间辐射，当探测到目标时产生漫反射回波信号，此信号经过接收光学系统汇聚到探测器的光敏面上，最后转为电信号进行视频输出。

在弹目交汇的过程中，目标只有一部分会被激光波束照射到，为了获得确切的目标信息，可以通过设定激光束的不同空间布局方式，用以准确获得目标的距离、方位和尺寸信息，从而实现导弹精确定距、定向起爆的目的。因此，激光引信被广泛的应用于面空导弹、空空导弹、反辐射导弹等领域。为了满足激光引信小型化、远距离、强抗干扰能力、高探测精度及工程化的多方面需求，收发光学系统需要满足圆周方向无漏探测、弹轴方向窄视场探测，大接收口径、大视场、短焦距、易装调等要求。

目前，现有技术中研制的激光引信大多是窄视场目标探测，具有探测精度高、抗干扰能力强的特点。但探测视场仅在几度左右，一般应用于大目标或扫描探测等。对于小目标，则无法达到引信360°周向无漏探测的技术指标。如《小型化激光近炸引信技术研究》中提到的收发光学系统，为了满足小型化的要求采用了同轴前视的结构方式，但视场无法满足360°周向无漏探测。而《激光引信接收光学组件的研究与测试》中，接收光学系统的视场角仅为14°，焦距为15mm，不满足小型化及大视场的要求。

对于周视探测激光引信，《周视激光动态探测系统》中介绍了周视探测激光引信收发光学系统的一般结构，提到了通过光锥的方式来实现周视探测，但并没有说明收发光学系统的实现方法及具体指标。而《一种适用于激光引信的激光扩束整形光学系统》中针对发射光学系统的设计方法及指标做了详细论述，其采用一片非球面透镜准直和一片V型柱组镜扩束的方式实现单路视场90°的发射光学系统。但是基于工程化的角度考虑，非球面镜和V型柱组镜的加工非常复杂，大大增加了光学系统的成本和装调难度，不满足工程化的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化大视场激光引信收发光学系统，实现激光引信对任意目标的大视场、周向360°无漏探测技术，并且满足激光引信小型化的要求，具有目标定位准确、探测精度高、抗干扰能力强的特点。

为了达到上述目的，本发明提供一种小型化大视场激光引信收发光学系统，由三路发射光学系统和三路接收光学系统构成，在圆周方向上依次排列设置，且每路发射光学系统与每路接收光学系统之间相邻交错设置，相邻两路的发射光学系统的中心光轴之间的夹角为120°，相邻两路的接收光学系统的中心光轴之间的夹角为120°；在弧矢方向上，每路发射光学系统采用120°的发射视场，每路接收光学系统采用120°的接收视场；在子午方向上，每路发射光学系统采用1°的发射视场；每路接收光学系统采用2°～8°的接收视场。

所述的发射光学系统包含：依次排列设置的激光器、一块正柱面透镜和两块负柱面透镜；所述的激光器在子午方向上和弧失方向上具有不同的发散角；所述的正柱面透镜在子午方向上对激光器发射的光束进行整形，实现子午方向上的1°一字线形出射光束；两块所述的负柱面透镜在弧矢方向上对经过正柱面透镜的光束进行发散，实现弧矢方向上的120°扇形出射光束。

所述的激光器采用半导体激光器。

所述的正柱面透镜采用火石玻璃制成，且焦距为5.28mm。

所述的负柱面透镜采用火石玻璃制成，具有比正柱面透镜高的折射率，且焦距为-1.38mm。

所述的接收光学系统包含：依次排列设置的探测器、滤光片和双分离球面透镜；所述的双分离球面透镜在弧失方向上接收120°扇形入射光束并进行汇聚形成异形窄光束，经过滤光片进行滤光处理后入射探测器；所述的双分离球面透镜在子午方向上接收2°～8°的入射光束并进行汇聚形成异形窄光束，经过滤光片进行滤光处理后入射探测器。

所述的双分离球面透镜采用水晶与火石玻璃组合制成，接收通光口径为5mm，焦距为5.58mm。

所述的滤光片采用前截止型有色滤光片。

所述的探测器采用光电探测器。

所述的探测器采用异形光敏面，由矩形光敏面去除部分区域形成，接收的入射光束为异形窄光束，发出的发射光束为一字窄线形光束。

综上所述，本发明所提供的小型化大视场激光引信收发光学系统，实现了激光引信对任意目标的大视场、周向360°无漏探测技术，并且发射、接收光学系统的体积均很小，满足整个激光引信小型化要求，具有目标定位准确、探测精度高、抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为现有技术中的激光引信目标探测原理图；

图2为本发明中的接收光学系统探测器的异形光敏面示意图；

图3为本发明中的小型化大视场激光引信收发光学系统的外观示意图；

图4为本发明中的发射光学系统在子午方向的原理示意图；

图5为本发明中的发射光学系统在弧失方向的原理示意图；

图6为本发明中的接收光学系统在弧失方向的原理示意图；

图7为本发明中的接收光学系统在子午方向的原理示意图。

具体实施方式

以下结合图2～图7，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图3所示，本发明提供的小型化大视场激光引信收发光学系统，由三路发射光学系统10和三路接收光学系统20构成，在圆周方向上依次排列设置，且每路发射光学系统10与每路接收光学系统20之间相邻交错设置(即每路发射光学系统10的两侧均为接收光学系统20，而每路接收光学系统20的两侧也均为发射光学系统10)，相邻两路的发射光学系统10的中心光轴之间的夹角为120°，相邻两路的接收光学系统20的中心光轴之间的夹角为120°。

另外，为了实现本发明的小型化大视场激光引信收发光学系统在周向上覆盖360°的无漏探测，在弧矢方向(即圆周方向)上，每路发射光学系统10采用120°的发射视场，每路接收光学系统20采用120°的接收视场。

同时，为了尽可能地集中能量，增加本发明的小型化大视场激光引信收发光学系统进行探测的有效作用距离，在子午方向(即弹轴方向)上，每路发射光学系统10采用1°的窄发射视场；每路接收光学系统20采用2°～8°的异形窄接收视场。

其中，所述的发射光学系统10要获得一字线形窄光束出射，需在快轴方向(子午面)上对激光束进行会聚，而在慢轴方向上对激光束进行发散。因此，综合考虑发射光学系统10的各项评价指标以及总体长度要求，如图4和图5所示，该发射光学系统10包含：依次排列设置的激光器1、一块正柱面透镜11和两块负柱面透镜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发散角；所述的正柱面透镜11在子午方向上对激光器1发射的光束进行整形，实现子午方向上的1°一字线形出射光束12；两块所述的负柱面透镜13在弧矢方向上对经过正柱面透镜11的光束进行发散，实现弧矢方向上的120°扇形出射光束14。因此，所述的发射光学系统10具备弧矢方向大视场、子午方向窄视场、小体积的特点。

本实施例中，根据体积要求，所述的激光器1选用半导体激光器(LD)作为光源。所述的正柱面透镜11采用具有高折射率的ZF7重火石玻璃制成，且该正柱面透镜11的焦距为f’＝5.28mm。所述的负柱面透镜13采用具有更高折射率的ZF14重火石玻璃制成，且该负柱面透镜13的焦距为f’＝-1.38mm。使得整个发射光学系统10的光学长度为14.9mm。

由于所述的接收光学系统20的探测模式是采用大的线视场进行一维探测，因此接收光学系统20的口径取决于目标辐射的强弱及探测距离的要求，接收光学系统20的焦距则与视场大小、角分辨率及探测器尺寸等有关。当口径一定时，焦距愈长则相对口径愈小，接收光学系统20的设计及加工相对容易；但对同一角视场而言，线视场尺寸就愈大，线阵接收器的长度就愈长，导致设计制造愈麻烦；同时，接收光学系统20的总尺寸也愈长。因此，焦距长短的选择是要综合考虑各方面的因素而决定的。从另一方面看，如果像元对应的瞬时视场一定，则焦距愈短，像元尺寸就愈小，探测器的本征噪音也愈小。总的来讲，红外探测的焦距往往只能很短，也就是接收光学系统20的相对口径往往要很大。

综合考虑，所述的接收光学系统20设计成透射式，采用双分离球面透镜对接收的光束进行汇聚。具体的，如图6和图7所示，该接收光学系统20包含：依次排列设置的探测器2、滤光片23和双分离球面透镜24；所述的双分离球面透镜24在弧失方向上接收120°扇形入射光束22并进行汇聚形成异形窄光束，经过滤光片23进行滤光处理后入射探测器2；所述的双分离球面透镜24在子午方向上接收2°～8°的入射光束25并进行汇聚形成异形窄光束，经过滤光片23进行滤光处理后入射探测器2。因此，所述的接收光学系统20具备大视场、大口径、小体积的特点。

本实施例中，所述的双分离球面透镜24采用K9水晶与ZF14重火石玻璃组合制成，接收通光口径为D＝Ф5mm，焦距为f’＝5.58mm，使得整个接收光学系统20的光学总长为11.5mm。所述的滤光片23采用HWB780的前截止型有色滤光片，能有效截止波长小于780nm的光信号，并对波长大于780nm的光信号具有很高的透过率，一定程度上有效减少了阳光和杂光的干扰。

本实施例中，根据体积要求，所述的探测器2采用光电探测器。经综合考虑，为了保证120°视场范围内接收能量的一致性及引信的抗干扰能力，将经过接收光学系统20汇聚的光能量用异形光敏面探测器接收，从而满足引信总体需要。因此，所述的探测器2采用异形光敏面21，其由矩形光敏面去除部分区域而形成；因此，所述的探测器2接收的入射光束为异形窄光束，而发出的发射光束为一字窄线形光束。具体的，如图2所示，矩形光敏面的尺寸为0.95×10mm²，在该矩形光敏面上挖除4块对称的梯形区域从而构成异形光敏面21。其中，4块梯形区域的坐标分别对应矩形光敏面上的-4mm～-1mm和1mm～4mm的上下区域，且梯形的上边长为3mm，下边长为1mm，高为0.28mm。

本发明所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、实现了激光引信对任意目标(尤其是小目标)的大视场、周向360°无漏探测技术。

2、通过合理的结构布局、透镜参数设计、透镜材料选择解决了大视场、大接收口径与光学系统短焦距之间的相互制约，因此本发明结构合理，装调简单，可满足激光引信小型化、远探测距离、强抗干扰能力的要求。

3、大视场小型化的激光引信具有目标定位准确、探测精度高、抗干扰能力强等特点，可广泛运用于各类便携式中小型导弹中。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，由三路发射光学系统和三路接收光学系统构成；

所述的发射光学系统和接收光学系统在圆周方向上依次排列设置，且每路发射光学系统与每路接收光学系统之间相邻交错设置，相邻两路的发射光学系统的中心光轴之间的夹角为120°，相邻两路的接收光学系统的中心光轴之间的夹角为120°；

在弧矢方向上，每路发射光学系统采用120°的发射视场，每路接收光学系统采用120°的接收视场；

在子午方向上，每路发射光学系统采用1°的发射视场；每路接收光学系统采用2°～8°的接收视场。

2.如权利要求1所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的发射光学系统包含：依次排列设置的激光器、一块正柱面透镜和两块负柱面透镜；

所述的激光器在子午方向上和弧失方向上具有不同的发散角；

所述的正柱面透镜在子午方向上对激光器发射的光束进行整形，实现子午方向上的1°一字线形出射光束；

两块所述的负柱面透镜在弧矢方向上对经过正柱面透镜的光束进行发散，实现弧矢方向上的120°扇形出射光束。

3.如权利要求2所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的激光器采用半导体激光器。

4.如权利要求2所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的正柱面透镜采用火石玻璃制成，且焦距为5.28mm。

5.如权利要求4所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的负柱面透镜采用火石玻璃制成，具有比正柱面透镜高的折射率，且焦距为-1.38mm。

6.如权利要求2所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的接收光学系统包含：依次排列设置的探测器、滤光片和双分离球面透镜；

所述的双分离球面透镜在弧失方向上接收120°扇形入射光束并进行汇聚形成异形窄光束，经过滤光片进行滤光处理后入射探测器；

所述的双分离球面透镜在子午方向上接收2°～8°的入射光束并进行汇聚形成异形窄光束，经过滤光片进行滤光处理后入射探测器。

7.如权利要求6所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的双分离球面透镜采用水晶与火石玻璃组合制成，接收通光口径为5mm，焦距为5.58mm。

8.如权利要求6所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的滤光片采用前截止型有色滤光片。

9.如权利要求6所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的探测器采用光电探测器。

10.如权利要求9所述的小型化大视场激光引信收发光学系统，其特征在于，所述的探测器采用异形光敏面，由矩形光敏面去除部分区域形成，接收的入射光束为异形窄光束，发出的发射光束为一字窄线形光束。