基于四象限探测器的激光导引镜头的研制

为了满足激光制导对大视场、高线性度探测的性能要求,基于激光制导炸弹的应用需求,介绍了四象限探测器的工作原理和特点,分析了光斑大小、能量均匀性、线性度、探测距离等参数对探测精度的影响;结合系统性能指标,选择了合理的光学系统结构类型,完成了光学系统设计和光机结构设计;利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价,并分析了目标大小和探测距离对光斑大小的影响。测试结果表明,激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、目标大小为1.5~2.4 m、探测距离为50 m~4 km、测角精度优于0.2°,能够满足激光导引的需求。     

5倍变焦距光学系统小型化设计

为了完成飞行器导引头目标识别与探测任务,以短焦距、大视场进行搜索并确认目标,以长焦距、小视场进行高精度目标识别。通过选择正组补偿的机械补偿法,采用3种普通光学材料,在长焦距位置,将前固定组、变倍组的组合设计为远摄型,使得系统结构紧凑,满足导引头小型化的要求。利用CODE V光学设计软件,优化设计了焦距为30~150 mm,视场角为12.90°×10.25°~2.59°×2.07°,筒长仅为174 mm的变焦距光学系统,得到成像质量优良的设计结果。各焦距、全视场平均传递函数值在50 lp/mm时为0.695,测试结果为0.562,满足系统的性能要求。     

激光导引头中基于四象限探测器的光学设计

介绍了四象限探测器用于激光制导的工作原理,根据激光制导的技术要求和四象限探测器的工作特性,分析了基于四象限探测器进行空间定位的导引头中光学接收系统的原理及特点。依据系统指标,采用序列性光线追迹和非序列性光线追迹相结合的方法,设计了一种±4°线性接收视场内光斑均匀性大于75%,±1.5°接收视场内光斑均匀性大于90%的接收光学镜头,同时镜头在±4°线性接收视场内光斑直径偏差小于±0.05mm。镜头设计结果既满足设计要求又结构紧凑,对此类镜头的光学设计方法进行了探索总结^[1]。     

二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.     

红外测温仪光学系统像质评价的一种方法

本文根据红外辐射测温仪实际工作情况,提出评价测温仪光学系统像质的一种方法。用全视场不同物面光线的点列图计算测温仪探测器接收的目标辐射能量及其集中程度;用计算目标距离不同时(目标温度不变)探测器所接收的辐射能量的相对误差来评价测温仪光学系统的像质。     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

水下同步扫描三角测距成像理论建模及仿真分析

针对激光同步扫描三角测距成像系统水下应用时,考虑不同介质界面的折射效应,通过理论建模,得出水下同步扫描三角测距成像系统的空间三维坐标测量关系表达式。分析了基线距离、接收透镜焦距等系统主要参数对距离测量分辨率的影响,以及成像探测器长度对测量范围的影响。仿真结果表明:增大基线距离和接收透镜焦距,有利于提高距离测量分辨率,增加成像探测器长度,有利于增大系统测量范围,为水下同步扫描三角测距成像系统的设计提供了理论依据。     

激光半主动制导导引头光学系统的设计

根据四象限探测器的工作原理,激光半主动导引头光学系统所成光斑需均匀分布在探测器靶面上。首先分析此类光学系统像差特点,提出像差的设计方案,然后通过使用CODE V设计一套光学系统,利用痕迹图、包围能量等定性评价系统光斑质量。在不同视场时,通过LightTools光机分析软件追迹1106根光线,得到探测器靶面的光线分布,利用Matlab处理数据并绘制角度-输出响应曲线,利用该曲线可精确评价探测器靶面的光斑性能。     

离焦对激光通信接收视场的影响分析

为了降低自由空间激光通信中对准难度,本文提出了采用离焦的方法以增大接收视场角。以满足通信所需最低能量(-35 d Bm)为基准,理论推导了探测器接收能量、接收视场角(FOV)、离焦接收能量及离焦量之间的相互关系,并通过Matlab仿真,分析对比了离焦接收能量和离焦量对接收视场角的影响。结果显示,当离焦量为0.5 mm时,离焦接收能量从-20.9 d Bm提高到-4.1 d Bm,接收视场角能增大0.27 mrad;当离焦接收能量为-4.1 d Bm时,离焦量从0.2 mm扩大到1.0 mm,视场角能增大1.75 mrad。通过对比表明,提高离焦接收能量以及扩大离焦量都可以增加接收视场角,且扩大离焦量的效果相对比较明显,这对后续离焦系统的设计提供了理论指导依据。     

无遮拦三反射镜变形光学系统设计

变形光学系统在X方向和Y方向有不同的焦距,物方视场的横纵比不再受探测器光接收面形状限制,可以在一个方向上扩大视场或提高目标分辨率而不影响另外一个方向。研究了无遮拦三反射镜变形光学系统的设计方法,利用Zernike像差分析方法分析变形系统的像差特点,使用具有双曲率的Biconic Zernike曲面作为反射面校正系统像差。设计了一个X方向焦距fx为100mm,Y方向焦距fy为150mm,F数为2,视场为3.3°×1.65°的致冷型中波红外光学系统。探测器的横纵比为4…3,物方视场横纵比为2…1。该系统全视场范围内的调制传递函数在奈奎斯特频率处(33lp/mm)高于0.61。三个反射面及整个光学系统均关于YZ平面对称。设计结果表明,该系统能够改变物方视场的横纵比,增大了X方向的视场,结构紧凑,成像质量良好。     

激光半主动比例导引头光学系统分析与设计

通过对激光半主动比例导引头工作原理和导引头光学系统的特点进行分析,并结合总体设计要求,提出设计一套波段为1.064 m,焦距38 mm, 瞬时视场3,线性区1的激光半主动比例导引头光学系统。用Zernike多项式模拟一个带有较大垂轴球差的波前,叠加在入射波面上,然后对系统进行优化,通过调整加入垂轴球差的大小来控制成像光斑的大小及光斑的均匀性,确定光斑直径为1.5 mm。     

激光制导武器能量特性半实物仿真技术研究

分析了激光半主动制导武器导引头接受激光能量特性,提出了激光能量特性半实物仿真系统.根据半实物仿真条件下导引头接受能量与实战条件下导引头接受能量应一致的原则,建立了半实物仿真条件下的能量传输关系.根据假设的激光半主动制导武器特性,对实现激光能量特性半实物仿真的相关技术进行了研究.     

基于激光半主动的弹道修正技术研究

弹道修正技术在压制兵器中的应用可大幅度地提高精确打击能力。分析了激光半主动弹道修正系统的组成及工作原理,给出了光斑尺寸与目标表面尺寸存在差异情况下的激光回波功率的计算公式,提出了在整个系统设计中必须注意的关键技术。     

多波长激光复合点目标运动模拟

 介绍了多光谱激光复合点目标运动模拟系统的构成和工作原理。该系统用于光电火控装备及成像导引头系统的研发及验证。3种激光波长（0.65 μm、0.808 μm、10.6 μm）可满足电视（0.4 μm～1.1 μm）和长波红外成像（8 μm～11.5 μm）光电跟踪系统的动态仿真测试。12 m半径1/4球幕在0.4 μm～12 μm宽波段漫反射率大于0.7,点目标运动范围:方位0°～ ±90°;俯仰0°～90°。该技术已用于车载防空光电火控系统半实物仿真试验评估中,跟踪精度从0.4 mrad 提高到0.2 mrad。     

脉冲激光探测平面目标特性对测距分布的影响

针对脉冲激光近程探测系统平面目标特性影响测距分布的问题,推导了平面目标脉冲响应方程和脉冲激光回波方程,分析了不同平面目标倾斜角、激光发射发散角和激光发射脉宽对激光回波展宽的影响.基于脉冲激光回波方程和恒阈值时刻鉴别方法,推导了平面目标的测距概率密度函数解析式,并理论仿真分析了不同平面目标倾斜角、激光发射功率、激光发射发散角及阈噪比对测距统计特性分布的影响.运用蒙特卡罗算法进行全波形模拟测距实验;搭建脉冲激光测距实验环境,进行20 m测距实验.实验结果表明:理论仿真、蒙特卡罗模拟实验与实际实验的测距概率密度分布基本一致,随着平面目标倾斜角的增大,测距均值和测距方差增大;当倾斜角度为0°,20°,40°,60°时,回波信噪比高于阈噪比,测距分布呈现高斯分布;当倾斜角度为70°时,回波信噪比低于阈噪比,分布不再呈现高斯分布,呈现上升沿缓下降沿陡的分布特性.研究结果为研究目标平面特性对脉冲激光探测测距分布的影响提供了理论依据.     

激光主动照明光学系统设计

为提高跟踪测量系统对暗弱目标的探测能力,设计一套自动化激光主动照明光学系统,对跟踪测量视场范围进行主动辅助照明。该系统在0.2~5 km距离处的照明直径均为10 m,计算出其在-20℃及+45℃的温度调焦量,照明仿真结果表明系统照明不均匀性15%。通过研究系统像差对照明均匀性的影响,以及对设计的调光组进行分析,得到调光组移动量与照明距离之间的理论关系,表明自动调节调光组位置即可实现不同照明距离处的均匀照明。设计和分析结果表明,该主动照明系统能够自动调节调光组位置,实现跟踪测量视场内的均匀照明,有利于跟踪测量系统对于暗弱目标的探测。     

激光目标模拟器能量链模型的建立与分析

激光目标模拟器是激光制导武器半实物仿真系统的一个重要组成部分。它主要是用来模拟随气象条件、目标反射特性以及飞行距离的变化而变化的激光脉冲,为激光导引头提供一个与实际工作环境相接近的回波信号。从理论上论证了这种激光目标模拟器的可行性。依据波长为1 06μm的激光在大气中的传输特性,结合各种外界条件对它的影响,建立了激光传输的能量链模型,为激光制导武器半实物仿真系统提供了理论依据。     

水中单光束扫描激光引信捕获率建模与仿真

为了提高反鱼雷鱼雷(ATT)激光近炸引信对来袭鱼雷的捕获率,首先根据鱼雷目标的激光反射特性,分析了鱼雷目标回波功率随激光束入射角度和入射位置的变化规律。采用空间解析几何方法描述了ATT与来袭鱼雷的交会模型,给出了任意交会距离和姿态时目标回波功率计算方法。根据系统最小探测功率,建立了水中单光束扫描激光引信捕获率蒙特卡罗仿真模型,仿真了系统捕获率随激光脉冲频率的变化关系,获得了探测不同距离目标的最大捕获率和相应的激光扫描频率和脉冲频率。结果表明:当激光扫描频率为15Hz,脉冲频率为4kHz,系统能可靠捕获距离9m内目标。所得系统捕获率仿真模型和结果可为ATT单光束扫描激光引信系统设计提供理论参考。