水平式跟瞄发射系统-光学组终期报告

1、2016年入所职工岗前培训光电技术班培训光学分系统结题报告内容：光学分系统导师：高云国、何锋赟提交报告日期 2016.11.28 检查组长签字1 系统概述小型跟踪发射系统由跟瞄发射转台分系统、激光器分系统、捕获跟踪分系统、载车/配套四个分系统组成。通过对目标的捕获、跟踪，发射高功率激光。2 光学系统主要指标要求2.1 主要目标对象 a）机载前视红外系统；b）中远程红外成像末制导系统；c）空地激光/电视制导系统。2.2 捕获跟踪距离（良好大气条件） 捕获跟踪飞机20km（最小有效截面2m×3m）；捕获跟踪导弹12km（0.3m×4m）2.3 干扰激光波段a）长波干扰波长：10

2、.6m或9.3m；b）短波干扰波长：1.06m。2.4 激光干扰距离1）长波激光器干扰距离（10.6m或9.3m）15km（机载前视红外系统），10km（红外成像制导武器导引头）。2）短波激光器干扰距离8km（空地激光/红外制导系统）；3 可见光、红外光学系统设计方案3.1 光学系统选型光学系统选型的考虑原则有二点：(1)光学系统参数：选择最适合的系统形式，满足光学系统参数；(2)外形尺寸和重量：选择最适合的系统形式，满足系统外形尺寸和重量。除了以上这二个基本原则还应该充分考虑系统的杂散光影响、抗振动冲击能力以及与光机结构的一体化等。常用的光学系统有以下三种形式，透射式系统、反射式系统、折反射

3、式系统。现总结各种光学系统结构的优缺点如下：3.1.1 反射系统的特点(1)反射系统无色差根据光线追迹理论和斯涅耳定律，反射镜对所有波长的折射率都是-1.0，全反射系统没有任何色差。因此，反射光学系统特别适合于多光谱段的应用，或折射材料昂贵或不可获得的情况。(2)有中心遮拦反射镜彼此妨碍，因此，在诸如卡塞格林结构的反射光学系统中经常存在中心遮拦。这种遮拦影响综合光通量，影响像的对比度即MTF，而且增加了安装和校准的难度。次反射镜的支撑结构对入射光有最低限度的遮拦，而且支撑结构必须坚固。(3)需要非球面反射光学系统可以有效使用的表面数量有限，所以，很少像折射系统那样有足够的表面来考虑像差的最小化

4、。例如，典型的双高斯镜头由七片透镜组成。如果没有胶合元件，将有14个半径，利用这些半径使光线弯曲最小化，进而使剩余像差最小。在卡塞格林反射系统结构中，只有两个表面，这对像差的控制来说太少了，因此需要使用非球面。对反射镜来说，最常见的方法是超精车削即金刚石车削。(4)视场小元件数量少，以及挡光问题和反射镜彼此妨碍的事实使反射系统的视场通常小于折射系统的视场。(5)质量轻在多数情况下，反射系统可以用质量轻的材料制造。(6)固有的无热化反射系统，如果用单一材料如用铝来制造，通常是无热化的。换一种说法，对于均匀的温度升高或降低，整个系统的膨胀或收缩取决于材料的热膨胀系数。由于所有系统参数均匀缩放，所以

5、成像依然清晰。微晶玻璃是一种热膨胀系数几乎为零的玻璃材料，通常被用于大的玻璃反射镜。重要结论是反射系统有完全无热化的潜力，即完全由同一种材料制造的全反射系统是无热化的。(7)容易产生杂散光反射系统经常遇到直接或间接到达最终传感器的视场外杂散光问题。卡塞格林系统就是例子，它需要适当遮拦以抑制在两个反射镜孔径外直接通过的有害杂散光。典型的反射系统如图1所示图1 反射系统示意图3.1.2 折射系统的特点(1)直通性系统直接起作用，没有任何中心遮拦，可获得较高的光效率，不存在与中心遮拦相关的像质下降问题。(2)球面采用传统的加工方法折射系统中大多采用的是球面，可以增加透镜元件并使用必要的技术使像差达到

6、最小，因此可避免非球面的昂贵加工方法问题。(3)可以增加许多元件这使得设计大视场、大相对孔径系统成为可能。典型的透射系统如图2所示。图2 透射系统设计图3.1.3 折反射式系统的特点(1)由于透射元件的加入，色差不可避免。(2)纯反射式系统，可消除球差，但在一般情况下，轴外像差大，难以在大视场内获得良好的像质，而且非球面镜不容易加工，制造成本高，所以在早期的一些光学遥感相机中采取了折衷的方法，经常采用折反混合式光学系统。典型的折反射系统如图3所示。图3 折反射系统示意图一反射式系统和折反射式物镜通常用于大口径、长焦距的望远系统采用。因为反射镜不产生色差，光路反射转折可以缩短轴向长度。双反射面系

7、统是应用较多的反射式物镜，主要有两种型式：一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面，副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；二是格列果里系统，其主镜仍是抛物面，副镜是椭球面，成正像，镜筒长。“传统的”卡塞格林望远镜有抛物面镜的主镜和双曲面的次镜，将光线反射并穿过主镜中心的孔洞，折叠光学的设计使镜筒的长度紧缩。在小望远镜和照相机的镜头，次镜通常安装在封闭望远镜镜筒的透明光学玻璃板上的光学平台。这样的装置可以消除蜘蛛型支撑造成的“星状”散射效应。封闭镜筒虽然会造成集光量的损失，但镜筒可以保持干净，主镜也能得到保护。它利用双曲面和抛物面反射的一些特性，凹面的抛物面反射镜可以将平行于光轴入射的所

8、有光线汇聚在单一的点上焦点；凸面的双曲面反射镜有两个焦点，会将所有通过其中一个焦点的光线反射至另一个焦点上。这一类型望远镜的镜片在设计上会安放在共享一个焦点的位置上，以便光线能在双曲面镜的另一个焦点上成像以便观测，通常外部的目镜也会在这个点上。抛物面的主镜将进入望远镜的平行光线反射并汇聚在焦点上，这个点也是双曲线面镜的一个焦点。然后双曲面镜将这些光线反射至另一个焦点，就可以在那儿观察影像。图4 折反射系统示意图二3.2 优化设计光学设计必须校正光学系统的像差，但既不可能也无必要把像差校正到完全理想的程度，因此需要选择像差的最佳校正方案，也需要确定校正到这样的程度才能满足使用要求，即确定像差容限

9、。这两方面都属于光学系统质量评价问题，它对光学设计者具有重大指导意义。任何物体可以分解为点，也可以分解为各种频率的谱，两种不同的分解方法构成两类评价光学系统的方法。第一类以物点所发出的光能在像空间的分布状况作为质量评价的依据。事实上，即使理想光学系统，也会由于衍射使点物不能成点像而形成一个衍射光斑。点像的衍射图样中，光能主要集中在中央亮斑中，这一亮斑称为艾里斑，而像差的存在使衍射光斑的能量比无像差时更为分散。属于这一类的像质评价方法有斯特列尔判断、瑞利判断和分辨率。对于大像差系统，通常用几何光线的密集程度来表示，与此对应的评价方法有点列图。第二类方法是仿效电讯系统而得到的。电讯系统和光学系统从

10、传递信息的观点来看并无本质的差别。大多数情况下，可把光学系统看成是线性系统，并用傅氏分析法将物体分解为一系列不同频率的正弦分布，它们经线性系统传递到像方时频率不变，但对比度要下降、要发生相移，并截止于某一频率。对比度的降低和相移与频率之间的函数关系称为光学传递函数，它与像差有关，因此光学传递函数是评价光学系统的像质的更全面、客观的一项指标。光学设计软件中有许多的分析类型，但是只需要几种分析就可以确定透镜是否满足技术要求。这些分析结果也有助于对优化的设置。1、快速绘制像差曲线为了查看有可能出现问题的视图，绘制一条光线像差曲线是检查光线追迹法的数据的有效方法。光线的横向像差是同一个视场发出的一条实

11、际的光线与主光线在像面上的距离的度量。对于一组即使是空间光线来说，横向的像差曲线是以在光阑或瞳孔中位置的函数来绘制的。2、快速绘制点列图一个点列图并不是技术条件所需要的一部分，但是，它可以被用来对该透镜的成像质量图给出一种快捷和容易的分析。3、畸变近轴像高和视场角有下列关系，。如果真正的像高和近轴像高不一致，就会存在畸变。所以畸变是一种与视场相关的像差，并且经常和另外一种与视场相关的像差像散，一起被显示为一条曲线。优化的目的是为了设计和制造出成像质量可能是最好的光学系统，同时也满足事先给定的一组物理和其他的限制条件。术语“最好”是用一个误差函数来计量的，误差函数把图像的误差数据都组合成一个单一

12、的数字，并力图使该数字尽可能的小。光学设计软件的优化属性成为自动设计，缩写为 AUTO。AUTO使用一种加速阻尼二乘法（DLS）算法使可以改变系统成像质量的变量发生变化。约束要求对搜索最佳解设置边界条件。如果需要，AUTO会使用Lagrangian（拉格朗日）乘数强行加入约束条件。这种可以对约束条件进行精确地控制，而不要求限制条件被包括在误差函数本身中，通常会在限定的求解区域内比较快和比较平稳地收敛到一个最优化的解。图5 自动优化流程3.3 红外光学系统设计3.3.1 红外光学系统的技术主要技术指标：1) 焦距400mm2) 视场角1.76°3) F#44) 波长3.4m-5.1m5

13、) 分辨率 640×5126) 探测器尺寸9.6mmm×7.68mm7) 像元尺寸15微米8) 光学总长380mm通过以上指标可以看出需要的光学系统为长焦距、中等口径的光学系统，在这种口径的光学系统中，首选为反射式光学系统，由于反射系统镜片少、无色差等优点，选择这样的光学系统可以缩短系统的长度，满足此光学系统在有限空间工作的要求，同时还可以减轻系统的重量，材料更加容易选取，这是因为反射镜的材料比透射镜的材料更加容易制造。不过，由于传统全反射式系统的视场角度过小，因此，需要在全反射式结构的基础上设计折反射式光学系统。综上所述，选取本光学系统的基本结构为折反射式光学系统，根据以

14、上的设计技术指标，运用光学设计软件进行设计优化，从而达到要求的技术指标。3.3.2 红外光学系统设计结果表1 自动优化与手动优化后的透镜数据表面编号表面类型Y半径厚度材料Y半口径物面无限无限无限 1二次曲面-488.065-163.622反射镜612球面-299.552286.588反射镜16.53球面-1584.1507.000Si27.54球面-129.4622.538空气27.55球面41.2887.000Si24.56球面76.8642.429空气24.57球面196.8384.000Ge21.08偶次非球面53.38736.078空气21.0光阑球面无限25空气6.35像面

15、球面无限06.35表2 非球面系统表面编号表面类型圆锥系数4次项6次项8次项1二次曲面-0.6250 008偶次非球面0-1.561e-6-8.147e-107.570e-14图6 中波红外光学结构图7 优化后光学系统像差从像差图中可以看出来，经过优化设计之后，系统的像差有了明显的改善，符合指标要求。图8 优化后光学系统的点列图图9优化后的畸变与场曲图10 优化后光学系统的MTF函数的基础是线性滤波理论，它适于分析各种线性的、空间不变和稳定的系统对信号的响应，是成像系统像质评价和分析的重要手段。MTF描述了光电系统对于正弦波输入的振幅响应，反映了线性系统各子系统对于各频率分量对比度的

16、传递特性，即随频率增加图像对比度要衰减，它确定了成像系统对于目标细节的分辨能力。当整个系统幅值响应具有线性或相移不变性时，系统的总体响应可表示成一个MTF它是各个分系统MTF的乘积 （1）式中：为光学系统的MTF；为大气系统的MTF；为探测器和电子学系统的MTF；为目标的MTF。根据经验值=0.5，=0.65，=0.3，=0.02，则有=0.205。即光学系统的MTF不能低于0.2。图10绘出了光学系统的调制传递函数曲线。由CCD的像元尺寸a=15m可知，截止频率为 1/2a=33lp/mm。从图10中可以看出，各视场的调制传递函数曲线在特征频率处的值均在0.27以上，接近衍射极限。综上，光学

17、系统设计遵循了红外捕获跟踪光学设计原则，并且能够达到设计指标要求。3.4 红外光学系统设计3.4.1 可见光学系统的技术主要技术指标：1) 焦距200mm2) 视场角3.21°3) F#3.64) 波长500nm-700nm5) 分辨率 1392×10406) 像元尺寸6.5微米7) 光学总长7.2mm通过以上指标可以看出需要的光学系统为中等焦距、中等口径的光学系统。由于光学系统的视场角度较大，在这种口径的光学系统中，首选为透射式光学系统。采用透射式结构没有卡塞格林反射系统的中心遮拦，并且可见光波段的材料比较丰富，色差校正容易实现。综上所述，选取本光学系统的基本结构为透射射

18、式光学系统，根据以上的设计技术指标，运用光学设计软件进行设计优化，从而达到要求的技术指标。3.4.2 可见光光学系统设计结果表3 自动优化与手动优化后的透镜数据表面编号表面类型Y半径厚度材料Y半口径物面无限无限无限空气光阑二次曲面101.53410.635HQK3L27.82球面-213.6970.5空气27.33球面56.80513.332HFK6125.84球面-140.9868HZLAF53A24.45球面84.63717.380空气21.96球面64.65810.136HZLAF56A19.77球面-85.5005TF318.68偶次非球面31.269107.197HQK3L15.6像

19、面球面无限06.35图11 可见光光学系统结构图12 优化后光学系统像差从像差图中可以看出来，经过优化设计之后，系统的像差有了明显的改善，符合指标要求。图13 优化后光学系统的点列图图14 优化后的畸变与场曲图15 优化后光学系统的MTF可见光系统的总体响应MTF用各个分系统MTF的乘积来表示 （2）根据经验值=0.5，=0.65，=0.3，=0.6，则整个光学系统的对比度大于0.0585。综上，可见光光学系统的分辨率能够满足设计指标要求。3.5 激光光学系统设计3.5.1 激光光学系统的技术主要技术指标：1）数引跟踪发射光斑直径:120mm；2）发射激光波段: 1.06m短波/10.6m长波

20、；4）发射激光束散角： 1 mrad短波/1.2 mrad长波；5）发射激光功率：50W；6）重复频率：1kHz10kHz连续可调；7）脉冲宽度：50ps。3.5.2 方案1） 长波激光：a) 干扰激光波长：9.3m、10.6m，切换。b)出口光斑直径：40mm；束散角：1.2mrad；c) 重复频率：单次、100Hz、200Hz分档可调。d) 激光器平均功率：2kW（平均值，10.6m，重频200Hz）；1.5kW（平均值，9.3m，重频200Hz）。e) 采用 3倍扩束方案；f) 发射束散角0.4±0.15 mrad；2）短波激光：a) 激光波长：1.06m；b) 出光频率：10

21、kHz；c) 平均功率：50W。e) 直接通过库德光路；f) 发射束散角1±0.1 mrad；3.5.3 设计结果1）10.6m长波激光激光发射系统：完成3X离轴激光扩束光学系统设计及库德光路设计。5.2 激光扩束器机构形式选择激光扩束器有两种设计形式：开普勒式和伽利略式，具体见图16。 图16 扩束的两种结构1）开普勒式光束通过两组正镜（组），通过第一正镜（组），出现一个真实的焦点，再通过第二个正镜（组），并出现一个倒影，这两个元件（组）之间的距离由这两个正镜（组）焦距决定。开普勒式系统具有实际光束聚焦点，强脉冲激光过度聚焦时会导致光腰太小，产生空气击穿现象，致使光学元件受到损伤。

22、2）伽利略式光束通过1个负镜（组）产生发散光，以这种放大的状态再通过1个正镜（组）复原成平行光，负镜（组）的焦点必须与正镜（组）的焦点重合。这两个元件（组）之间的距离由他们实际的焦距决定。伽利略式系统的公焦点为虚焦点，避免了空气的击穿效应，且光学系统的轴向尺寸小于开普勒式系统。基于以上考虑，应选用伽利略式扩束器，即正负镜组合。初始结构确定后，根据像质要求确定前组F/#，从而确定前后间隔，并初步计算各光学表面半径；将以上初始数据输入CODE V光学设计软件，并在最后一个光学表面后加入一理想透镜将出射平行光汇聚，以便分析像质。为了使光束均能达到理想像质，将两级扩束系统设计时焦距分别取做160mm和

23、480mm。图17 离轴反射镜扩散系统表4 优化后的离轴反射镜数据表面编号表面类型Y半径厚度二次曲面系数1镜二次曲面320-320-1.02镜二次曲面960700-1.02）短波和长波的合束图18 长波激光光路图图19 短波和长波激光合束的光路图3.5.4 激光方向调整监测精度分析激光监测系统需要实时测量激光光束的光束方向，并且将测量的光束偏移信息传到伺服系统中，通过伺服系统完成激光方向的精确调整。激光监测系统由快速反射镜、分束镜1、分束镜2、10:1能量衰减片、能量吸收板、聚焦透镜组以及CCD成像单元组成。监测激光方向有两种方法，一种是通过“漏光”方法进行直接监测；另一种是间接监测，间接监测的方法有：光栅测角法、自准直法、全内反射差动探测法、干涉测量法。由于本系统方案出射激光光束为可见光波段，所以选用直接的监测方法来完成光束方向的实时监测，具体见图20-图23。图20 激光监测光路图 图21 激光监测系统点列图图22 激光监测系统能量吸收光路图 图23 激光监测系统示意图激光检测系统方案设计：激光监测系统原理图如图所示，像面CCD的像元尺寸为a，测量像点偏离中心视场像元个数为N，聚焦透镜组的焦距为f，光束的偏转角度为，具体见图24-图25。那么有：tan=Na/f （3）可得偏转角度