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用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

邓万涛 赵刚 张茂 陈翔

邓万涛, 赵刚, 张茂, 陈翔. 用于高能激光系统的共孔径光学装置设计[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
引用本文: 邓万涛, 赵刚, 张茂, 陈翔. 用于高能激光系统的共孔径光学装置设计[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
DENG Wan-tao, ZHAO Gang, ZHANG Mao, CHEN Xiang. Design of optical device with co-aperture for high energy laser system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
Citation: DENG Wan-tao, ZHAO Gang, ZHANG Mao, CHEN Xiang. Design of optical device with co-aperture for high energy laser system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

doi: 10.3788/CO.20201301.0165
基金项目: 

国防科学技术预先研究基金项目 No.301040310

详细信息
    作者简介:

    邓万涛(1987-), 男, 贵州黔南人, 博士研究生, 工程师, 2010年于中国计量大学获得学士学位, 2013年于浙江大学获得硕士学位, 主要从事高能激光光束控制与传输方面的工作。E-mail:dengwantao@sohu.com

    赵 刚(1967—),男,四川巴中人,博士,研究员,主要从事高能激光系统总体设计方面的工作。E-mail:zhao_209@sohu.com

  • 中图分类号: TN249

Design of optical device with co-aperture for high energy laser system

Funds: 

Supported by Advanced Research Foundation of Defense Science and Technology No.301040310

More Information
  • 摘要: 高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。
  • 图  1  共孔径光学装置结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of optical device with co-aperture

    图  2  理想光学系统物象位置关系示意图

    Figure  2.  Relationship diagram of position between object and image in ideal optical system

    图  3  聚焦距离与调焦量的关系(fp在100~1 000 mm时)

    Figure  3.  Relationship of focusing adjustment quantity and focusing distance(fp is from 100 mm to 1 000 mm)

    图  4  物镜组焦距与调焦量的变化关系

    Figure  4.  Relationship of focal length of objective lens group and focusing adjustment quantity

    图  5  发射系统模型

    Figure  5.  Model of emitting system

    图  6  入射激光光斑分布

    Figure  6.  Spot distribution of incident laser

    图  7  聚焦激光光斑分布图

    Figure  7.  Spot distributions after focusing laser at different focusing distances

    图  8  M2因子与η关系

    Figure  8.  Relationship between M2 and η

    图  9  激光传输聚焦性能与M2的对应关系

    Figure  9.  Relationship between performance of laser propagation and M2

    图  10  精跟踪成像模块模型

    Figure  10.  Model of fine tracking imaging module

    图  11  接收系统模型

    Figure  11.  Model of receiving system

    图  12  不同物距对应的MTF图

    Figure  12.  MTF corresponding to different object distances

    图  13  不同物距对应的点列图

    Figure  13.  SPTs corresponding to different object distances

    图  14  1 km处光斑分布测量结果

    Figure  14.  Measurement of spot distribution at 1 km

    图  15  1 km处无人机跟踪图像

    Figure  15.  Tracking image of UAV at 1 km

    表  1  优化后各聚焦距离下的d, Δ, RMS

    Table  1.   d, Δ and RMS values corresponding to different focusing distances after optimizing

    参数类型 参数值
    L/km 0.5 1 2 3 4 5
    d/mm 137.78 125.91 119.96 117.98 116.99 116.39 114
    Δ/mm 23.78 11.91 5.96 3.98 2.99 2.39 0
    RMS 0.019 0.016 0.013 0.012 0.011 0.011 0.009
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    表  2  入射激光参数

    Table  2.   Parameters of incident laser

    参数类型 参数值
    合束激光数目 7
    合束激光直径/mm 60
    设计波长/nm 1 070~1 090
    单束激光发散角/mrad 0.12
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    表  3  成像接收系统参数

    Table  3.   Parameters of imaging receiving system

    参数类型 参数值
    视场/(′) ±6.6
    入瞳直径/mm 320
    设计波长/nm 780~840
    有效焦距/mm 1 200
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    表  4  不同物距对应的弥散圆半径最大值

    Table  4.   Maximum RMS radius corresponding to different object distances

    L/km 0.5 1 2 3 4 5
    RMS Radius/μm 2.203 0.976 0.961 0.837 0.782 0.753
    Airy Radius/μm 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7
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    表  5  激光发射系统公差分析

    Table  5.   Tolerance analysis of emitting system

    公差类型 公差名称 聚焦望远镜模块 光束馈送模块 望远镜模块
    各透镜 快反镜 分色镜 主反射镜 次反射镜
    加工公差 折射率 0.001
    阿贝数 1%
    光圈数 1 1 1 0.5 0.5
    不规则度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
    厚度 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴偏心 0.02 mm
    Y轴偏心 0.02 mm
    X轴倾斜 42″
    Y轴倾斜 42″
    装调公差 X轴偏心 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.01 mm 0.01 mm
    Y轴偏心 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
    Y轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
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    表  6  成像接收系统公差分析

    Table  6.   Tolerance analysis of receiving system

    公差类型 公差名称 精跟踪成像模块 光束馈送模块 望远镜模块
    透镜各表面 快反镜 分色镜 主反射镜 次反射镜
    加工公差 折射率 0.001 0.001
    阿贝数 1% 1%
    光圈数 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
    不规则度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
    厚度 0.04 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴偏心 0.02 mm 0.03 mm
    Y轴偏心 0.02 mm 0.03 mm
    X轴倾斜 42″ 42″
    Y轴倾斜 42″ 42″
    装调公差 X轴偏心 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    Y轴偏心 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
    Y轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
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    表  7  聚焦光斑直径

    Table  7.   Diameter of focusing spot

    L(km) k (Dx, Dy)
    (测量值)
    (Dx, Dy)
    (实际值)
    (Dx, Dy)
    (设计值)
    1 22 (1127 μm, 1156 μm) (24.79 mm, 25.43 mm) (23.6 mm, 23.6 mm)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-06
  • 修回日期:  2019-07-01
  • 刊出日期:  2020-02-01

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

doi: 10.3788/CO.20201301.0165
    基金项目:

    国防科学技术预先研究基金项目 No.301040310

    作者简介:

    邓万涛(1987-), 男, 贵州黔南人, 博士研究生, 工程师, 2010年于中国计量大学获得学士学位, 2013年于浙江大学获得硕士学位, 主要从事高能激光光束控制与传输方面的工作。E-mail:dengwantao@sohu.com

    赵 刚(1967—),男,四川巴中人,博士,研究员,主要从事高能激光系统总体设计方面的工作。E-mail:zhao_209@sohu.com

  • 中图分类号: TN249

摘要: 高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。

English Abstract

邓万涛, 赵刚, 张茂, 陈翔. 用于高能激光系统的共孔径光学装置设计[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
引用本文: 邓万涛, 赵刚, 张茂, 陈翔. 用于高能激光系统的共孔径光学装置设计[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
DENG Wan-tao, ZHAO Gang, ZHANG Mao, CHEN Xiang. Design of optical device with co-aperture for high energy laser system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
Citation: DENG Wan-tao, ZHAO Gang, ZHANG Mao, CHEN Xiang. Design of optical device with co-aperture for high energy laser system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
    • 随着军事需求的改变和激光技术的突破,应用于武器系统的高能激光系统这类新概念武器正逐渐成为反导防空的中坚力量[1-2]。它与普通的动能武器相比,具有作战效费比高、快速响应和高杀伤概率等优点[3]。高能激光系统对目标进行打击时,首先保证其跟踪模块对目标稳定闭环跟踪,然后通过光束定向模块将高能激光传输聚焦至目标上,使之受到毁伤或失效。这种工作方式决定了高能激光系统中的激光发射系统与成像接收系统必须具备极高的共轴性以满足系统打击目标所需的跟踪精度和瞄准精度。共孔径光学系统很好地满足了发射光路与接收光路的共轴性要求,且已广泛应用于激光雷达、激光测距及激光通信等激光收发系统中[4-7]。对于高能激光系统,近年来有学者研究过系统中的激光发射装置[8-9],但是并未针对共孔径光学收发装置进行过深入研究。早期有相关的学者在分析高能激光系统时引入了共孔径光学的设计思路[10-11],近年来公开报道的美军LaWS等比较典型的激光武器系统也采用了共孔径光学设计[12]。由此可推测,高能激光系统一般均采用共孔径光学的设计模式。基于上述与高能激光系统有关的概述性及设计构思性文献,本文从工程实用的角度出发,同时结合了现阶段高能激光系统在战术级武器层面的适用情况[13],设计了一套应用于高能激光系统的共孔径光学装置,并在光学设计软件中进行了仿真分析。其发射系统可将高能激光传输聚焦至0.5~5 km内的目标处。系统采用非相干空间叠加方式的合束激光作为光源,分析时以高能激光在不同目标处的光强分布情况作为评价方法。其接收系统设计为长焦距高分辨率的成像光学系统,用于对0.5~5 km距离处的跟踪目标成像,分析时以光学系统的调制传递函数(MTF)和波前信息作为评价方法。上述研究结果可对高能激光系统的工程化设计和实际应用起到一定的指导作用。

    • 本文提出的共孔径光学装置主要由主望远镜模块、调焦望远镜模块、精跟踪成像模块以及光束馈送模块组成,其结构示意图如图 1所示。

      图  1  共孔径光学装置结构示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of optical device with co-aperture

    • 发射系统用于调制高能激光使其先扩束后聚焦。在激光扩束方面,鉴于发射激光的高能/高功率特性,为避免产生光束实焦点而导致周围空气过热或击穿,选择了无焦扩束光学系统。借鉴目前应用在激光远距离传输装置上两级扩束系统[14-16]的设计思路,采用了两级扩束的设计方法。为了消除孔径遮拦,有学者研制了一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器[17]。这种装置很好地实现了激光无遮拦扩束,但是没有考虑激光聚焦。为保证不同合束方式(例如非相干空间合束、非相干光谱合束、相干合束)的高能激光的中心光束能够无遮拦地通过发射光路,第一级扩束使用了透射式伽利略望远系统,第二级扩束使用了离轴反射式卡塞格林望远系统。

      在激光聚焦方面,考虑将第一级扩束系统的目镜设置为调焦镜,利用其轴向微位移实现发射激光在不同距离处的聚焦。这样既可以减小调焦过程中光学系统失调现象的发生,也可以避免直接使用离轴反射式光学系统的次镜进行调焦造成的聚焦光束偏离中心光轴。几何光学中定义了理想光学系统的物像位置关系,如图 2所示。

      图  2  理想光学系统物象位置关系示意图

      Figure 2.  Relationship diagram of position between object and image in ideal optical system

      由此得到几何光学中的牛顿公式为:

      (1)

      令调焦镜为第一级扩束系统的目镜,焦距为fs,物镜组焦距为fp,第一级扩束系统在无焦状态时的放大率为M1,第二级扩束系统的放大率为M2。若令入射光为平行光,当系统处于无焦状态时,调焦镜轴向移动为零。当调焦镜轴向移动Δ时,光线在距离固定透镜距离L处聚焦。依据式(1),可得到如下调焦公式:

      (2)

      在该模型中,由于,所以式(2)可表达为:

      (3)

      令发射光学系统第一级扩束系统在无焦状态时的放大率为M1=1.2,第二级扩束系统的放大率为M2=4,激光聚焦焦距L为0.5~5 km,假设fp为100~1 000 mm,则根据公式(3)可得到每一个不同的fp下聚焦距离L与调焦量Δ的关系,如图 3(彩图见期刊电子版)所示。

      图  3  聚焦距离与调焦量的关系(fp在100~1 000 mm时)

      Figure 3.  Relationship of focusing adjustment quantity and focusing distance(fp is from 100 mm to 1 000 mm)

      又由图 1可知,对于每一个不同的fp值,要对激光实现0.5~5 km的聚焦,调焦量的变化范围是不一样的,fpΔ的对应关系如图 4所示。

      图  4  物镜组焦距与调焦量的变化关系

      Figure 4.  Relationship of focal length of objective lens group and focusing adjustment quantity

      图 3图 4可知,fp越大,Δ变化范围越大。所以,在进行光学设计时,fp的选择需综合考虑后期调焦机构产品的性能指标是否能够满足使用要求:若fp较小,则Δ变化范围小,在这种情况下对应的调焦促动器需满足移动量程小、移动精度高的特点;若fp较大,则Δ变化范围大,在这种情况下对应的调焦促动器需满足移动量程大、移动速度快的特点。所以,须合理地确定第一级扩束系统的物镜焦距fp,才能选择到移动量程、移动精度和移动速度均满足使用要求的调焦促动器。

      在材料选择方面,发射光路主要由两级扩束系统组成,第一级扩束系统的光学元件由于其口径较小,所以考虑采用低吸收、低膨胀、均匀性好、硬度强的材料,同时考虑到对非窄线宽的激光消色差作用,可采用熔石英与UBK7共同搭配使用。第二级扩束系统的光学元件均为反射元件,其必须具备高抗激光损伤阈值、高反射率、热变形小等特点,所以根据高功率激光反射镜的材料特性,可选择单晶硅这种综合热性能比值较小的材料作为反射镜的基底材料。

    • 接收系统用于生成精跟踪所需的目标图像,为了保证系统的跟踪精度,接收光路除了要与发射光路共轴之外,其光学系统还要满足高成像质量和高成像分辨率的要求,所以该系统应具有长焦距,小视场和高分辨率的特点。在设计时,一般依据接收系统的总指标体系要求和主望远镜模块的倍率,先单独设计精跟踪成像模块,然后再与主望远镜模块一同配合优化。令接收光路的焦距为fr,视场为ωr,主望远镜模块的放大倍率为M,精跟踪成像模块的焦距为ft,视场为ωt,则有如下关系:

      (4)
      (5)
    • 令入射光束直径为Di=60 mm,考虑到发射光束在传输过程中会受到光束馈送模块中快速反射镜的角度调制,所以整个系统的最大视场角设置为θ=0.3°,第一级扩束在无焦状态时的放大率为M1=1.2,第二级扩束放大率为M2=4,使用Zemax光学设计软件先对模型进行0.5~5 km聚焦距离的优化,其模型如图 5所示。

      图  5  发射系统模型

      Figure 5.  Model of emitting system

      图 5中所示的光学组件之间的距离d的变化量作为调焦量,模型在多重组态模式下分别以0.5、1、2、3、4、5 km以及无焦状态作为系统后截距进行优化直至弥散圆尺寸均小于艾里斑尺寸。优化后各聚焦距离对应的调焦量和系统在不同视场角下的波前RMS最大值如表 1所示。

      表 1  优化后各聚焦距离下的d, Δ, RMS

      Table 1.  d, Δ and RMS values corresponding to different focusing distances after optimizing

      参数类型 参数值
      L/km 0.5 1 2 3 4 5
      d/mm 137.78 125.91 119.96 117.98 116.99 116.39 114
      Δ/mm 23.78 11.91 5.96 3.98 2.99 2.39 0
      RMS 0.019 0.016 0.013 0.012 0.011 0.011 0.009
    • 为了获取高能激光经过激光发射系统后在聚焦距离处的光斑分布情况,在Zemax非序列模式下重构优化后的模型,并设置入射光为7路非相干空间平行的基模高斯激光,具体参数如表 2所示。通过Matlab接口导入探测器数据,计算得到光斑分布示意图如图 6所示,同时通过代入表 1的对应参数即可得到聚焦激光光斑分布示意图,如图 7所示。

      表 2  入射激光参数

      Table 2.  Parameters of incident laser

      参数类型 参数值
      合束激光数目 7
      合束激光直径/mm 60
      设计波长/nm 1 070~1 090
      单束激光发散角/mrad 0.12

      图  6  入射激光光斑分布

      Figure 6.  Spot distribution of incident laser

      图  7  聚焦激光光斑分布图

      Figure 7.  Spot distributions after focusing laser at different focusing distances

      图 7可知,聚焦光斑的中心截面数据均能拟合成高斯曲线,所以光斑的强度分布呈高斯分布。图中的各光斑直径通过二阶矩法计算得到,且光斑直径D与聚焦距离L满足如下关系式:

      (6)

      θout为经发射系统后单束激光的发散角,其由式(7)计算得到:

      (7)

      其中θin为由单束入射激光的发散角,其值为0.12 mrad,M为发射系统在无焦状态下的总扩束倍率,其值为4.8。以上结果说明了在不考虑环境因素的情况下,发射系统可对非相干空间合束激光在不同传输距离处聚焦,且聚焦光斑能表征激光远场分布。

    • 以高功率光纤激光器产生的连续激光为例,输出的激光光强分布一般可表示为拉盖尔—高斯模的叠加[18],以L-G00模式(基膜)与L-G10模式的非相干叠加场作为各单束激光的光场[19],则单束入射激光光强表达式为:

      (8)

      其中:

      (9)
      (10)
      (11)

      其中L-G00模式的功率占比η(0≤η≤1)与M2(指代Mx2My2)之间的关系如图 8所示[19]

      图  8  M2因子与η关系

      Figure 8.  Relationship between M2 and η

      对于高能激光系统而言,激光的光束质量因子决定了系统的性能优劣,在实际情况中,并无理想的基模高斯激光存在,所以根据图 8中的曲线,设置相应的L-G00模式的功率占比为η,使单束激光光束质量因子M2在1~2内变化,同时将不同M2的子激光束进行非相干合束后作为激光发射系统的入射激光光源进行传输聚焦仿真。

      以传输聚焦后的远场激光光斑的环围直径D和相对峰值光强I作为激光传输性能优劣的评价标准,其中环围直径D所包围圆内的激光光强为总光强的86.5%,相对峰值光强以基膜高斯光束的峰值强度为归一化标准。计算得到了不同M2值的非相干合束激光在传输聚焦距离为0.5~5 km时,激光传输性能变化情况,如图 9所示。

      图  9  激光传输聚焦性能与M2的对应关系

      Figure 9.  Relationship between performance of laser propagation and M2

      图 9所示结果可知,激光的光束质量越好,激光发射系统的传输聚焦性能越优,反之亦然。所以,在进行激光器的参数设计时,需充分考虑高能激光系统的应用场景,以便确定合适的M2值以满足系统的使用要求。

    • 由于接收系统是由主望远镜模块、光束馈送模块和精跟踪成像模块3块独立部件组成,从模块化设计角度出发,应先单独对精跟踪成像模块进行设计优化,然后再与其余两模块配合使用,接收系统各光学指标如表 3所示。

      表 3  成像接收系统参数

      Table 3.  Parameters of imaging receiving system

      参数类型 参数值
      视场/(′) ±6.6
      入瞳直径/mm 320
      设计波长/nm 780~840
      有效焦距/mm 1 200

      依据表 3中的参数设置和公式(4)、(5),即可获得精跟踪成像模块的初始设计参数。在设计过程中,需充分考虑对成像波段满足消色差的要求,分别选择了H-K9L、H-LAK4L、H-ZK7等冕类玻璃和H-ZF11、H-LAF50B等火石类玻璃搭配使用,设计模型图如图 10所示。

      图  10  精跟踪成像模块模型

      Figure 10.  Model of fine tracking imaging module

      在精跟踪成像模块优化完成后,将其与其余两模块共同组成接收系统,系统模型图如图 11所示。

      图  11  接收系统模型

      Figure 11.  Model of receiving system

      图 11中的物面距主望远镜模块主镜的距离分别设置为0.5~5 km,可得到不同物面距离下对应的接收系统的MTF曲线,如图 12所示。

      图  12  不同物距对应的MTF图

      Figure 12.  MTF corresponding to different object distances

      图 12可知,在不同物距的光学传函曲线中,当空间频率为70 lp/mm时,其对应的MTF值均大于0.5。

      图 13则给出了同物距下接收系统在不同视场角的点列图,同时表 4给出了不同物距对应的各视场的SPT中RMS半径最大值。

      图  13  不同物距对应的点列图

      Figure 13.  SPTs corresponding to different object distances

      表 4可知,不同物距的不同视场成像弥散圆尺寸均优于衍射极限值。结合上述结果,在对精跟踪成像模块探测器进行选型时,可选择像元尺寸为7.4 μm×7.4 μm的成像器件,这样既能使接收系统的MTF结果满足探测器视频信号分辨率的要求,也能满足衍射极限的艾里斑尺寸不大于一个像元尺寸的成像要求。

      表 4  不同物距对应的弥散圆半径最大值

      Table 4.  Maximum RMS radius corresponding to different object distances

      L/km 0.5 1 2 3 4 5
      RMS Radius/μm 2.203 0.976 0.961 0.837 0.782 0.753
      Airy Radius/μm 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7
    • 在设计软件中通过公差分析功能,采用灵敏度分析方法分别对激光发射系统和成像接收系统进行公差分析。在分析过程中,以RMS波前为评价标准,波长选择为λ=1 070 nm,分析涵盖了所选光学系统的所有组态和视场,用基于蒙特卡罗算法计算系统RMS波前优于0.05λ时概率大于90%的公差分配情况。

      在激光发射系统和成像接收系统中,共孔径的光学元件为望远镜模块和光束馈送模块,所以在对上述两系统进行公差分析时,共孔径的光学元件公差分配应相同。经过分析计算,得到上述两系统的公差分配结果如表 5表 6所示。

      表 5  激光发射系统公差分析

      Table 5.  Tolerance analysis of emitting system

      公差类型 公差名称 聚焦望远镜模块 光束馈送模块 望远镜模块
      各透镜 快反镜 分色镜 主反射镜 次反射镜
      加工公差 折射率 0.001
      阿贝数 1%
      光圈数 1 1 1 0.5 0.5
      不规则度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
      厚度 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
      X轴偏心 0.02 mm
      Y轴偏心 0.02 mm
      X轴倾斜 42″
      Y轴倾斜 42″
      装调公差 X轴偏心 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.01 mm 0.01 mm
      Y轴偏心 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.01 mm 0.01 mm
      X轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
      Y轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″

      表 6  成像接收系统公差分析

      Table 6.  Tolerance analysis of receiving system

      公差类型 公差名称 精跟踪成像模块 光束馈送模块 望远镜模块
      透镜各表面 快反镜 分色镜 主反射镜 次反射镜
      加工公差 折射率 0.001 0.001
      阿贝数 1% 1%
      光圈数 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
      不规则度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
      厚度 0.04 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
      X轴偏心 0.02 mm 0.03 mm
      Y轴偏心 0.02 mm 0.03 mm
      X轴倾斜 42″ 42″
      Y轴倾斜 42″ 42″
      装调公差 X轴偏心 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
      Y轴偏心 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
      X轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
      Y轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″

      由以上两表可知, 激光发射系统和成像接收系统的整体公差分配较合理, 具有可实现性,其中望远镜模块对公差敏感,因为该模块使用了离轴反射式非球面光学元件,对加工和装调的要求较高。

    • 采用文中设计方案研制了低功率激光系统样机,并进行验证。为了尽量减小大气对激光传输和成像的影响,实验在早晨7点前进行,通过相关的大气参数测量仪器得到的实验过程中的大气折射率结构常数由于实验条件有限,只进行了1 km距离处地面基于漫反射靶板成像的低功率激光聚焦验证和1 km处对空四旋翼无人机成像。

      首先在距离样机L=1 km处的地面放置漫反射靶板,通过调整使得样机的成像接收系统对靶板成像;其次在漫反射靶板的前方与光轴呈小角度方向的一定距离处架设光束质量分析仪,使其能对靶板清晰成像,同时标定得到物像比为k=23;设置样机调焦距离为1 km,然后对靶板发射激光,此时应用光束质量分析仪对漫反射激光光斑进行成像,并记录光斑尺寸,测量结果如图 14所示。

      图  14  1 km处光斑分布测量结果

      Figure 14.  Measurement of spot distribution at 1 km

      将光束质量分析仪的物像比k图 12中光斑尺寸测量值相乘可以得到上述实验距离下光斑尺寸的实际值,该值与设计值非常接近,如表 7所示。

      表 7  聚焦光斑直径

      Table 7.  Diameter of focusing spot

      L(km) k (Dx, Dy)
      (测量值)
      (Dx, Dy)
      (实际值)
      (Dx, Dy)
      (设计值)
      1 22 (1127 μm, 1156 μm) (24.79 mm, 25.43 mm) (23.6 mm, 23.6 mm)

      然后在距离样机L=1 km的空中悬停六旋翼无人机,悬停高度约为100 m,样机通过成像接收系统对其进行精跟踪成像,如图 15所示。可见,在实验过程中,样机对无人机的跟踪图像始终保持清晰。

      图  15  1 km处无人机跟踪图像

      Figure 15.  Tracking image of UAV at 1 km

    • 综上所述,本文研究的共孔径光学装置的激光发射系统可通过改变调焦望远镜模块的目镜位移,实现线宽为±10 nm的高能激光在0.5~5 km处的聚焦,且聚焦光斑能较好满足高能激光系统远距离传输聚焦的需求。在发射系统中应用了折反式两级扩束的方法来实现激光发射聚焦,虽然光学元件的增加会影响激光透过率,但是相比于单一的离轴反射式调焦扩束系统,其将调焦机构设置在第一级扩束系统中,可保证激光光束在调焦过程中始终不会偏离光轴,大大提升了发射系统的稳定性。而成像接收系统能对0.5~5 km处的物点在780~840 nm波长区间实现较高的成像质量,且由于调焦望远镜模块为非共孔径部分,所以在其工作时,接收系统的光路状态不会因发射系统调焦而变化。这种设计方式可始终保持成像的稳定性,从而保证高能激光系统对目标的跟踪精度。最终通过在外场开展的样机实验也证实了该共孔径光学装置设计正确合理,具备可应用性。

参考文献 (19)

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