共形整流罩技术研究

由于共形光学技术对红外制导导弹的空气动力学性能提高明显,近年来对该领域研究的投入不断加大,文章通过对比安装有共形整流罩导弹与传统导弹的作战性能,说明了共形光学技术在提高导弹机动性和隐身性方面的优势,论述了共形光学研究领域的难点问题,详细介绍了固定校正器、反向旋转位相板、可变形性反射镜等几种设计方案,用于消除共形整流罩随扫描视场变化的像差,并对各方案的优点与不足进行了讨论,简单介绍了共形光学零件加工与检测技术,最后对共形光学的未来进行了展望。     

采用相位板的中波红外共形光学系统设计

为了满足现代军事装备中的侦查需求,提出了一种新型的红外共形成像光学系统,在消除光学头罩引入的复杂像差过程中,采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正.给出了一个红外共形成像光学系统设计实例,其工作谱段为3.7μm～4.8μm,焦距为40mm,长径比为1.0,瞬时视场为2°,扫描视场为±15°.结果表明,在奈奎斯特频率...     

高速导弹红外成像末制导对气动光学效应技术研究的需求

高速导弹采用红外成像末制导技术实现直接碰撞目标是精确制导武器发展的主要方向。从高速导弹采用红外成像末制导技术所面临的新问题出发，研究了气动光学效应规律，进行气动光效应的校正对高速导弹光学头罩的设计，提高导引头对目标探测的信噪比以及提高末制导精度和抗干扰能力具有重要作用。     

利用后置式固定校正板进行共形光学系统像差校正

共形整流罩具有良好的空气动力学性能,但非球面的外形引入了随观察视场不断变化的非轴对称像差,通常采用固定校正板和动态校正机构来补偿各观察视场中整流罩引入的大像差和动态像差。为避免动态校正机构对系统稳定性造成的影响,提出了将固定校正板置于实际成像系统后或实际成像系统中的大像差和动态像差的补偿校正方案。软件模拟结果表明:将折衍混合固定校正板后置的折反式共形光学系统模拟结构能够获得动态范围仅为0.12个波长的点斑设计结果,且系统避免了动态像差补偿机构的使用,有利于稳定性的提高。     

超音速共形光学系统动态热差实时校正研究

随着科技的发展,高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响,设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统,系统采用楔形镜进行视场扫描,瞬时视场2=4,扫描视场2=60,完成了速度为3Ma、攻角为0共形整流罩空气动力学仿真实验,得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值,通过流固耦合,计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合,将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中,观察其对成像质量的影响。结果表明:共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度,文中通过采用空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）对不同时刻的像差进行校正,校正后系统成像质量接近衍射极限,实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正,对高精度飞行器有着重要科学意义。     

中波红外弹载共形光学系统研制

以优化系统整体性能为目的,针对弹载跟踪系统,设计了一种基于共形光学整流罩的红外光学系统。首先,根据载弹信息,通过数值仿真计算及相关验证风洞试验,得到共形整流罩外曲线;通过优化分析,得到整流罩内曲线。应用Wassermann-wolf方程,结合Zernike多项式像差分析方法,设计两片固定式校正片,用于校正共形整流罩带来的附加像差。选择F=2的制冷型中波红外探测器,设计折反式成像光学系统,通过ZEMAX软件优化共形光学整体系统,并进行了公差分析。共形光学系统焦距120 mm,冷阑效率100%,设计传函在各视场范围内均大于0.6,公差分析后,均大于0.4。通过成像测试试验,结果表明,共形光学系统成像质量良好,满足跟踪设备对光学成像系统的要求。     

一种高速飞行器自主式惯性/红外成像制导系统

提出了一种新的自主式高速飞行器惯性制导／红外成像制导方案。方案采取了四种措施——飞行器减速、红外窗口外加保护盖、红外成像制导安装在仪器舱段、缩短红外制导工作时间来降低高速飞行器气动光学效应校正和图像模糊校正的研究难度,使高速飞行器红外成像制导应用成为可能。     

气动光学效应光电校正方法研究

采用红外成像寻的精确制导体制的高速飞行器在大气中以高超音速飞行时。头罩周围的高温激波流场将产生气动光学效应,这种效应严重影响了导引头对目标的探测、识别与跟踪,必须对此采取措施进行校正。文中介绍了气动光学效应的光电校正方法,包括基于波前检测与基于像清晰化校正以及高频微型光电子校正等自适应光学校正、图像帧频与帧积分时间自适应变化校正和光学与图像处理综合校正等方法,并对各种方法进行了比较分析。     

基于BOS技术的气动光学流场传输效应成像偏移校正方法研究

高速成像制导导弹在大气中飞行时,受到气动光学效应的影响,目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正,对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性,校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量,建立畸变图像与参考图像之间的控制点对,采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数,利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理,完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物（透镜）和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正,实验结果验证了校正方法的有效性。     

共形光学系统消色差设计

设计了一个红外波段消色差共形光学系统.共形整流罩采用流线型几何外表面,能够有效减少空气阻力,提高导弹飞行性能.但是上述表面破坏了球形整流罩的点对称几何特性,使该系统具有大倾斜、大偏心光学特性,引入依赖于目标视场和瞬时视场的动态像差特性.已报道的文献都是针对单色像差校正问题,而对于大目标视场下单色像差与色差校正难点一直没有相关研究报道.基于实际光线追迹结果、通过衍射元件色散特性和构建适当的光学系统结构,克服了导引头内部有限的空间限制,实现了系统消色差设计.最后设计实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好的成像质量.     

含特殊整流罩的红外光学系统设计

提出了一种有效的特殊整流罩及其像差校正器的设计方法,运用Wassermann-Wolf微分方程组(W-W方程组)的原理,通过在商业光学设计软件中编译宏程序曲面拟合的方法得到校正器最佳面形,从而可以校正整流罩引入的球差、彗差,使系统成像质量得到较大的改善.文章在基于W-W方程的基础上,针对应用于红外系统的特殊整流罩做了实际方案设计,研究的光学系统工作谱段为中波红外,视场大于3.5度,F数F/1～F/2.5,系统采用了复杂化的R-C系统,最终成像质量达到衍射极限,可以满足特殊条件下的红外谱段成像要求,具有较高的实用价值.     

氟化镁共形整流罩热障效应分析及试验验证

围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析,模拟了真实飞行状态,建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型,计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度;再根据红外探测基本原理,分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响,计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度,即研究热障效应产生机制;最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明,对于该红外成像探测系统,氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K,即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下,热障效应显著,若想进一步加快红外成像制导武器的飞行速度,必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

大扫描视场红外椭球形整流罩光学系统设计方法

应用椭球形整流罩的飞行器具有良好的空气动力学特性,但由于头罩的非旋转对称结构特性,后续红外搜索/跟踪成像系统难以同时实现大扫描视场与良好成像质量.为解决这一难题,提出一种基于拱形校正元件和动态校正器的椭球形整流罩光学系统设计方法,使用该方法设计的中波红外头罩光学系统具有±54°的超大扫描视场,且成像质量在整个扫描和瞬时视场内接近衍射极限.     

无波前传感自适应光学技术及其在大气光通信中的应用

无波前传感自适应光学(AO)系统不依赖波前传感器可直接对系统性能进行优化。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法,32单元变形镜,CCD成像器件等建立了无波前传感自适应光学系统实验平台。实验结果表明,参量选取合适时,系统对畸变波前具有较好的校正能力,但受限于较低的CCD采样频率,仅能校正静态或缓慢变化的像差。根据实验结果讨论了基于随机并行梯度下降控制算法的无波前传感自适应光学技术在大气光通信中的应用可能和应用方法,指出采用高速光电探测器件、高速数据处理及响应速度高的波前校正器与随机并行梯度下降算法相配合可用于补偿大气光通信中的大气湍流扰动。