激光导引头对目标测角精度的研究

激光探测器精确测量目标的方位角是导引头导向目标的必要条件,当前缺乏对该精度的理论研究,因此针对激光导引头的测角精度进行了研究.首先建立了制导激光的大气传输模型,并验证了导引头激光探测器接收到的制导信号光斑为均匀光斑;而后基于激光探测器检测目标方位角的基本原理,推导了目标方位角检测精度与光斑半径、光斑中心位置和信噪比的关系;最后通过仿真分析了不同因素对目标方位角检测精度的影响.结果表明:减小光斑半径、缩短光斑质心到光敏面中心的距离、增大探测器光学系统焦距、提高信噪比,均可以提高导引头对目标的测角精度.     

激光半主动光学系统设计与可视化检测

激光制导是当今最常用的制导方式之一,激光半主动光学系统性能的优劣直接影响其制导精度。提出了一种激光半主动光学系统像差优化设计方法,通过赋予不同的球差与离焦量实现激光半主动光学系统初始结构设计,通过对非对称像差优化实现光斑均匀化设计,设计并研制了折射式激光半主动光学镜头,光学系统工作波段1064 nm,视场为±9.2°,光斑大小5 mm,能量分布均匀;为解决激光半主动镜头不能单独检测的问题,提出了利用色差特性实现镜头低成本可视化检测的原理,并搭建了激光半主动光学镜头的可视化检测系统。镜头的测试结果表明,光斑大小满足设计要求,低成本可视化检测系统大幅提高了镜头检测效率,并易于工程化,批量化生产。     

一种折反式激光半主动导引头光学系统

介绍了激光半主动导引头及其光学系统的结构和特点.依据半主动激光导引头的总体指标要求,分析、计算了折反式激光导引头光学系统的关键参数.进行了光学系统的结构选型,分析了激光导引头光学系统的像差和光斑要求,进行了光学系统设计.仿真结果表明,整个线性视场范围内,折反式激光导引头光学系统光斑直径稳定无变化,能量分布均匀一致;瞬时...     

宽视场有增益光学系统设计

从激光探测告警光学系统的视场和光学增益出发,分析了浸没透镜的光学增益和像差特性。针对激光告警设备设计了宽视场有增益光学系统:视场角30°,光学增益可达20倍以上,结构简单,对降低激光辐射源功率、增强探测距离有一定的意义,经分析该方案可行。     

应用于高能激光系统的发射聚焦装置研究

为了满足当前高能激光系统的工程应用需求,设计了针对高能激光聚焦的发射聚焦装置。首先选取了折反式二级扩束光学系统作为设计模型,然后利用光学设计软件序列模式对光学系统进行了设计优化,获得了平面波光束在不同距离聚焦的设计结果。其次由于平面波光束和高斯光束在调焦量上存在差异,通过矩阵光学理论计算了针对高斯光束聚焦的调焦修正量,并利用光学设计软件非序列模式重构光学系统,并以非相干空间合束的高斯光束作为入射光,进行了高能激光的传输聚焦仿真验证。在系统参数一致的条件下,与常规的离轴反射式光学系统进行对比。对比结果证实了本文设计的光学系统光学性能优良,可满足对入射高能激光在0.5~5 km范围内聚焦,最后开展的样机实验也验证了设计的正确性和合理性。     

激光定距引信远场光斑的压缩整形

针对激光定距引信的小型化激光发射系统远场光斑过大、探测距离偏近的问题展开研究。利用几何光学原理对激光定距引信的发射光学系统进行设计,采用非球面透镜与变形棱镜组合实现引信远场光斑的压缩整形,并通过ZEMAX 光学软件仿真优化和光斑试验。仿真试验结果表明,发射光束经过光学系统后,500m处的激光光斑直径被压缩到10 mm 且呈圆对称形状,准直效果显著优于柱透镜光学系统,使原有小型化、低功耗的激光定距引信探测距离明显增大。     

激光光斑质量对基于PSD的激光三角法长时间连续测量精度的影响

为了提高半导体激光器-位置敏感器件(LD-PSD)激光三角法测距、测厚系统的测量精度,对半导体激光器的光斑质量进行了研究。用不同功率的半导体激光器做静态测距实验,结果表明,在长时间连续测量中,激光光斑重心的漂移增大了系统的测量误差。光斑重心漂移主要是由光斑的高频噪声和光斑整体偏移造成的。针对这两方面因素设计了基于针孔滤波和棱镜分束的能够提高激光光斑质量的光学系统,并用CODEV软件进行了优化与仿真。将所设计的光学系统加入到测距仪中重新进行静态测距实验,结果表明,改善后的系统精确度由25μm提高到8μm,使得基于位置敏感器件的激光三角法测距、测厚系统在长时间连续工作时也能保持较高的测量精度。     

激光半主动导引头光学系统设计

激光制导导引头是当今最常用的制导装置,本文设计的激光半主动制导导引头由光学接收系统和一个四象限探测器组成。本文对四象限探测器的工作原理进行了分析介绍。结合激光器的发射功率、作用距离与四象限探测器的参数,对导引头光学系统参数进行了计算与分析,得到了系统入瞳的最小尺寸。应用ZEMAX软件对激光半主动导引头的光学系统进行了优化设计,并通过包围圆能量曲线、光斑均匀性等对光斑质量进行了评价。使用MATLAB软件对能量曲线进行拟合,根据拟合曲线对光斑的能量分布进行评价。     

激光导引头四象限探测器测角精度的建模研究

四象限探测器对目标的测角精度直接影响激光制导武器的制导精度,因此研究四象限探测器测角精度十分重要。采用计算和仿真分析的方法,基于导引头入瞳处脉冲峰值功率密度服从均匀分布,噪声干扰电流服从高斯分布,建立了激光导引头光束偏转角误差模型;但由于噪声干扰使光束偏转角误差具有随机概率性,所以将光束偏转角误差的均值和标准差作为四象限探测器测角精度的衡量标准,分别建立了光束偏转角误差的均值和标准差与导引头光学系统参数、光斑半径、漫反射激光入射角、噪声干扰电流以及导引头入瞳处脉冲峰值功率密度之间的关系,并以导引头光束偏转角误差标准差为例,结合应用背景进行了仿真分析。     

卫星光通信终端CCD成像光斑弥散圆尺寸选择

利用CCD对自由空间传输的激光进行成像,可得到入射光束的角度信息以实现对发射光束的控制。卫星光通信中,提高对入射光束角度偏差实时测量的精度,可以有效地提高终端的光束跟踪性能,进而有效地保持激光链路的稳定。通过分析角度偏差检测原理,建立了卫星光通信中跟瞄装置测角性能分析模型。分析了测角精度与CCD成像光斑弥散圆尺寸之间的关系,并通过模拟实验进行了验证。结果表明,在卫星光通信系统设计中,综合考虑测角精度要求、终端功耗限制等因素,选择CCD成像光斑相对尺寸在2到3之间为最佳。     

近距离激光武器光学系统特性分析

对强激光近距离毁伤光学系统进行了优化设计,通过理论分析和外场实验研究了基于椭球镜光学系统的聚焦特性,并与传统的基于抛物面镜的光学系统进行了比较。优化了强激光近距离毁伤系统的发射光学系统,对光学系统的聚焦光斑进行了理论计算和仿真,分析了不同系统的激光光斑大小和功率密度。最后,通过外场毁伤实验,对设计结果进行了验证。实验结果表明,基于椭球镜的强激光近距离毁伤光学系统具有更小的衍射光斑分辨率和更高的能量集中度。     

全捷联激光制导寻的器测角精度分析与优化

为了降低激光制导武器系统成本并保证打击精度, 设计了全捷联激光制导寻的器, 并对影响打击精度的关键技术指标测角精度进行了研究。首先对影响测角精度的主要因素增益控制进行了分析, 通过对四通道可变增益放大器进行增益标定和最小二乘拟合得到增益控制曲线, 接着讨论了离散量控制下增益补偿的方法及误差, 仿真计算得到不同配置模式下增益补偿前和补偿后的光斑重心计算误差。对全捷联激光制导寻的器进行激光照射测角试验, 结果表明, 增益补偿后能够消除系统误差约5.6 mrad, 在中心线性视场范围内, 测角精度达到2 mrad。该系统满足某机载轻型空地导弹对激光制导寻的器测角精度的要求, 为精确末制导提供保障。     

空间激光通信中四象限光电探测器环形光斑检测及误差补偿

分析了以卡塞格林(卡式)望远系统作为光学天线时,大气激光通信捕获、对准和跟踪系统中四象限光电探测器光敏面上环形光斑位置检测的误差问题。基于光斑中心遮挡与死区感应光能量的等同效应,理论推导了入射环形光斑偏移量与光斑中心坐标、探测器死区宽度和环形光斑内外圆半径之间关系的数学模型。数值仿真和实验结果表明:与完整高斯光斑相比,环形光斑的探测线性范围较小,检测灵敏度较低。根据实验条件选择合适的卡式光学天线或光斑半径,使遮光比为30%时探测器的探测线性范围最大,不会出现非线性误差。所提环形光斑误差补偿算法克服了光斑中心遮挡带来的位置检测误差,探测器探测精度可达0.0015mm。     

激光半主动导引头光学系统设计与分析

激光半主动导引头作为一种精确制导的方式,已经在实战中得到广泛的应用。导引头通过对探测器上获取的激光信号进行数据处理以获取目标的位置信息,因此导引头获取激光光斑的能力将会直接影响导引头跟踪目标的性能。本文基于单四象限探测器的工作原理,根据导引头的设计指标,对光学系统的焦距及获取光斑的大小进行分析,应用ZEMAX软件对光学系统进行设计和优化。并从光斑大小、系统畸变和光斑能量分布均匀性等角度对光学系统的性能进行评价。根据评价结果可知该光学系统满足设计要求,获取的光斑质量较好。     

机载光学大气数据系统数据反演精度分析

通过分析误差传递规律，仿真分析了多波束激光反演三轴真空速、攻角及侧滑角的精度变化规律，并对反演精度变化规律进行了实验验证，实验与仿真结果吻合得较好。结果表明:三轴真空速反演精度随测量激光数目的增加而提高；x、y轴与z轴真空速精度随仰角变化具有不同的趋势，为保证三轴真空速反演精度小于2倍的测量精度，仰角取值范围应在20°~70°；角度反演精度与真空速、侧滑角的取值相关，与攻角取值无关，并随着真空速增大而提高；给定反演精度下，侧滑角的取值范围随着空速的增大而增大。文中的分析结论有助于光学大气数据测量系统的优化设计。     

一种应用于激光微烧蚀的光学聚焦系统简化设计方法

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求,采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件,在50m级聚焦光斑约束下,研究单透镜聚焦系统设计方案,得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系;研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案,得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案,给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程,可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。     

用于激光合束系统的光束位置监测装置设计

为了实现近场可见光波段、多路不同波长激光合束中位置误差监测,设计了一种光斑位置监测装置,该装置以缩束系统为基础对同指向激光束位置进行自动监测,在激光合束系统中与快速反射镜相配合,能有效提高合束系统的精度和合束效率。首先对监测装置光学系统进行了设计和仿真分析,使其实现缩束功能的同时减小色差对监测精度的影响。接着,根据设计要求选择了合适的光电探测器。然后,设计了镜筒并对装置的箱体进行有限元优化设计以减轻质量并防止产生共振,使其可以在复杂的环境中工作。最后,根据光斑的特性选择了合适的光斑中心定位算法。实验检测结果表明:缩束倍数达到了15.6倍,监测精度达到了0.1 mm。系统基本上可以使所有激光束成像在CCD上,且光斑能在CCD上成完全像,稳定性较好,精度高,满足使用要求。     

多波束激光雷达的高精度收发配准方法的实验验证

针对三维成像多波束激光雷达系统微弧度量级激光发散角和多元并行收发条件下极高配准精度要求,进行了收发配准技术的研究和验证。提出了多波束激光雷达系统收发配准的方法,实现了一套基于光纤光学的收发光学系统分离的高精度收发光学系统;发射激光的单元发散角达到了近衍射极限的20 rad,接收视场达到60 rad,实现了1 064 nm近红外波段51元的线列并行收发,收发配准精度达到10 rad以下。实验验证结果显示,该收发配准的方法具有较好的可行性,配准的精度能达到理论分析要求。经过温度等环境因素的分析,系统在一定的温度范围内具有较好的稳定性,该温度范围较易控制,能够满足多波束激光雷达系统的工程应用要求。     

大容差中波红外激光通信终端光学天线研制

为了降低激光通信光学系统公差要求,节省研制成本,减小大气散射对激光通信链路的影响,采用波长工作在大气窗口的中红外激光器作为激光通信光源,研制了与之匹配的中波红外激光通信终端光学系统。首先,利用激光通信能量链路传输方程,根据中波红外激光器光束参数和接收端探测器灵敏度,计算出光学天线口径、发散角等设计参数,并给出激光通信收发光学系统波像差要求。接着,利用ZEMAX软件进行了中红外激光通信收发光学系统的设计与公差分析,对两系统进行了加工、测试,完成了系统研制。测试结果显示,中红外激光通信发射光学天线光学传递函数与理论值最大偏离9.3%,接收光学系统波像差RMS为0.075λ (λ=4.7 μm),满足设计要求。结果表明:采用中红外激光作为激光通信光源可降低光学天线的加工装调难度。     

航空相机光学镜头被动消热一体化设计与验证分析

航空相机的使用环境温度变化范围较大,温度的变化会在相机光学镜头中产生温度梯度,影响相机成像质量。为保证相机光学系统的成像质量,需要对镜头在一定温度范围内进行消热设计。运用ZEMAX光学设计软件对某航空相机光学系统进行了热分析,并根据分析结果运用ANSYS软件实现了多片式、大视场角光学镜头被动式消热光机一体化设计,通过镜头内部补偿环节沿轴向的微位移改变镜间距,实现对光学系统不同温度下像质的补偿。同时,研制消热补偿试验件,采用一种高精度光学非接触式在线直接检测微位移的方法,精度达到±1 μm,完成了消热补偿试验件微位移测试。结果表明:不同温度下的微位移量与分析数据一致,最后通过对采用该消热一体化设计的实际航空镜头在不同温度下的像质检测,验证了该设计的有效性,镜头在各温况下性能良好。