激光红外复合系统光机设计

激光红外复合系统光机设计

邵晓君

哈尔滨新光光电科技股份有限公司 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：随着科技的快速发展，在现代军事中，复杂的战场环境对探测的要求大幅度提升。单一的探测方式已经远不能满足真正的使用需求。基于实际的使用环境和人员的关系，激光红外复合系统应运而生。激光红外复合探测系统具有激光雷达的高精度测距、作用距离远的特点，同时还具备红外探测系统的成像性能好、测角精度高的特点。因此，在目前的作战环境下，各种舰载、机载以及星载等众多装备都采取配备激光测距和红外成像系统。

关键词：激光红外；测距；成像

引言

激光技术因其单色性好，能量集中，发散角小等优点，在世界各个国家都受到了重视，更被应用到军事中。激光的应用方向众多，在激光制导，激光定位，激光反导等技术方面有着长期的发展。

激光制导的主要特点是探测精度高，分辨率高，抗干扰能力强，工作原理是主动发射激光到目标上，通过接收目标反射回来的激光信息来确定目标的距离方位等有效信息。另外，激光反导在军事上的作用也十分重要，可以进行探测、识别和追踪。

红外成像的主要特点是通过采集目标的辐射进行识别，更可以在夜间观测目标而不需要任何辅助照明设备或微光条件。而且红外探测还具有被动成像，环境适应性好、隐蔽性高、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标和在恶劣天气条件下正常工作等的优点。

一、激光/红外复合系统概述

复合光学系统能够在有限的空间内实现两种及以上波段的探测功能，相比于传统的单波段的探测系统有着多种明显优势。复合光学系统可以全天候工作，可以获取更多的目标和背景信息。随着技术的不断突破，在侦查、探测和识别等领域发挥着重要作用。

下面本文通过具体激光系统、长波红外系统参数设置和结构设计方面分别进行阐述。

二、光学系统主要参数和结构选取

考虑到中波红外成像系统造价昂贵的问题，所以在本文中采用了长波红外非制冷成像系统和激光系统进行复合。另外目前在军事和民用方面均提倡小型化设计，在本系统中需要经过计算和优化，确定系统的基本结构，并且实现整机的小型化、轻量化。

本文设计的系统主要指标如下：

1、光学系统采用透射式；

2、系统焦距：红外f=65mm；

激光f=20mm

3、系统波段：红外8~12μm；

激光1064nm；

4、系统总长：不大于120mm；

目前国内光学材料的加工水平比较稳定，可以满足基本使用。

本文中激光光学系统采用环保光学玻璃，并选取一个有优化空间的初始结构，在通过ZEMAX软件进行多次优化，控制像斑半径，并且每次在优化结束后进行观察系统点列图和传递函数曲线进行参考，确保指标满足使用。

长波红外系统采用四片式结构，材料选用硫化锌、硒化锌和单晶锗。通过ZEMAX进行参数设置，控制指标、像差等因素，最终优化出满足指标需求的光学系统，在全视场范围内传递函数可以达到0.5（30线对）以上。

红外指标相对较高、材料较少，基于国内非球面的加工水平相对成熟，所以在系统中加入了一片非球面。非球面是指不能用一个半径确定的面形，包括旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面两种。非球面的优点很多，包括减少光学镜片数量，减少系统的整体倾斜，更能够校正系统中除了场曲以外的各种像差。由于非球面相比于传统球面对像差的贡献更大，在光学系统中仅加入一片非球面镜片，就使得整个系统成像效果更佳。

另外红外系统一般来说对温度较为敏感，需要对红外系统进行无热化分析。目前国内外红外系统的消热技术大致分为三类：机械被动式消热、电子主动式消热和光学被动式消热。一般来说机械被动式和电子主动式这两种方法都引入了补偿装置，导致系统笨重，体积过大，在可靠性和稳定性上相对较差。而光学被动式是利用不同材料的热系数的差异进行相互补偿，被动减小离焦量，设计结构上相对简单，系统轻便，体积小，可靠性较高。因此采用光学被动式的方法进行无热化分析。

三、机械结构设计

本系统机械结构对整机的稳定性十分关键，在设计初期需要根据指标要求进行材料选取。

镜片的机械部件可以选取铝合金，加工难度低，工艺成熟。通过镜框对镜片的加固控制、公差控制和形变控制保证了成像质量。

图1 机械结构简图

由于整机系统会在不同的环境条件下使用，因此还需要考虑到环境的恶劣程度，使用时会受到各种振动环境的影响，所以在机械结构进行技术改进时，需要考虑到其他动力载荷的问题，通过降低振动带来的影响可以显著稳定成像质量。

总结

综上所述，根据国内目前生产能力并结合光学、机械设计原理进行激光红外复合系统的光机设计，能够达到较好的指标，满足使用需求，同时降低加工成本，并进行了系统无热化分析，使整机系统性能良好、稳定。为了分析激光红外系统光机设计的基本策略，本文也重点从激光系统、红外系统、机械结构等多方面进行了详细阐述，满足了性能要求，更为军事领域、民用的做出了技术推广。

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