分布式孔径半主动激光探测计量系统设计

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陈欣¹, 李重阳², 徐春云¹, 冯云鹏¹, 程灏波¹
1. 北京理工大学深圳研究院, 广东深圳 518057;
2. 北京空间机电研究所, 北京 100083
2018-04-09 收稿, 2018-05-25 录用
深圳市科技创新计划资助项目(JCYJ20170224172022809, JCYJ20160229115218573)
^*通讯作者: 程灏波, E-mail: chb@bit.edu.cn

摘要: 随着电子、信息、材料、光学、机械等学科的飞速发展，基于非成像光学的激光探测技术近年来受到人们越来越多的关注。高准确度和非接触测量的特性使激光探测光学系统广泛应用于激光测距、激光雷达和激光制导等领域。本文根据四象限探测器原理以及传像束光纤的特点，提出了一种新型的分布式孔径半主动激光探测系统来获得目标的角度信息。该系统由四个满足像方远心光路的光学系统、一个4×1的传像束光纤、一个探测器组成。通过搭建系统原理样机，定量测量半主动激光探测系统的线性区范围及测角误差。实验结果表明，系统具有±12°的线性视场，测量值与线性区的理想曲线相接近，满足光学系统的设计技术指标。
关键词: 非成像光学系统设计四象限探测器传像束光纤等效光斑
Design of Distributed Aperture Semi-active Laser Detection System
CHEN Xin¹, LI Chongyang², XU Chunyun¹, FENG Yunpeng¹, CHENG Haobo¹
1. Shenzhen Research Institute, Beijing Institute of Technology, Shenzhen 518057, Guangdong, P. R. China;
2. Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100083, P. R. China
^*Corresponding author: CHENG Haobo, E-mail: chb@bit.edu.cn
Abstract: With the rapid development of electronics, information, materials, optics, and mechanical disciplines, non-imaging optics laser detection technology has received more and more attention in recent years. High accuracy and non-contact measurement characteristics make laser detection optical systems widely used in laser ranging, laser radar, and laser guidance. In this paper, a novel distributed aperture semi-active laser detection system is proposed to obtain the target angle information according to the principle of the four-quadrant detector and the characteristics of the image beam fiber. The system consists of four optical systems that meet the telecentric light path of the image square, a 4×1 beam fiber, and a detector. By setting up a system prototype, quantitatively measure the linear range of the semi-active laser detection system and the measurement error.The experimental results show that the system has a linear field of view of ±12°, and the measured value is close to the ideal curve of the linear region, which satisfies the design specifications of the optical system.
Key words: non-imaging optical system designfour quadrant detectorimage beam fiberequivalent light spot
1 引言激光制导主要分为激光架束制导和激光寻的制导，激光寻的制导又分为主动与半主动制导两种方式。半主动激光探测的原理是由载机或地面上的激光器发射激光束照射到探测的目标，由激光探测光学系统接收目标漫反射的激光回波信号，然后通过光电探测器对回波信号进行处理，从而获取目标的角度信息，实现对目标的探测与跟踪^{[1, 2]}。
在半主动激光探测光学系统中，常用CCD、CMOS、象限探测器等，计算目标的位置与角度信息^[3-6]。由于四象限探测器具有信号处理简单、固有噪声低、响应度高等特点^[7]，因此四象限探测器是较常用的位置传感器，属于非成像探测器件，与其他的光电探测器件相比，基于四象限探测器的光电探测系统具有效率高、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、价格低等优点。因此，四象限光电探测器可以作为精确跟踪和定位的光电接收器。传统的半主动激光探测系统，采用一个光学系统与一个探测器的结构，位于探测系统的前端，光学系统一般采用反射式R-C结构或者大口径透射式结构。前面两类光学系统的共同点是光学系统元件数量多、体积大。英国BAE公司提出分布式孔径半主动激光导引头的概念，但是该系统结构的细节无从得知，如采用何种探测器接收目标的能量，以及怎样从光学系统将目标的能量传送到探测器上。
本文提出了一种新型的分布式孔径半主动激光探测系统来获得目标的角度信息，该系统由四个满足像方远心光路的光学系统、一个4×1的传像束光纤、一个探测器组成^[8]。连接光学系统与四象限探测器的传像束光纤以菱形对准的方式对准，仅用一个探测器即可实现四个光学系统对目标位置信息的探测。
2 四象限探测器探测原理2.1 探测原理四象限(4Q)探测器是一种可以测量光斑在探测器光敏面上两个方向上的位置信息的位置传感器^[9]，它是由以围绕探测器中心的四个对称分布且性能相同的光电二极管组成，四个相同的区域被称为死区的细小沟槽分开。为提高计算精度，充分利用光斑的能量，这些沟槽应该做的非常窄。对探测器输出的四路光电压信号进行处理，可以确定入射光斑偏移光敏面中心的位置。图 1给出了四象限探测器原理，如图所示，落在四象限探测器光敏面上的光斑被分成A、B、C、D四个部分，对应的输出电压分别为U_A、U_B、U_C、U_D。可由公式(1)计算出光斑中心相对各坐标轴的偏移量：
图 1
Fig. 1

图 1 四象限探测器原理Fig.1 Four quadrant detector principle

(1)

式中，X和Y的大小为光斑重心位置在四象限探测器x轴与y轴两个方向上的估算值，k为斜率常数，其数值大小取决于光斑的形状与大小。
如果光斑恰好落在四象限探测器的中心，四象限探测器各象限输出的电压值相等，说明测量的目标正对着探测系统，则有：

(2)

若测量的目标没有正对着探测系统，光斑将不落在四象限探测器光敏面的中心，通过信息处理单元控制系统运动姿态，最终实现目标与探测系统的对准。根据光斑中心与四象限探测器中心的偏离量的值，可以得到目标的方位角和俯仰角：

(3)

式中，α、β分别为目标的方位角和俯仰角，f为光学系统焦距。
2.2 等效像光斑由四象限探测原理可知，四象限探测器的信号处理是以光斑能量分布均匀为前提的，为了保证探测精度，光学系统不同视场汇聚的光斑能量分布应尽可能一致且均匀。四象限探测器有效测量范围取决于落在四象限探测器上光斑的大小和四象限探测器光敏面尺寸的大小^[10]，设四象限探测器光敏面的直径与落在四象限探测器上的光斑直径分别为D与d，使探测器能够正常工作的光斑直径d的范围是：

(a为四象限探测器光敏面之间的沟槽大小)。当光斑直径等于探测器半径大小即d=D/2时，四象限探测器不仅能够获得较大的有效可测范围，而且充分利用了全部光斑照射能量。
在实际设计时，半主动激光探测光学系统接收的落在四象限探测器光敏面上的光斑直径，应稍大于四象限探测器光敏面的半径，且线性视场范围内各视场光斑直径尺寸大小应尽量一致。四象限探测器与落在光敏面上光斑尺寸会影响四象限探测器的有探测范围，即光斑重心点在四象限探测器光敏面上的移动范围。光学系统的视场与像面处的像高大小存在一一对应的关系，因此，光学系统的视场大小可以决定像点在四象限探测器光敏面的移动范围。
传像束光纤是一种有效的纤维光学元件，将数量一定、长度一定的众多光纤单丝，按照一定有序的排列方法集合在一起固定成束，最终实现传递图像的功能。由于传像束光纤输入端与输出端的几何排列方式一致且保持一一对应(图 2)，所以光线经传像束光纤传输后可以保证入射端与输出端的光斑位置与光能分布不变。本文选用四合一传像束光纤传递光学系统不同视场汇聚的光斑，四合一传像束光纤的输入端为四根独立的光纤束，输出端为四根光纤束拼凑，光纤端面如图 3所示，其单根光纤束端面尺寸为2 mm×2 mm，对应的四合一处光纤束端面尺寸为4 mm×4 mm。
图 2
Fig. 2

图 2 传像束光纤原理Fig.2 Image beam fiber principle

图 3
Fig. 3

图 3 四合一传像束光纤Fig.3 Four-in-one beam fiber

为了保证光学系统视场角与光斑位置之间的相对关系，本文光纤束端面采用菱形对准方式，并且光纤四合一合束端面每根光纤束的中心点与四象限探测器沟槽对准，如图 4所示。由于四路光学系统完全相同，且相互之间没有夹角，光学系统通过单根光纤传输再由四合一传像束出射端面出射，四个光斑相互叠加可以等效成一个较大的光斑。该等效光斑的直径大小应大于探测器光敏面直径大小的一半，小于探测器光敏面半径减去光学系统线性视场对应的像面高度大小的结果的二倍。等效光斑的大小在本质上应与单个光斑在实际测量过程中所需的大小没有区别，仍需保证探测器的有效探测范围最大。
图 4
Fig. 4

图 4 光纤对准与光斑等效示意图Fig.4 Optical fiber alignment and equivalent schematic

3 分布式非成像光学系统设计3.1 光学系统设计光学系统像差会引起光斑能量分布不均匀，引起探测误差。为提高光斑的均匀性，在设计光学系统时必须对像差进行控制，保证四象限探测器探测的光斑能量分布均匀。
与成像光学系统优化设计方法不同，半主动激光探测光学系统是能量探测系统，其作用是接收目标回波的能量，不涉及到成像清晰度的问题，属于大像差系统，不能以像差的大小来表示其成像质量的好坏，而是要以各像差综合作用引起弥散斑的能量重心偏移量为评价标准。
系统采用负、正两组透镜组合的结构，可以使系统具有较大的视场角和较大的相对孔径，如图 5所示。不同颜色的光线代表不同视场的主光线，光学系统的光阑设置在两组透镜之间来满足系统的像质。
图 5
Fig. 5

图 5 光学系统设计原理Fig.5 Optical system design principle

3.2 设计指标激光探测光学系统工作在近红外波长，为满足大视场、大相对孔径的要求，系统采用硬度较高的熔石英与折射率较大的硒化锌作为光学系统的材料，其中光学系统第一块镜子采用熔石英材料，使系统可以在高速运转的条件下工作。光学系统设计指标列于表 1, 优化设计后得到的光学系统结构如图 6所示，光学系统由一片负透镜和余下的一组正透镜组构成，光学系统焦距为4.5 mm，光学系统总长为23.1 mm，F数为0.8。为了加工的方便，我们在口径上下留了4 mm的加工余量，因此，光学系统最大口径为Φ15 mm。
表1
Table 1

表 1 光学系统设计指标Table 1 Optical system design index

参数	值
波长λ	1.06 μm
入瞳直径D	6 mm
像方数值孔径NA'	≤0.56
焦距f	4.5 mm
像面半高度l/2	≤1 mm
线性视场	±12 (°)
探测器光敏面大小	10 mm
测角精度	≤0.2 (°)

表 1 光学系统设计指标 Table 1 Optical system design index

图 6
Fig. 6

图 6 光学系统结构Fig.6 Optical system structure

3.3 光学系统像质评价探测光学系统主要关注光斑能量分布的均匀性，一般通过点列图和包围能量分布图来评价光斑大小及能量分布。点列图中可以直观地得到不同视场的光斑大小及能量分布，图 7分别给出了光学系统在0°、3°、6°、9°、12°视场时的光斑点列图。适当调节光学系统的离焦距离后，各视场的光斑直径大小分别为5.006、5.008、5.013、5.022、5.038 mm，光斑直径最大偏差量小于2%。从点列图可知，光学系统各视场光斑直径的最大值约为探测器直径尺寸的一半，四象限探测器可以获得较大的有效可测范围，并充分利用了四象限探测器上光斑照射的全部能量。此外，在离焦过后主光线的像面高度变化很小，说明不同视场的主光线与光轴的夹角很小，可以满足像方远心光路的要求。
图 7
Fig. 7

图 7 离焦后光学系统点列图Fig.7 Spot diagram of defocusing optical system

包围能量分布曲线表示光斑能量随光斑直径变化的分布情况，用离主光线或物点的像的重心的距离为函数的包围圆能量占总能量的百分比表示。若光斑的能量分布均匀，则能量和光斑半径应成抛物线关系。从图 8可以得出，各视场在半径25 μm光斑内集中了95%以上的能量，能量集中度较高。
图 8
Fig. 8

图 8 包围能量分布曲线Fig.8 Surrounding energy distribution curve

4 实验分析为了验证探测光学系统的线性视场、角度测量精度等关键光学技术指标，研制出半主动激光探测光学系统原理样机(如图 9所示)，该原理样机由目标模拟器、光学系统、传像束光纤和四象限探测器组成。目标模拟器由一个脉冲激光器和平行光管构成，位于半主动激光探测系统的正前方作为系统的光源，提供能量均匀度为85%、口径为120 mm的平行光。四个分布式孔径光学系统与4×1的传像束光纤安装固定在一个特殊设计的调整架上，该调整架具有两个转台，可以调节整个系统的方位角与俯仰角。调整架下方的转台可以改变系统的方位角，调整架侧方的转台以相同的方式改变系统的俯仰角。四个分布式孔径光学系统之间的相对角度是由调整架上光纤夹具的平行度保证的。
图 9
Fig. 9

图 9 半主动激光探测系统原理样机Fig.9 Semi-active laser detection system prototype

在实验过程中，由于初始零点位置不是很好调出来，我们采用相对测量的方式对数据进行处理，即：由四个光学系统之间的夹角引起的等效光斑，其重心点位置相对四象限探测原点之间的移动量可以看作系统测量的初值。与绝对测量相比，采用相对测量方式避免了由于定位不准确而引起的系统误差，可以减小系统的测角误差。
由于光学系统具有旋转对称性，因此只测量系统垂直方向角度(俯仰角)的相关性能。每隔1°测量10次等效光斑重心点在探测器光敏面上的位置，10次测量值的平均值作为该俯仰角下光斑重心点位置的测量值，之后可以得到测量值与理想视场角正切值之间的关系。图 10为线性区测量曲线，图中蓝色线为理论曲线，该线的斜率为系统的焦距值，系统的测量值均与理论曲线相接近，通过实验可以得到±12°的线性区范围。考虑到由光学系统导致的部分能量损失、周围环境的影响，以及光纤束引入的噪声等误差来源，我们通过将系统的测量值与理论测量角度相比，给出了半主动激光探测光学系统的测角误差(如图 11所示)，由图 11可知，系统的测角精度优于0.2°，说明本文设计的半主动激光探测系统可以满足光学系统的设计技术指标，并且性能良好。
图 10
Fig. 10

图 10 线性区测量曲线Fig.10 Linear area measurement curve

图 11
Fig. 11

图 11 半主动激光探测系统的测角误差Fig.11 The angle error of semi-active laser detection system

5 总结本文根据四象限探测器原理以及传像束光纤的特点，提出了一种新型的分布式孔径半主动激光探测系统来获得目标的角度信息。分析了传像束光纤的对准方式与光斑等效方法，同时，根据光学系统设计指标设计了光学系统，并通过点列图和包围能量分布曲线对其像质进行评价。结果表明，光学系统在不同视场角下光斑大小几乎相同，在半视场角12°以内，光斑能量均匀。最后，搭建系统原理样机，定量测量半主动激光探测系统的线性区范围以及测角误差，结果显示，系统具有±12°的线性视场，测量值与线性区的理想曲线相接近，线性区的测角误差优于0.2°，满足光学系统的设计技术指标。为其他应用传像束光纤传输光斑能量的半主动激光探测系统的设计提供了有效的设计方法。

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