摘 要:瞄准制导仪中的调制盘光学系统包含有光束投射系统、光束投影系统和旋转调制盘。基于旋转调制盘图案设计的原理,分析了瞄准制导仪中内、外调制图案与光学系统的配合问题。较详细地分析了激光束投射系统和投影系统。
1 引 言
文献[1]详细地描述了在瞄准制导仪中,旋转调制盘内、外光路中的调频定位图案的设计问题。激光束通过这些图案后变成在空间和时间上的编码光场,这种编码光场隐含着可识别目标(导弹)光场方位的原始信息。在实际使用中,这些图案对激光束的调制作用是通过调制盘与光学系统的配合以及激光束的投射方式和投影系统来实现的。调制盘成像在物镜焦面的附近,调制盘可以与光学系统共轴或不共轴。在较多的情况下,调制盘绕其轴线旋转,有时调制盘也可以不动,光学系统(或其中一部分)作锥状扫描。本文基于瞄准制导仪中的旋转调频调制盘的图案设计方式,较详细地分析了激光束瞄准制导仪系统中的调制盘与光学系统的配合以及系统中光束透射与投影系统的问题。
2 调制盘与光学系统的配合
在文献[1]中,调制盘图案的设计提供了产生目标(导弹)所在空间位置信息的必要的编码方式。正如文献[1]中所论述的那样,内外调制光路都提供了线性连续地反映偏离其中心的径向位置的必要信息,这些信息隐含在Tf1,Tf2,Tf4,Tf5和Tf(Tf3=Tf6= Tf)中,而内外调制光路的图案在调制盘空间上是以90°角的方式配置的。内、外调制光路的设计是为了使激光控制能以直角坐标的形式给出目标偏离控制场中心的位置信息。在系统中,调制盘与激光投射和投影系统的配合可使光束二次通过调制盘,可以实现以直角坐标的形式给出控制场的空间和时间编码信息的要求。图1所示为调制盘与激光投射系统、投影系统的光路示意图。图中标号47为激光投射系统,标号50为激光投影系统,而标号49则为调制盘[1]。光路的走向是:激光束通过投射系统后第一次通过调制盘,此时光束通过调制盘内调制光路的图案,并位于调制盘中心的正上方。由调制盘出来的光束经光束投影系统的移位、转向后,第二次通过调制盘,此时光束通过调制盘的外调制光路图案[1],并位于调制盘中心的正左方(图1)。二次通过调制盘的光束形成了变焦系统的物方光场,经变焦系统成像在物镜的焦面上。下面分析光束二次通过调制盘的情况。第一次激光束落在调制盘内调制光路上,当调制盘转动时,相当于光束在内光路上扫描,产生f4~ f6的光脉冲频率[1],它所提供的偏离中心的径向坐标相当于变焦系统物方的上下(垂直)坐标。第二次激光束落在外调制光路上,当调制盘转动时,相当于光束在外光路上扫描,产生f1~ f3的光脉冲频率[1],它所提供的偏离中心的径向坐标相当于变焦系统物方的左右(水平)坐标。综合起来看,由于光束二次通过调制盘,所以激光束同时照亮了内外调制光路,在调制盘转动的条件下,以直角坐标的形式给出偏离中心的垂直和水平信息,并作为变焦系统的物方光场。变焦系统将这样的物方光场成像在瞄准系统物镜的焦面上,由物镜向空间投射而构成投向空间的控制场。
3 光束投射与投影系统
由激光器出射的激光束经投射系统后,投射到调制盘的内调制光路中。激光投射系统的组成如图2所示,各元件的空间位置关系如图1中的组件标号47所示。
激光束沿Z向出射,经90°棱镜折转90°后沿Y方向出射;经过透镜校正后,入射到又一个90°棱镜,该棱镜将光束折转90°后沿X方向投射到调制盘上。
对激光束投射系统的要求是:激光束经投射系统后应以正交的方式投射到调制盘内的调制光路的中心,光束线性区的大小应充满调制光路的范围(1·35mm)。投射系统各元件的空间位置的配置应满足仪器结构尺寸紧凑的要求。
光束投影系统的入射光束是经过调制盘后的激光束,其出射光束被投射到调制盘的外调制光路中,调制盘对光束作二次调制。光束投影装置的组成如图3所示,各元件的空间位置的关系如图1中的组件标号50所示。
对投影系统的主要要求是:将光束中心从内调制光路的中心转移到外调制光路的中心,这个转移在直角坐标系中的实现是将入射光束的中心向Y方向平移一段距离,它等于外调制光路的中心半径,即26·15mm;在此基础上,再向Z方向平移一段距离,它等于内调制光路中心的半径,即23mm。所以在图3的组成中有两个棱镜,其中180°棱镜将光束中心平移26·15mm,而0°棱镜将光束中心平移23mm。投影系统的入射光束和出射光束都沿X方向,只是折转了180°,沿入射光束再次经过调制盘外调制光路的调制,最终形成完整的调制光场。
4 结 论
调制盘系统包含有光束投射系统、光束投影系统和旋转调制盘。由调制盘系统出射的控制光场具有以直角坐标形式给出偏离中心误差信号的调频编码特征。控制光场中具有5种频率:f1,f2,f4,f5和f。频率经历的时间差线性地反映了误差信号。(Tf2-Tf1)反映了Y向的偏离坐标,(Tf5-Tf4)反映了Z向的偏离坐标,f=f3=f6则是导弹接近波束中心的频率特征。
在导弹导引过程中,弹上的激光接收装置把控制场中的光信号转换为调频电信号,由监频器和处理电路可分别得到Tf1,Tf2,Tf4,Tf5和Tf,最终以(Tf2- Tf1)和(Tf5-Tf4)作为控制信号去控制导弹沿着激光束的中心线飞行。
参考文献:
[1]江月松,等.某型号瞄准制导仪中调制盘图案的设计[J].光学技术,2005,31(1).
收稿日期:2004-06-16 E-mail:yuesongjiang@vip.sina.com
基金项目:国防预研基金资助项目(51401020104HK0106)
作者简介:江月松(1959-),男,江苏省涟水市人,北京航空航天大学电子信息工程学院教授,博士,博士生导师,主要从事光电检测、红外与激光成像方面的研究。
