CN106468523B - 一种小型化红外/激光共口径目标模拟器 - Google Patents

一种小型化红外/激光共口径目标模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述目标模拟器包括红外/激光发射光学***、红外/激光合束组件、红外靶标及黑体组件、激光回波焦面调整组件、激光回波模拟***和导引头出射激光束光轴测量***。该模拟器可用于测试采用共口径和共光轴设计的红外/激光复合制导导引头的性能，具体功能包括：测试红外/激光复合制导导引头中红外成像***的成像性能；测试红外/激光复合制导导引头中激光测距***的测距精度；检测红外/激光复合制导导引头中红外成像***与激光发射***的光轴同轴度。本发明结构紧凑、稳定，便于携带，同时可与运动***配合对红外/激光复合制导导引头做动态测试。

Description

一种小型化红外/激光共口径目标模拟器
技术领域
本发明属于红外/激光复合制导导引头的半实物仿真技术领域，涉及一种可评价红外/激光复合制导导引头探测性能的小型化红外/激光共口径目标模拟器。
背景技术
随着科学技术的发展，未来战争的战场环境将变得越来越复杂，攻防对抗将变得越来越激烈，采用单一模式制导的制导武器难以适应未来战争的要求。相比以往只采用红外制导的导引头，采用红外被动成像和激光主动测距相结合的红外/激光复合制导导引头不仅可以获取目标相对弹体的角度信息，还可以获得目标与弹体之间的距离信息。配合高速信息处理***，可以解算出目标的运动轨迹和速度，对提高导弹的作战性能具有重要意义。
红外被动成像和激光主动测距相结合的红外/激光复合制导导引头的核心包括两部分：一是红外成像***；二是激光测距***。红外成像***通过捕获目标的红外波段信息，经成像光学***成像到红外探测器上，然后经过图像处理***提取目标，最后解算出目标相对弹体的角度信息。激光测距***主要包括激光发射***和用于收集经过目标反射激光的激光回波接收***，激光回波接收***虽然不需要对目标成像，但需要精准的记录下接收到激光脉冲的时刻与激光发射***发射该激光脉冲时刻的时间差，从而解算出目标与弹体之间的距离信息。由于导弹内部导引头的空间有限，红外成像***与激光回波接收***多采用共口径设计，即共用光学***，相关文献的研究也表明采用共口径设计是切实可行的。同时，激光发射***与红外成像***采用共轴设计，即激光发射***的光轴与红外成像***的光轴重合，当红外成像***锁定目标后激光发射***实现对目标的精准照射。
由于红外/激光复合制导导引头是导弹中极为关键的***之一，对其性能的测试是导弹研制过程中的重要一环。相比采用实物导弹进行外场实验的测试方案，采用半实物仿真的方式测试红外/激光复合制导导引头的性能具有众多优势，如可重复性、安全和成本低等。因此，研制用于测试采用共口径（激光回波接收***与红外成像***）和共光轴（激光发射***与红外成像***）设计的红外/激光复合制导导引头性能的红外/激光共口径目标模拟器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种尺寸小、结构紧凑、稳定性好的小型化红外/激光共口径目标模拟器，该模拟器可用于测试采用共口径（激光回波接收***与红外成像***）和共光轴（激光发射***与红外成像***）设计的红外/激光复合制导导引头的性能，具体功能包括：
1、测试红外/激光复合制导导引头中红外成像***的成像性能；
2、测试红外/激光复合制导导引头中激光测距***的测距精度；
3、检测红外/激光复合制导导引头中红外成像***与激光发射***的光轴同轴度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种小型化红外/激光共口径目标模拟器，包括红外/激光发射光学***、红外/激光合束组件、红外靶标及黑体组件、激光回波焦面调整组件、激光回波模拟***和导引头出射激光束光轴测量***，红外靶标及黑体组件模拟的红外目标经红外/激光合束组件反射后通过红外/激光发射光学***投射到无穷远，供导引头的红外成像***观测，检测红外成像***的成像性能；激光回波模拟***模拟的高精度延时回波激光经红外/激光合束组件折射后通过红外/激光发射光学***投射到无穷远，供导引头的激光测距***观测，检测激光测距***的测距精度；目标模拟器中的导引头出射激光束光轴测量***和红外/激光发射光学***通过装调保证光轴重合，测量时导引头的红外成像***先对准模拟的红外目标，目标模拟器中的导引头出射激光束光轴测量***通过测量导引头的激光发射***的出射光束偏角来检测导引头中红外成像***和激光测距***的光轴重合度。
本发明中，所述红外/激光发射光学***采用卡塞格林***，包括次反射镜、主反射镜、主反射镜压盖和主镜座，主镜座的上半部分用于安装导引头出射激光束光轴测量***，下半部分用于安装主反射镜、次反射镜以及主镜压盖；
本发明中，所述红外/激光合束组件的作用是将红外目标与激光回波模拟目标合成后由红外/激光发射光学***投射给导引头，包括合束镜和合束镜镜座，合束镜与合束镜镜座固定后安装在主镜压盖上；
本发明中，所述红外靶标及黑体组件的作用是提供红外目标，同时具有焦面可调功能，便于装调时寻找最佳焦面，包括靶标、焦面调节环、靶标座、黑体和黑体安装座，黑体安装座与黑体固定后安装在合束镜镜座上，黑体安装座与合束镜镜座构成靶标座的定位槽，靶标安装在焦面调节环上，焦面调节环与靶标座连接；
本发明中，所述激光回波模拟***的作用是以导引头出射的脉冲激光为时间基准，精确延时后提供给导引头一束功率可控的模拟回波脉冲激光，以实现对导引头激光测距***的校准，具体包括激光触发器件、激光光源、高精度时间延时组件、功率控制组件和单模光纤，其中，激光触发器件的作用是将导引头激光测距***发射的脉冲激光转换为电信号并提供给高精度时间延时组件，为其提供时间基准；激光光源、高精度时间延时组件和功率控制组件的作用是产生功率可控的高精度延时的脉冲激光，模拟导引头中激光测距***照射到物体上的散射光，该三部分可封装成独立的仪器；单模光纤的作用是将模拟的高精度延时脉冲激光传输到红外/激光发射光学***的焦面位置，最终投射给导引头观测；
本发明中，所述激光回波焦面调整组件的作用是将激光回波模拟***中单模光纤的出光端面调整到红外/激光发射光学***的焦面位置，激光回波焦面调整组件包括光纤法兰、焦面调整块、调整块安装座，其中，单模光纤与光纤法兰连接后固定在焦面调整块上，焦面调整块与调整块安装座采用螺纹相连，可实现一定范围的调整；
本发明中，所述导引头出射激光束光轴测量***的作用是检测红外/激光复合制导导引头中的红外成像***与激光发射***的光轴同轴度，包括楔形平面镜、楔形镜镜座、成像透镜、成像透镜镜座、四象限探测器，成像透镜安装在成像透镜镜座上，楔形平面镜安装在楔形镜镜座上，成像透镜镜座、楔形镜镜座和四象限探测器均安装在主镜座上，通过结构设计使导引头激光测距***发射的脉冲激光经楔形平面镜和成像透镜折转后成像到四象限探测器上，实现光轴同轴度的测量。
本发明具有如下优越性：
1、本发明提供了一种用于测试共口径、共光轴红外/激光复合制导导引头性能的目标模拟器，该目标模拟器可提供红外模拟目标和回波模拟激光，用于测试导引头中红外成像***的成像性能和激光测距***的测距精度。该目标模拟器中红外模拟目标和回波模拟激光通过合束镜合束后均由红外/激光发射光学***投射供导引头观测，即采用了共口径的输出方式。
2、本发明除具有模拟红外目标和检测导引头激光测距精度功能外，还可以测量红外/激光复合制导导引头中红外成像光学***与导引头激光发射光学***的光轴重合度，检验导引头对准红外目标后激光发射光学***能否准确照射目标以获取距离信息。
3、本发明结构紧凑、稳定，便于携带，同时可与运动***配合对红外/激光复合制导导引头做动态测试。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的前部结构示意图；
图3是本发明的后部结构示意图；
图4是红外靶标及黑体组件的局部放大图；
图5是激光回波焦面调整组件的局部放大图；
图6是导引头出射激光束光轴测量***的局部放大图；
图1，1-红外/激光发射光学***，2-红外/激光合束组件，3-红外靶标及黑体组件，4-激光回波焦面调整组件，5-导引头出射激光束光轴测量***，6-引导头；
图2，101-次反射镜，102-主反射镜，104-主镜座；201-合束镜，501-楔形平面镜，502-楔形镜镜座，505-光斑位置探测器；
图3，103-主反射镜压盖，202-合束镜镜座，303-靶标座，304-黑体，305-黑体安装座，402-焦面调整块，403-调整块安装座；
图4，301-靶标，302-焦面调节环，303-靶标座，304-黑体，305-黑体安装座；
图5，401-光纤法兰，402-焦面调整块，403-调整块安装座；
图6，501-楔形平面镜，502-楔形镜镜座，503-成像透镜，504-成像透镜镜座，505-光斑位置探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供的小型化红外/激光共口径目标模拟器由红外/激光发射光学***1、红外/激光合束组件2、红外靶标及黑体组件3、激光回波焦面调整组件、激光回波模拟***4和导引头出射激光束光轴测量***5构成，可用于测试红外/激光复合制导导引头中红外成像***的成像性能和激光测距***的测距精度，同时也可用于检测导引头中激光发射***和红外成像***的光轴同轴度。
如图1所示，红外/激光复合制导导引头接收目标的红外辐射获取目标相对弹体的角度信息，同时导引头发射脉冲激光照射目标，通过对接收到的经目标反射的回波激光分析获取目标相对弹体的距离信息。红外/激光共口径目标模拟器中红外目标和回波模拟脉冲激光经合束镜复合后由红外/激光发射光学***投射给红外/激光复合制导导引头，用于测试导引头中红外成像***的性能和激光测距***的测距精度，同时导引头激光发射***出射的脉冲激光经多个楔形平面反射镜折转后进入导引头出射激光束光轴测量***，用于评估导引头激光发射***能否准确照射红外目标。
如图2和图3所示，所述红外/激光发射光学***1采用卡塞格林***，具体包括卡塞格林***的次反射镜101、主反射镜102、主反射镜压盖103和主镜座104。其中，主反射镜102的面型为抛物面。为了使导引头发射的激光束进入导引头出射激光束光轴测量***，次反射镜101中一端设计为双曲面，另一端设计为与双曲面对称轴成45°夹角的斜面，即次反射镜101的两面分别为双曲面和45°斜面。其中双曲面与主反射镜102构成卡塞格林***，45°斜面对导引头发射的激光束进行折转。次反射镜101采用一块材料加工而成，具有精度高、结构稳定的优点。主镜座104是整个目标模拟器的承力部件，其采用一块铝材加工而成，上半部分用于安装导引头出射激光束光轴测量***5，下半部分用于安装主反射镜102、次反射镜101以及主镜压盖103，左侧为对外安装面，使用时可将主镜座104侧面固定在支架上做静态测试，也可将主镜座104的侧面安装在运动***上做动态测试。所述红外/激光合束组件2具体包括合束镜201和合束镜镜座202，合束镜201固定安装在合束镜镜座202上，红外靶标及黑体组件3和激光回波焦面调整组件4安装在合束镜镜座202上，合束镜镜座202安装在主镜压盖103上完成各***间的结构连接。
如图4所示，红外靶标及黑体组件3具体包括靶标301、焦面调节环302、靶标座303、黑体304和黑体安装座305。其中，黑体304与黑体安装座305连接后安装在合束镜镜座202上，黑体安装座305与合束镜镜座305构成靶标座303的定位槽，定位槽用于安装可插拔靶标座303。靶标301安装在焦面调节环302上，焦面调节环302通过细螺纹与靶标座303连接，靶标座303具有一定的厚度，装调时旋转焦面调节环302可使靶标301位于红外/激光发射光学***的焦面上，完成装调后可用胶固定。红外靶标及黑体组件3为红外/激光发射光学***提供红外目标，同时具有靶标可更换、焦面可调功能。
如图5所示，激光回波焦面调整组件4具体包括光纤法兰401、焦面调整块402、调整块安装座403。其中，光纤法兰401与激光回波模拟***输出回波模拟激光的光纤连接后固定在焦面调整块402上，焦面调整块402通过细螺纹与调整块安装座403连接，旋转焦面调整块402可使光纤的出光端面位于红外/激光发射光学***1的焦面上。
如图6所示，导引头出射激光束光轴测量***5的作用是测量导引头出射的激光能否照射红外目标，具体包括3片楔形平面镜501、2个楔形镜镜座、成像透镜、成像透镜镜座、四象限探测器。共采用了3片楔形平面镜501折转光路，将导引头出射的脉冲激光反射到成像透镜中进行成像以获取光斑的位置。其中，3片楔形平面镜501对于激光波长均具有低反射率以实现对脉冲激光的衰减，3片楔形平面镜501安装在2个楔形镜镜座502上，楔形镜镜座502安装在主镜座104上完成光路折转。成像透镜503通过压圈固定在成像透镜镜座504上，成像透镜镜座504采用细螺纹与楔形镜镜座502相连，通过旋转成像透镜镜座504可以使成像透镜沿成像透镜的轴向移动，便于调节光斑位置探测器505上的光斑大小，整个透镜成像***位于红外/激光发射光学***中主镜座104的内部。装调时使目标模拟器中红外/激光发射光学***1的光轴与导引头出射激光束光轴测量***4的光轴重合，使用时导引头先对准红外目标，通过测量导引头出射激光束在光斑位置探测器上的光斑位置，完成导引头中红外成像***与激光发射***光轴同轴度的测量。
本发明中，红外/激光发射光学***的主镜、次镜均采用铝材加工而成，成像时无色差。
本发明中，3片楔形平面镜、成像透镜和合束镜的材料为K9玻璃，经过镀膜使其满足设计要求。
本发明中，合束镜201的两个表面为平行平面，红外/激光发射光学***1的光轴与合束镜201表面成45°夹角，合束镜201的上表面通过镀膜使模拟的回波激光具有高透射率，而其他波段具有高反射率，合束镜201的下表面通过镀膜使其全波段具有高透过率。

Claims (9)

1.一种小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述目标模拟器包括红外/激光发射光学***、红外/激光合束组件、红外靶标及黑体组件、激光回波焦面调整组件、激光回波模拟***和导引头出射激光束光轴测量***，其中：
所述红外靶标及黑体组件模拟的红外目标经红外/激光合束组件反射后通过红外/激光发射光学***投射到无穷远，供导引头的红外成像***观测，检测红外成像***的成像性能；
所述激光回波模拟***模拟的高精度延时回波激光经红外/激光合束组件折射后通过红外/激光发射光学***投射到无穷远，供导引头的激光测距***观测，检测激光测距***的测距精度；
所述导引头出射激光束光轴测量***和红外/激光发射光学***通过装调使两个***的光轴重合，测量时导引头的红外成像***先对准模拟的红外目标，导引头出射激光束光轴测量***通过测量导引头激光测距***的出射光束偏角检测导引头中红外成像***和激光测距***的光轴重合度；
所述导引头出射激光束光轴测量***包括楔形平面镜、楔形镜镜座、成像透镜、成像透镜镜座、四象限探测器，成像透镜安装在成像透镜镜座上，楔形平面镜安装在楔形镜镜座上，成像透镜镜座、楔形镜镜座和四象限探测器均安装在主镜座上，导引头激光测距***发射的脉冲激光经楔形平面镜和成像透镜折转后成像到四象限探测器上，实现光轴同轴度的测量。
2.根据权利要求1所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述红外/激光发射光学***包括次反射镜、主反射镜、主反射镜压盖和主镜座，主镜座的上半部分用于安装导引头出射激光束光轴测量***，下半部分用于安装主反射镜、次反射镜以及主镜压盖。
3.根据权利要求2所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述主反射镜的面型为抛物面，次反射镜的两面分别为双曲面和45°斜面，其中双曲面与主反射镜构成卡塞格林***。
4.根据权利要求2或3所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述主反射镜、次反射镜均采用铝材加工而成。
5.根据权利要求1所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述红外/激光合束组件包括合束镜和合束镜镜座，合束镜与合束镜镜座固定后安装在主镜压盖上。
6.根据权利要求5所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述合束镜的两个表面为平行平面，红外/激光发射光学***的光轴与合束镜表面成45°夹角。
7.根据权利要求1所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述红外靶标及黑体组件包括靶标、焦面调节环、靶标座、黑体和黑体安装座，黑体安装座与黑体固定后安装在合束镜镜座上，黑体安装座与合束镜镜座构成靶标座的定位槽，靶标安装在焦面调节环上，焦面调节环与靶标座连接。
8.根据权利要求1所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述激光回波模拟***包括激光触发器件、激光光源、高精度时间延时组件、功率控制组件和单模光纤，激光触发器件将导引头激光测距***发射的脉冲激光转换为电信号并提供给高精度时间延时组件，为其提供时间基准；激光光源、高精度时间延时组件和功率控制组件产生功率可控的高精度延时的脉冲激光，模拟导引头中激光测距***照射到物体上的散射光；单模光纤将模拟的高精度延时脉冲激光传输到红外/激光发射光学***的焦面位置，最终投射给导引头观测。
9.根据权利要求1所述的小型化红外/激光共口径目标模拟器，其特征在于所述激光回波焦面调整组件包括光纤法兰、焦面调整块、调整块安装座，单模光纤与光纤法兰连接后固定在焦面调整块上，焦面调整块与调整块安装座相连。
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