二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

利用衍射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究

建立了共形整流罩的模型结构，分析了其成像特性，并提出了采用加入衍射元件的方法来设计共形整流罩后的校正板，软件模拟结果表明带有衍射面的校正板能够进一步地改善共形整流罩成像质量. 关键词： 共形光学 整流罩 像差校正 衍射光学     

气动热环境下共形整流罩热辐射特性研究

高温整流罩产生强烈的红外辐射,在探测器接收面上形成背景噪声,严重影响成像质量。为了评估气动热环境下高速飞行器共形整流罩热辐射对探测器性能的影响,建立了气动热环境下整流罩热流固耦合计算模型、整流罩热辐射发射以及传输模型,计算了整流罩非均匀温度场、形变场、应力以及应变场,仿真得到了共形整流罩热辐射对高速飞行器光学系统成像质量的影响。研究结果表明:随着时间的不断增长,探测器接收面的最大辐照度也逐渐增大。在第10 s时,0°攻角下共形整流罩热干扰辐照度最小值为0.094 W/m2,最大值为0.108 W/m2。和相同工况下的共形整流罩相比,球形整流罩10 s时的最大辐照度分别是椭球面和抛物面形整流罩最大辐照度的近12倍和7倍,即共形整流罩产生的干扰对探测系统的影响较小,不会对探测器的探测性能产生致命性的影响。     

利于像差校正的共形整流罩内表面面形设计

共形光学系统中,椭球形等厚度整流罩使入射的平行光线经过整流罩后不再平行,变为发散的光线,进而使系统像差急剧增加,不利于后续像差的校正。通过对等厚度共形整流罩的内表面进行重新设计,打破了共形整流罩的等厚度条件,从而在使用较少校正光学透镜的基础上实现了系统像差的校正。通过分析不同级次非球面分别作为整流罩内表面面形时的像差校正效果,确定了将6次非球面作为共形整流罩内表面面形初始结构。通过对内表面进行优化设计,最终得到整流罩内表面面形。结果表明,该方法有效地减小了共形整流罩引入的像差。最后使用固定校正器对内表面变化后的整流罩进行了像差校正,设计结果表明,内表面的改变有效地减少了光学元件数量,消像差效果良好。     

与整流罩共形的衍射光学系统设计（特邀）

针对口径为300mm的三种不同面型整流罩,利用衍射光学元件实现了整流罩像差校正。进一步设计了后端成像系统,与像差校正后的整流罩组成共形衍射成像系统。该系统在1.5~1.6μm波段范围、±1°瞬时视场、±20°扫描视场内实现了良好的成像质量。     

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的消像差共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.     

共形整流罩像差特性分析及校正方法

共形结构不仅具有良好的空气动力学性能,且不存在由于表面不连续造成的热梯度等问题,因而采用该结构的导弹整流罩更有利于导弹系统作战性能的提高。但共形结构中采用的非球面罩曲面使整流罩表现出许多不同于球形结构的动态特性,这给导引头中光学系统的设计带来很多困难。在分析共形结构一阶特性的基础上,利用矢量像差理论详细分析该结构中初级像差产生的原因及特点,并提出通过控制元件的倾斜和偏心来平衡所有观察视场中像差的方法。软件分析结果表明：加入倾斜偏心元件后可适当放大小观察视场中的像差,共形整流罩在各观察视场中具有较为稳定的像差特性,有效地改善了该结构的成像质量。     

共形光学设计研究

符合空气动力学的导引头整流罩都是流线型的面型,由于这些面型破坏了光学系统的对称性,与导引头成像光学配合时会带来严重的像差,使成像质量下降。所谓共形光学设计就是在整流罩和成像光学系统之间加入校正系统,用校正系统校正整流罩所带来的像差,以便获得良好的成像质量。介绍了共形光学设计的概念,讨论了设计原理,分析了热变形的影响,并给出了一个设计实例。     

基于自由曲面透镜阵列的共形整流罩动态像差校正

为了校正大长径比、大扫描视角共形整流罩引入的动态像差,提出了一种固定自由曲面透镜阵列校正器.通过设计透镜阵列校正器中各透镜自由曲面的面形和旋转角度,校正不同扫描视角大长径比共形整流罩引入的动态像差.实验结果表明,自由曲面透镜阵列校正器可以对长径比为1.2的共形整流罩实现±50°扫描视角的动态像差校正.这种新型校正器具有...     

基于反向旋转位相板的共形光学系统设计

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

红外共形整流罩热噪声分析与修正

飞行器在大气层中超音速飞行时,被气动加热的光学整流罩产生强的红外辐射,降低了红外目标的跟踪识别能力。分析了共形光学系统整流罩热噪声的产生机理,利用红外黑体,对320K~460K的整流罩热噪声进行了测试。利用二元非线性回归分析法确定了二次曲面作为噪声修正模型,其曲面拟合的决定系数均值达到0.8683。在整流罩温度从460K下降至320K的过程中,对1K温差的靶条成像,图像信噪比均值为7.2dB。利用噪声修正模型对图像进行噪声修正后,图像信噪比均值提高至13.7dB,使红外图像信噪比提高了6.5dB。该结果为导引头目标识别跟踪系统的设计和光学系统的优化提供了部分依据。     

基于反转光楔和泽尼克多项式的共形光学设计

采用一对反向旋转的累斯莱棱镜可以实现对目标视场的动态扫描,并应用一对内表面为泽尼克边缘矢高表面的透镜对共形光学整流罩引入的主要像差进行校正,剩余像差则由累斯莱棱镜内表面进行补充校正.设计实例中,通过比较光学系统校正前后的成像质量以验证这种校正方法的有效性.     

共形光学技术

共形头罩可大大减小空气阻力,提高导弹在速度与射程方面的性能。介绍了精确共形光学技术,设计的关键在于校正共形头罩在全部视场的动态像差,讨论了采用旋转/平移位相板、拱形校正器等像差校正方法。简要说明了共性头罩加工、试验及应用状况,指出共形光学技术是未来高速导弹整流罩技术的发展方向。     

新型折反射式椭球形整流罩光学系统的设计

提出了一种可用于指导非旋转对称、折反射式光学系统设计的Wasserman-Wolf曲面设计方法,并将其用于设计椭球形整流罩光学系统,得到的系统具有结构尺寸小的优点.利用最小二乘拟合的方法使系统初始结构兼顾各个扫描视场的像差校正需求,克服了以往只针对零视场计算校正元件初始参数致使扩展至整个扫描视场时系统评价函数难以收敛的弊端.同时,从平面对称的矢量像差理论出发,分析了平面对称反射镜的像差特性,阐述了在不同扫描视场中,利用反射镜倾斜来进行动态像差补偿的原理.设计了一套工作波段为中波红外的椭球形整流罩光学系统,该系统的调制传递函数(MTF)在整个扫描视场内接近衍射极限.     

基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计研究

提出了基于多项式拟合Wassermann-Wolf曲面设计共形光学系统的设计方法，并给出了完整的设计结果.共形光学系统要求导弹整流罩具有流线型几何外观以减少空气阻力，其次考虑导引头的光学系统设计，所以共形整流罩引入的像差通常高达几十甚至一百个波长量级，为导引头光学系统的设计带来了极大的困难.通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面提供共形光学系统初始结构，建立Zernike多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数，克服了用传统光学设计方法设计共形光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题，实现了共形光学系统的设计.设计结果表明，系统的调制传递函数在整个目标视场范围内达到了衍射极限.     

机载光学整流罩与扫描反射镜尺寸及渐晕的设计分析

为满足机载光电系统的成像作用距离要求,对机载光学整流罩以及扫描反射镜的设计尺寸进行了理论仿真分析计算,并对研制的样机进行了试验研究。以实例形式给出了整流罩设计的作用距离与相关参量的计算结果,讨论了整流罩扫描系统的渐晕大小。装备该整流罩系统的样机,在近万米高空对音速某战机的红外长波扫描搜索距离可达到86 km,红外中波跟踪达到180 km,激光测距达到47 km。结果表明:根据探测作用距离理论模型分析计算,研制的机载光学整流罩及扫描反射镜光学系统达到了设计要求。     

利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统

基于Wassermann-Wolf曲面原理,设计了一套共形光学系统.该系统的设计方法与传统光学系统不同,具有随目标视场变化的动态像差特性.系统主要参量f′为30mm,像空间F/#为1.0,工作波长为3～5μm,HFOR为24°（半目标视场）,HFOV为1.0°（半瞬间视场）.设计结果表明,在整个目标视场系统成像质量达到较好水平.     

基于固定校正元件的凝视型共形光学系统设计

为提高凝视型共形光学系统的成像质量,提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系,设计整流罩内表面参数,减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上,利用Zernike Fringe多项式各项与像差的对应关系,构建Zernike Fringe Sag面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统,其F数为1,焦距f为30 mm,观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明,该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差,整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm处均达到0.748以上,成像质量良好。     

红外导引头整流罩技术研究

从材料选择和整流罩设计两方面,介绍了如何解决高速红外导引头整流罩问题.针对高速红外成像导引头使用环境的要求,分析了整流罩材料选择应考虑的因素.通过比较材料的透过率、硬度、抗弯强度和热膨胀等性能参数,得出尖晶石是较理想的高速导弹整流罩材料,其机械性能和光学性能良好,易于制备,并已取得成功应用;红外玻璃特别适合大尺寸和复杂形状制备.为了减小整流罩气动加热效应,分析了解决气动加热问题的途径,提出可通过镀金刚石膜、信号处理、共形设计等技术来减小影响,并简要介绍共形整流罩设计原理和制造.