主被动多波长光学天线的设计与仿真

论文摘要

移动目标之间的通信、探测、侦察、预警、跟踪与瞄准等多方面的应用,长期以来都是在微波段和红外波段进行的。随着对通信码速率、容量和保密性以及对全天候和高性能的目标探测跟踪系统的需求的快速增长,移动目标之间的近红外(NIR)和可见光领域的通信、探测与跟踪技术受到了人们的高度重视和发展。光学探测与精密跟瞄的手段分为主动与被动两种。被动探测在可见光和红外波段成像,其主要不足之处包括:全天候(如可见光在夜间)能力较弱、目标与复杂背景光学特征提取算法实时性较差、易对假目标死锁(如对导弹尾焰而不是弹体本身的跟踪锁定)、距离高能激光武器的输出波段较远(波长间隔导致瞄准偏差)等。主动探测的全天候能力强、能够提高跟踪带宽与实时性、对假目标不敏感或弱敏感、接收信号的信噪比高、可采用与高能激光武器相近或相同的波长,消除大气折射率变化的波长选择效应,并降低武器系统复杂度;其缺点是短波长光学主动跟踪对大气湍流敏感、光学视轴的倾斜抖动方差大、视轴稳定性较差。本文正是针对上述问题,针对有大气随机信道的特点,将多种光波波长、两种探测手段结合,研究光学联合探测跟踪方案中的主被动多波长光学天线系统,以达到作战条件下的全天候、高精度探测跟踪的性能要求。论文主要内容为:1.介绍了光学天线的主要类别、基础结构与形式,对各种常见光学天线进行结构参数、光学参数、成像质量的理论分析,开展不同结构天线的对比分析与优化选择,设计出多波长收发合一光学天线系统的初始结构。2.运用光学设计软件CODEV,设计出Nd:YAG激光器的高斯光束的预准直系统,放大倍数为5倍,半视场角为0.7°。对卡塞格伦系统的光学增益进行分析,计算出主天线系统的增益为108.16dB,在此基础上,设计了全视场角为2°,放大倍数为10倍,口径为150mm的收发合一多波长光学主天线。运用CODEV对预准直系统和主天线进行结构优化和分析评价。3.针对大气随机跟踪信道,在光学天线设计中,使用分色镜让10.6μm以上的光透过,由碲隔汞(HgCdTe)焦平面阵列探测器进行探测;10.6μm以下波长的光被反射,再增加一个分色镜,由电荷耦合器件CCD进行探测,从而实现接收光学天线的多探测器不同波长隔离;使用偏振分光棱镜和1/4波片实现单探测器的收发光功率隔离。4.根据光波在大气传输过程中的特点及其主要的大气效应,运用自适应光学降低大气湍流对系统性能的影响,对光学天线结构进行改进,从而完成大气随机跟踪信道中光学天线的针对性设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题依据及研究意义
• 1.3 联合探测跟踪系统中的光学天线
• 1.3.1 国内外研究概况、水平和发展趋势
• 1.3.2 联合探测跟踪系统中光学天线的组成
• 1.3.3 光学天线的先进技术及发展趋势
• 第二章 主被动多波长光学天线的设计原理
• 2.1 光学设计的基本概念
• 2.1.1 光学自动设计
• 2.1.2 光学设计软件 CODE V
• 2.1.3 基本像差理论
• 2.2 光学天线的基本概念
• 2.2.1 几种典型的光学天线
• 2.2.2 光学天线的设计方法
• 2.3 联合探测跟踪系统中光学天线的设计
• 2.3.1 联合探测跟踪系统中光学天线的基本要求
• 2.3.2 联合探测跟踪系统中光学天线一级指标的计算
• 2.4 本章小节
• 第三章 主被动多波长光学天线的结构设计
• 3.1 主被动多波长光学天线初始结构的确定
• 3.1.1 光学天线的主要设计内容
• 3.1.2 光学天线系统的主要技术指标
• 3.2 激光高斯光束预准直设计
• 3.2.1 稳腔固体激光器实用化光束质量分析
• 3.2.2 准直光学系统设计的仿真
• 3.2.3 像差分析与结构优化
• 3.3 光学主天线系统的设计与仿真
• 3.3.1 光学主天线的设计要求
• 3.3.2 卡塞格伦光学主天线的增益分析
• 3.3.3 卡塞格伦光学主天线的仿真设计
• 3.3.4 卡塞格伦光学主天线的像质评价
• 3.4 本章小结
• 第四章 联合侦察与跟踪体制中的光学隔离方案
• 4.1 大气随机跟踪信道的波长特征
• 4.2 光学隔离的材料选择
• 4.2.1 红外光学材料的选择
• 4.2.2 镀增透膜增加透过率
• 4.3 光学隔离系统中光学单元的设计
• 4.3.1 分光镜的设计
• 4.3.2 场镜的设计
• 4.3.3 滤光片的设计
• 4.4 光学隔离方案与光学天线小型化设计与仿真
• 4.4.1 发射通道的设计与仿真
• 4.4.2 接收通道的设计与仿真
• 4.4.3 视准轴通道的设计与仿真
• 4.5 隔离度的计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 大气随机跟踪信道中光学天线设计
• 5.1 大气随机跟踪信道对激光传输特性的影响
• 5.1.1 折射率起伏功率谱
• 5.1.2 强度闪烁
• 5.1.3 波结构函数及大气相干长度
• 5.2 孔径平滑效应
• 5.3 自适应光学
• 5.3.1 自适应光学的基本原理
• 5.3.2 自适应光学系统的组成
• 5.4 大气随机跟踪信道中光学天线的针对性设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作及创新点
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果