保形光学在导引头中的应用

　　0 引言

　　导引头安装于导弹头部，在飞行中其外部的整流罩承受着较大的正面阻力，要比弹体其他部分经受更大的气动热负荷。传统的球面与平面透镜组合导引头系统引入的像差易于补偿，但这种结构空气阻力大，不利于导弹作战性能的提高。由此首先考虑空气动力学性能，其次考虑光学成像性能的保形光学系统。应用保形光学后大幅度减小了导弹在飞行过程中的空气阻力，能使导弹获得更快的飞行速度、更远的射程和更灵活的机动性能，最终获得极高的战斗效能。但保形整流罩远远地偏离球面，各点的曲率变化非常大，每个子观察视场中用于实际成像的罩结构都不相同，这对保形导引头系统的设计、加工和检测提出了诸多挑战，故对其进行研究。

　　1 保形光学的特点

　　美国 Raytheon 公司对保形光学的定义：以提高系统空气动力学性能为目的平滑地适应系统平台外部形状的光学窗口[1]。保形光学将整流罩由长径比(罩的总长度与底部口径大小之比)为0.5 的半球形改成了长径比更大的椭球形，被拉长的球面能以流线型从弹体安装基座连续、平滑地延伸到信号平台。保形光学的重要特点是能降低空气阻力。图1 是2 马赫速度下空气阻力系数与长径比的关系[2]。

　　从图1 可以看出，随着长径比的增大，整流罩的阻力系数明显减小。由于导弹头部的阻力约占整个弹体所受阻力的一半[3]，因此，相对于球形整流罩，保形整流罩可以显著地减小导弹的飞行阻力，就能减少到达命中目标的飞行时间、增大射程或增加装药量;同时减小了因高速摩擦而引发的热量，而且距离头部一定距离之后的温度分布相对均匀，有利于减小气动光学效应对成像质量的影响。

　　保形光学的另一个特点是能获得远大于90o 的观察视场。半球形结构由于边缘的限制使其观察视场往往小于60º，而保形结构的内表面与可旋转成像系统的轴向间距可以自由调节，因此能设计出更大的无渐晕跟踪场，实现大于90o 的搜索、跟踪。保形外形还有利于减小雷达反射面积，对于诸如巡航导弹之类的亚音速导弹来讲，使用保形光学零件可以减小雷达反射面积，增大视场，也利于控制导弹周围的流场。

　　2 保形光学系统面临的挑战及解决思路

　　2.1 光学系统设计

　　保形整流罩的流线型几何外形破坏了球形整流罩的点对称几何特性，当转架离开弹轴线时，头罩的光学对称性被打破，使保形光学系统具有大倾斜、大偏心光学特性，像差具有依赖于目标视场和瞬时视场的动态特性，所引入的像差高达几十甚至100个波长量级，随目标视场的变化而变化[3]。保形光学系统中除了球差外，还存在彗差和像散，必须引入补偿器来校正像差。保形光学系统特殊的几何外形使得传统的光学设计方法难以获得合适的初始结构，较大的目标视场和瞬时视场也导致系统的评价函数收敛缓慢。保形光学系统设计的难点在于确定光学系统采用何种非球面，并建立合适的设计起点。光学理论表明满足正弦条件的系统就可以消除彗差，等光程的系统可以消除球差，设计合理的2个相邻非球面能同时满足阿贝正弦和等光程条件，那么就可以校正系统引入的彗差和球差。