CN102508223A - 应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置 - Google Patents

Abstract

应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置，属于太赫兹测量技术领域。它解决了现有太赫兹RCS测量装置在测量尺寸相差较大的不同目标时，由于不能改变照射到测量目标的平行光束尺寸，会产生较大的测量误差的问题。本发明基于共焦离轴抛物面镜组对平行光束的扩束或压缩机理，即通过不同焦距的离轴抛物面镜组，实现对输入平行光束的不同扩束或压缩；同时，为了实现高精度扩束或压缩，即保证本发明装置的扩束比精度，本发明装置采用了高精密的电控平移台、高精密电控升降台和高精密电控旋转台实现全反镜和离轴抛物面镜的平移、升降和旋转。本发明用于雷达散射截面的测量装置中对输入平行光束进行扩束或压缩。

Description

应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置

技术领域

本发明涉及一种应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置，属于太赫兹测量技术领域。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射通常指的是频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射，此波段内的电磁辐射可以穿透大多数非金属非极性物质。太赫兹雷达相对于其他波段雷达，具有适中的搜索能力、覆盖范围和空间分辨率，是目前国内外太赫兹技术研究的重点课题。

雷达散射截面(radar cross section，缩写RCS)是雷达中的重要参数，对雷达系统设计、目标识别和隐身技术都具有重要的指导意义。由于理论计算不能给出目标精确的实际RCS，因此目标实际RCS的测量至关重要。太赫兹RCS测量装置不仅可以测量太赫兹波段的RCS，还可以通过频率缩比技术对大尺寸目标缩比模型的测量，获得微波波段大尺寸目标的RCS，从而大大降低大尺寸目标微波波段RCS测量成本并缩短测量周期。

截止目前，国际上只有美国、德国、丹麦和芬兰进行了简单目标的太赫兹RCS测量。并且现有的太赫兹RCS测量装置中，均没有调节扩束比的装置，因此进行的测量只能针对尺寸相差不大的目标。这些太赫兹RCS测量装置测量尺寸相差较大的不同目标时，由于不能改变照射到测量目标的平行光束尺寸，会在测量中产生较大的测量误差。

发明内容

本发明是为了解决现有太赫兹RCS测量装置在测量尺寸相差较大的不同目标时，由于不能改变照射到测量目标的平行光束尺寸，会产生较大的测量误差的问题，提供一种应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置。

本发明所述应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置，它包括第一全反镜、第二全反镜、离轴抛物面镜、一组置换离轴抛物面镜、第一电控平移台、第二电控平移台、第三电控平移台、第一电控升降台、第二电控升降台、第一电控旋转台、第二电控旋转台、第三电控旋转台、第四电控旋转台、第一固定支架、第二固定支架、光学平台和控制器，

离轴抛物面镜与一组置换离轴抛物面镜中的任一个组成共焦离轴抛物面镜组，

第一全反镜固定安装在第三电控旋转台的旋转台面上，且所述第一全反镜的反射面与该第三电控旋转台的旋转台面相垂直，第三电控旋转台的底面固定在第一固定支架的上端面，

一组置换离轴抛物面镜沿竖直方向依次固定安装在第一电控升降台的升降台面上，所述第一电控升降台的固定部件固定安装在第一电控旋转台的旋转台面上，

第一固定支架和第一电控旋转台均固定安装在第三电控平移台上，并分别通过固定底板与所述第三电控平移台滑动连接，

第一电控平移台和第二电控平移台相对平行固定安装在光学平台上；第三电控平移台跨接在第一电控平移台和第二电控平移台之间，并且第三电控平移台的两端分别通过固定底板与第一电控平移台和第二电控平移台滑动连接，

离轴抛物面镜通过固定底板与第二电控升降台的长降台面连接，第二电控升降台固定安装在第二电控旋转台的旋转台面上；

第二全反镜固定安装在第四电控旋转台的旋转台面上，第四电控旋转台固定在第二固定支架上；

第二电控旋转台和第二固定支架固定安装在光学平台上；

控制器由运动平台控制模块、微调节运动平台控制模块和扩束参数设置模块组成，

运动平台控制模块用于控制电控平移台步进电机工作，所述步进电机用于驱动第一电控平移台和第二电控平移台的运动台面，使第三电控平移台沿第一电控平移台和第二电控平移台的导轨同步平移运动，运动平台控制模块还用于控制第一升降步进电机工作，所述第一升降步进电机用于驱动第一电控升降台的升降台面做升降运动；

微调节运动平台控制模块用于分别控制四个旋转步进电机和第二升降步进电机工作，所述四个旋转步进电机分别用于驱动第一电控旋转台、第二电控旋转台、第三电控旋转台和第四电控旋转台做旋转运动；所述第二升降步进电机用于驱动第二电控升降台的升降台面做升降运动；

扩束参数设置模块用于设置第一全反镜、第二全反镜、离轴抛物面镜和置换离轴抛物面镜的扩束比参数。

所述一组置换离轴抛物面镜为三个置换离轴抛物面镜。

本发明的优点是：本发明基于共焦离轴抛物面镜组来实现太赫兹激光平行光束的扩束比的改变，由此实现了不同尺寸目标RCS的精确测量。

本发明装置具有精度高、体积小、结构紧凑、简单易操作等优点；它能根据不同尺寸目标的测试要求，来改变输入平行光束的扩束比，实现对输入平行光束不同比例系数的扩束或压缩。

本发明基于共焦离轴抛物面镜组对平行光束的扩束或压缩机理，即通过不同焦距的离轴抛物面镜组，实现对输入平行光束的不同扩束或压缩；同时，为了实现高精度扩束或压缩，即保证本发明装置的扩束比精度，本发明装置采用了高精密的电控平移台、高精密电控升降台和高精密电控旋转台实现全反镜和离轴抛物面镜的平移、升降和旋转。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明扩束原理示意图；

图3为控制器的功能结构示意图；

图4为本发明装置的使用过程流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置，它包括第一全反镜1-1、第二全反镜1-2、离轴抛物面镜2-1、一组置换离轴抛物面镜2-2、第一电控平移台4-1、第二电控平移台4-2、第三电控平移台4-3、第一电控升降台5-1、第二电控升降台5-2、第一电控旋转台6-1、第二电控旋转台6-2、第三电控旋转台6-3、第四电控旋转台6-4、第一固定支架7-1、第二固定支架7-2、光学平台8和控制器，

离轴抛物面镜2-1与一组置换离轴抛物面镜2-2中的任一个组成共焦离轴抛物面镜组，

第一全反镜1-1固定安装在第三电控旋转台6-3的旋转台面上，且所述第一全反镜1-1的反射面与该第三电控旋转台6-3的旋转台面相垂直，第三电控旋转台6-3的底面固定在第一固定支架7-1的上端面，

一组置换离轴抛物面镜2-2沿竖直方向依次固定安装在第一电控升降台5-1的升降台面上，所述第一电控升降台5-1的固定部件固定安装在第一电控旋转台6-1的旋转台面上，

第一固定支架7-1和第一电控旋转台6-1均固定安装在第三电控平移台4-3上，并分别通过固定底板与所述第三电控平移台4-3滑动连接，

第一电控平移台4-1和第二电控平移台4-2相对平行固定安装在光学平台8上；第三电控平移台4-3跨接在第一电控平移台4-1和第二电控平移台4-2之间，并且第三电控平移台4-3的两端分别通过固定底板与第一电控平移台4-1和第二电控平移台4-2滑动连接，

离轴抛物面镜2-1通过固定底板与第二电控升降台5-2的长降台面连接，第二电控升降台5-2固定安装在第二电控旋转台6-2的旋转台面上；

第二全反镜1-2固定安装在第四电控旋转台6-4的旋转台面上，第四电控旋转台6-4固定在第二固定支架7-2上；

第二电控旋转台6-2和第二固定支架7-2固定安装在光学平台8上；

控制器由运动平台控制模块9-1、微调节运动平台控制模块9-2和扩束参数设置模块9-3组成，

运动平台控制模块9-1用于控制电控平移台步进电机工作，所述步进电机用于驱动第一电控平移台4-1和第二电控平移台4-2的运动台面，使第三电控平移台4-3沿第一电控平移台4-1和第二电控平移台4-2的导轨同步平移运动，运动平台控制模块9-1还用于控制第一升降步进电机工作，所述第一升降步进电机用于驱动第一电控升降台5-1的升降台面做升降运动；

微调节运动平台控制模块9-2用于分别控制四个旋转步进电机和第二升降步进电机工作，所述四个旋转步进电机分别用于驱动第一电控旋转台6-1、第二电控旋转台6-2、第三电控旋转台6-3和第四电控旋转台6-4做旋转运动；所述第二升降步进电机用于驱动第二电控升降台5-2的升降台面做升降运动；

扩束参数设置模块9-3用于设置第一全反镜1-1、第二全反镜1-2、离轴抛物面镜2-1和置换离轴抛物面镜2-2的扩束比参数。

本发明所述的电控可变扩束比装置在使用中，通过调整第一电控平移台4-1、第二电控平移台4-2、第三电控平移台4-3、第一电控升降台5-1、第二电控升降台5-2、第一电控旋转台6-1、第二电控旋转台6-2、第三电控旋转台6-3、第四电控旋转台6-4、第一固定支架7-1、第二固定支架7-2的相对位置，使得所述装置中的光路为：

太赫兹激光源输出的平行光束经第一全反镜1-1反射后，入射至一组置换离轴抛物面镜2-2中居中的置换离轴抛物面镜2-2，经置换离轴抛物面镜2-2反射后的反射光束再经离轴抛物面镜2-1反射后，入射至第二全反镜1-2，并经第二全反镜1-2反射后形成输出平行光束，输出平行光束与输入平行光束相平行。

图2所示，离轴抛物面镜2-1和置换离轴抛物面镜2-2组成共焦离轴抛物面镜组，通过选取合适焦距的置换离轴抛物面镜2-2，即通过置换一组置换离轴抛物面镜2-2中不同焦距的置换离轴抛物面镜2-2，可以实现对输入平行光束的扩束或压缩。

结合图1，第二电控升降台5-2和四个电控旋转台均为高精密位移台，第二电控旋转台6-2用于微调节离轴抛物面镜2-1的方位角，第四电控旋转台6-4用于微调第二全反镜1-2的方位角，第一电控旋转台6-1用于微调节置换离轴抛物面镜2-2的方位角，第三电控旋转台6-3用于微调节第一全反镜1-1的方位角，四个电控旋转台形成一套高精密电控旋转系统，该高精密电控旋转系统主要用于第一全反镜1-1、第二全反镜1-2、离轴抛物面镜2-1和置换离轴抛物面镜2-2的装调和精细矫正，避免光学元件装调带来的较大误差，保证系统光路的高精度。

第一电控平移台4-1、第二电控平移台4-2、第三电控平移台4-3和第一电控升降台5-1组成了三维组合平台，所述三维组合平台的定位和置换离轴抛物面镜2-2中不同焦距离轴抛物面镜的置换，由运动平台控制模块9-1发出平移或升降控制指令，经步进电机控制器驱动高分辨率步进电机，进而实现对三维组合平台定位和置换离轴抛物面镜2-2中不同焦距离轴抛物面镜置换的高精密控制。

离轴抛物面镜2-1和置换离轴抛物面镜2-2组成共焦离轴抛物面镜组，用于实现扩束或压缩平行光束的目的；第一全反镜1-1和置换离轴抛物面镜2-2固定于第三电控平移台4-3上，用于实现其相对位置的固定。一组置换离轴抛物面镜2-2可以通过第一电控升降台5-1的升降置换为不同焦距的离轴抛物面镜，从而实现对光束的压缩或扩束。当置换为不同焦距的离轴抛物面镜时，需要改变置换离轴抛物面镜2-2到共焦焦点的距离，以确保与离轴抛物面镜2-1的共焦，即通过控制器的运动平台控制模块9-1控制第一电控平移台4-1和第二电控平移台4-2，将固定有第一全反镜1-1和置换离轴抛物面镜2-2的第三电控平移台4-3定位至目的坐标位置，整个过程中要保证第一全反镜1-1和置换离轴抛物面镜2-2的相对位置不变。

控制器内通过安装高精密平台控制软件来实现运动平台控制模块9-1、微调节运动平台控制模块9-2和扩束参数设置模块9-3的相应功能，包括用于实现扩束过程的精密控制，对第一全反镜1-1和置换离轴抛物面镜2-2的装调和精细矫正，及扩束参数的输入与相关参数的计算。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述一组置换离轴抛物面镜2-2为三个置换离轴抛物面镜2-2。

本发明装置在使用时只需在控制器内安装的高精密平台控制软件中设置或修改相应的参数，相应功能模块会自动生成相应的控制命令或传递参数，经步进电机控制器自动驱动相应的电控平移台、电控升降台或电控旋转台，执行相应的平移、升降或旋转命令，依据输入的参数，本发明装置可自动完成对光学元件位置的精细矫正和实现不同扩束比平行光束的输出。

将本发明装置应用于THz激光源的具体使用步骤如下：

步骤一、首先精细矫正本发明装置中各光学元件的位置：

若本发明装置扩束后的输出性能满足要求，则直接进入步骤二；否则，采用下面的精细矫正步骤进行电控可变扩束比装置的精细矫正：

一)：以氦氖光代替THz激光输入电控可变扩束比装置，在电控可变扩束比装置的出端使用热释电面阵探测器对经过扩束后的平行光束质量进行测量；

二)使用微调节运动平台控制模块9-2对第二电控升降台5-2进行高精度的升降调节，精细矫正装置的光路，监控电控可变扩束比装置输出的平行光束质量；

三)使用微调节运动平台控制模块9-2对四个电控旋转台进行高精度的旋转调节，精细矫正装置的光路，监控电控可变扩束比装置输出的平行光束质量；

四)重复二和三的操作，直至扩束后平行光束的输出性能满足要求。

步骤二：对扩束参数进行设置：

根据扩束比要求，在扩束参数设置模块9-3中设置离轴抛物面镜组扩束比参数，扩束参数设置模块9-3根据设置的扩束比参数自动计算实现扩束要求所需的其他扩束相关参数，并将这些参数传递给运动平台控制模块9-1。

步骤三：电控可变扩束比装置自动置换不同焦距的置换离轴抛物面镜2-2并重新定位，输出所需扩束比的高性能平行光束。

运动平台控制模块9-1依据扩束参数设置模块9-3传递的参数，自动选择最优焦距置换离轴抛物面镜2-2并计算平移和升降定位坐标参数，自动生成平移和升降命令，经步进电机控制器自动驱动第一电控平移台4-1、第二电控平移台4-2、第三电控平移台4-3和第一电控升降台5-1执行相应的平移和升降命令。实现不同焦距置换离轴抛物面镜2-2的自动置换，输出所需扩束比的高性能平行光束。

Claims (2)

1.一种应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置，其特征在于：它包括第一全反镜(1-1)、第二全反镜(1-2)、离轴抛物面镜(2-1)、一组置换离轴抛物面镜(2-2)、第一电控平移台(4-1)、第二电控平移台(4-2)、第三电控平移台(4-3)、第一电控升降台(5-1)、第二电控升降台(5-2)、第一电控旋转台(6-1)、第二电控旋转台(6-2)、第三电控旋转台(6-3)、第四电控旋转台(6-4)、第一固定支架(7-1)、第二固定支架(7-2)、光学平台(8)和控制器，

离轴抛物面镜(2-1)与一组置换离轴抛物面镜(2-2)中的任一个组成共焦离轴抛物面镜组，

第一全反镜(1-1)固定安装在第三电控旋转台(6-3)的旋转台面上，且所述第一全反镜(1-1)的反射面与该第三电控旋转台(6-3)的旋转台面相垂直，第三电控旋转台(6-3)的底面固定在第一固定支架(7-1)的上端面，

一组置换离轴抛物面镜(2-2)沿竖直方向依次固定安装在第一电控升降台(5-1)的升降台面上，所述第一电控升降台(5-1)的固定部件固定安装在第一电控旋转台(6-1)的旋转台面上，

第一固定支架(7-1)和第一电控旋转台(6-1)均固定安装在第三电控平移台(4-3)上，并分别通过固定底板与所述第三电控平移台(4-3)滑动连接，

第一电控平移台(4-1)和第二电控平移台(4-2)相对平行固定安装在光学平台(8)上；第三电控平移台(4-3)跨接在第一电控平移台(4-1)和第二电控平移台(4-2)之间，并且第三电控平移台(4-3)的两端分别通过固定底板与第一电控平移台(4-1)和第二电控平移台(4-2)滑动连接，

离轴抛物面镜(2-1)通过固定底板与第二电控升降台(5-2)的长降台面连接，第二电控升降台(5-2)固定安装在第二电控旋转台(6-2)的旋转台面上；

第二全反镜(1-2)固定安装在第四电控旋转台(6-4)的旋转台面上，第四电控旋转台(6-4)固定在第二固定支架(7-2)上；

第二电控旋转台(6-2)和第二固定支架(7-2)固定安装在光学平台(8)上；

控制器由运动平台控制模块(9-1)、微调节运动平台控制模块(9-2)和扩束参数设置模块(9-3)组成，

运动平台控制模块(9-1)用于控制电控平移台步进电机工作，所述步进电机用于驱动第一电控平移台(4-1)和第二电控平移台(4-2)的运动台面，使第三电控平移台(4-3)沿第一电控平移台(4-1)和第二电控平移台(4-2)的导轨同步平移运动，运动平台控制模块(9-1)还用于控制第一升降步进电机工作，所述第一升降步进电机用于驱动第一电控升降台(5-1)的升降台面做升降运动；

微调节运动平台控制模块(9-2)用于分别控制四个旋转步进电机和第二升降步进电机工作，所述四个旋转步进电机分别用于驱动第一电控旋转台(6-1)、第二电控旋转台(6-2)、第三电控旋转台(6-3)和第四电控旋转台(6-4)做旋转运动；所述第二升降步进电机用于驱动第二电控升降台(5-2)的升降台面做升降运动；

扩束参数设置模块(9-3)用于设置第一全反镜(1-1)、第二全反镜(1-2)、离轴抛物面镜(2-1)和置换离轴抛物面镜(2-2)的扩束比参数。

2.根据权利要求1所述的应用于太赫兹激光源的电控可变扩束比装置，其特征在于：所述一组置换离轴抛物面镜(2-2)为三个置换离轴抛物面镜(2-2)。

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