CN106546130B - 基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法，系统包括相干光源、扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜、空间光调制器、第一凸透镜、分束镜、CCD相机、第三反射镜、第二凸透镜、摄像机、工作平面和电脑；本发明利用摄像机将各个目标的实时图像传回控制电脑，利用红外触摸屏点击，通过Labview计算，运用GS算法，计算出全息图，再将全息图加载到液晶SLM中，进而产生多光束，灵活地对目标进行打击。本发明的液晶SLM操作方便、使用灵活；使用Labview控制进行自动出光打击，不需要人工调节光束，可以灵活地控制光束的数量以及位置，节约时间；利用空间光调制器SLM，能够产生多光束，同时对各个目标进行打击，提高了激光器的能量利用率。

Description

基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法

技术领域

本发明属于激光及控制技术领域，具体涉及一种使用SLM（液晶空间光调制器）产生多光束，用Labview进行控制，对目标进行打击的光学系统。

背景技术

激光器的发明是20世纪中能与原子能、半导体、计算机相提并论的重大科技成就。自诞生到现在得到了迅速发展，激光光源的出现是人工制造光源历史上的又一次革命。自1960年第一台红宝石激光器问世以来，人们就开始进行激光与材料相互作用的研究。经过40多年的发展，为了满足不同的需要，各种激光器应运而生并被广泛应用于工业加工和医疗领域。激光波长覆盖几乎红外到极紫外波段，脉冲宽度也减小到几个光周期。

激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性能，加上激光的空间控制性和时间控制性很好，易获得超短脉冲、尺度极小的光斑。能够产生极高的能量密度和功率密度，带来超高温和超高热的烧蚀效果，足以融化世界上任何金属和非金属物质，超快激光甚至能够直接将材料等离子化，包括透明材料，因此很广泛地被应用于加工，医疗，军事等领域。与计算机数控技术相结合，使得激光更加灵活多变得服务于我们的生活。

激光与物体为无接触反应，其主要特点也就是无惯性，作用时间短，传输速度快。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的。因而可以实现各种快速复杂的运动。且在产生过程中，无噪音，污染等，非常具有应用前景。

现有的技术中，激光主要应用于微加工领域，且在加工过程中，没有加入对光束数量和位置的控制，数量和位置不会产生改变，灵活性差，而且运用激光器一般只使用单束光，激光器的能量利用率不到1%，加工效率低下；在激光武器方面，现有的激光武器主要运用连续激光，在大气中容易产生散射，打击范围小，且运用的主要是单束光，效率较低，在打击过程中，光束的位置不会移动，灵活性差。

发明内容

为了克服现有激光打击方式灵活性差的问题，本发明提供了一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法，其特征在于：包括相干光源、扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜、空间光调制器、第一凸透镜、分束镜、CCD相机、第三反射镜、第二凸透镜、摄像机、工作平面和电脑；

所述相干光源产生的激光经过所述扩束镜扩束后，通过第一反射镜反射到快门，由快门控制光的开关，再通过第二反射镜反射到所述空间光调制器上；反射光经过所述第一凸透镜聚焦，然后经过所述分束镜分束，一部分光反射后进入所述CCD相机实时监控光的质量，一部分光透射后通过所述第三反射镜，反射到所述第二凸透镜上，将多光束产生在工作平面；

所述电脑分别与所述快门、空间光调制器、CCD相机、摄像机连接，用于控制所述快门、空间光调制器、CCD相机、摄像机工作。

本发明的方法所采用的技术方式是：一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用摄像机捕捉图像，在Labview中手动点击，把目标数量以及位置加载到Labview；

步骤2：利用GS算法，利用Labview计算出在不同位置产生光所需要的全息图；

步骤3：将产生的全息图加载在空间光调制器上；

步骤4：把相干光源发出的光以小于10°的入射角入射到空间光调制器上；

步骤5：使用分束镜进行分束；

步骤6：一部分光使用第二凸透镜将多光束在空间光调制器上成的像传递到工作平面；一部分光将最终的成像入射到CCD相机里，用于观测多光束的质量；

步骤7：产生多光束，对目标进行打击。

与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：

（1）液晶SLM操作方便、使用灵活；

（2）本发明方法使用Labview控制进行自动出光打击，不需要人工调节光路，节约时间；

（3）本发明方法利用空间光调制器SLM，能够产生多光束，同时对各个目标进行打击，提高了激光器的能量利用率；

（4）本发明方法在打击过程中，光束的数量和位置能够改变，能够对高速移动的目标实现动态打击。

进一步地，上述技术方案中步骤1能够用软件自动识别出目标的实时坐标，实现对目标的打击。

附图说明

图1是本发明实施例的空间光调制器的原理图；

图2是本发明实施例的系统结构图；

其中，1是相干光源，2是扩束镜，3是第一反射镜，4是快门，5是第二反射镜，6是空间光调制器，7是第一凸透镜，8是分束镜，9是CCD相机，10是第三反射镜，11是第二凸透镜，12是摄像机，13是工作平面，14是电脑。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)的灵活性，首先通过摄像机将实时图像传回电脑，人手在红外触摸屏上点击，得出目标的数量以及坐标，通过Labview计算产生全息图，然后加载到SLM中产生多光束，把一个高能量光束分解为微焦级别的多光束，可以极大地提高超快激光的效率，能量利用率也得到了极大地提高。同时这个多光束的数量与分布可以随着目标的移动变化而变化，因而可以以高灵敏度对复数高速运动的目标进行跟踪与打击。

液晶空间光调制器的原理主要是通过多个叠加的全息图，通过GS算法，实现多个衍射光栅叠加效果，产生多个叠加衍射光栅，当单束光照射SLM时，由于各个光栅的衍射角不同，使得单光束经过这些光栅后分成不同角度的多光束。通过Labview编程控制，加载不同的像平面的全息图，即可以在指定方位产生多光束，原理如图1所示。

请见图2，本发明提供的一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法，包括相干光源1、扩束镜2、第一反射镜3、快门4、第二反射镜5、空间光调制器6、第一凸透镜7、分束镜8、CCD相机9、第三反射镜10、第二凸透镜11、摄像机12、工作平面13和电脑14；相干光源1产生的激光经过扩束镜2扩束后，通过第一反射镜3反射到快门4，由快门4控制光的开关，再通过第二反射镜5反射到空间光调制器6上；反射光经过第一凸透镜7聚焦，然后经过分束镜8分束，一部分光反射后进入CCD相机9实时监控光的质量，一部分光透射后通过第三反射镜10，反射到第二凸透镜11上，将多光束产生在工作平面13；电脑14分别与快门4、空间光调制器6CCD相机9、摄像机12连接，用于控制快门4、空间光调制器6CCD相机9、摄像机12工作。快门4是由电脑控制光的开关，空间光调制器与CCD相机9、电脑14之间有反馈调节，保证光束的质量，摄像机12产生实时图像呈现在电脑14上，通过Labview进行处理，产生全息图，再将全息图加载到空间光调制器6上，产生多光束，对目标进行打击。

本实施例的CCD相机9会将光束质量反馈到电脑14上；摄像机12会将工作平面13的实时图像传回电脑14，利用红外触摸屏，在Labview操作界面中电脑的实时图像上进行触摸，通过GS算法产生相应的全息图，进而产生多光束进行打击。

本实施例属于手动打击目标，亦可通过自动打击目标，其中，摄像机12会将工作平面13的实时图像传回电脑14，在Labview软件上加载实时图像，利用图像识别软件，自动计算出全息图，即可在对应的位置产生光束打击目标。

本发明提供的一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统及方法，包括以下步骤：

步骤1，首先利用摄像机12将拍到目标的实时图像加载到Labview上，通过红外触摸屏，手动点击，得到目标的数量以及位置；

步骤2，利用Labview计算全息图，不同的全息图能在不同的地方生成多光束，利用GS算法，用Labview计算出在不同的地方产生不同的光束所需要的全息图；

步骤3，将步骤2中得到的全息图加载到空间光调制器SLM（以下简称“SLM”）6上，进而产生多光束；

步骤4，相干光源1（本实施例采用的是激光器）产生的激光能量经过衰减后，以小于10°的入射角度入射到SLM6上，入射的光束照射到光栅部分会发生衍射，进而产生多光束；

步骤5，利用光学4f成像原理，使用两个双凸透镜组成光学4f成像系统，将多光束在SLM6上成的像传递到工作平面13。本实施例的光学4f系统中第一凸透镜7焦距为f1，第二凸透镜焦距为f2；第一凸透镜7位于SLM后f1处，第二凸透镜11位于第一凸透镜7后f1+f2处，且f1远大于f2；

步骤6，为了检测多光束光斑能量分布，在F1000透镜7后加入分束镜8，将最终的成像入射到CCD相机9里，用于观测多光束的质量；

步骤7，产生多光束，对目标进行打击；

本实施例的步骤1至步骤7是自动循环进行，实现对目标的动态打击。

本实例中步骤1亦可通过图像识别软件，自动计算出全息图，即可在对应的位置产生光束打击目标。

本实施例对多光束进行在线检测，加入反馈调节，使能量分布更加均匀，以提高多光束的质量。

尽管本说明书较多地使用了相干光源1、扩束镜2、第一反射镜3、快门4、第二反射镜5、空间光调制器6、第一凸透镜7、分束镜8、CCD相机9、第三反射镜10、第二凸透镜11、摄像机12、工作平面13和电脑14等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统，其特征在于：包括相干光源（1）、扩束镜（2）、第一反射镜（3）、快门（4）、第二反射镜（5）、空间光调制器（6）、第一凸透镜（7）、分束镜（8）、CCD相机（9）、第三反射镜（10）、第二凸透镜（11）、摄像机（12）、工作平面（13）和电脑（14）；

所述相干光源（1）产生的激光经过所述扩束镜（2）扩束后，通过第一反射镜（3）反射到快门（4），由快门（4）控制光的开关，再通过第二反射镜（5）反射到所述空间光调制器（6）上；反射光经过所述第一凸透镜（7）聚焦，然后经过所述分束镜（8）分束，一部分光反射后进入所述CCD相机（9）实时监控光的质量，一部分光透射后通过所述第三反射镜（10），反射到所述第二凸透镜（11）上，将多光束作用到工作平面（13）上；

所述电脑（14）分别与所述快门（4）、空间光调制器（6）、CCD相机（9）、摄像机（12）连接，用于控制所述快门（4）、空间光调制器（6）、CCD相机（9）、摄像机（12）工作；

本系统用于手动打击目标和自动打击目标；

当执行手动打击目标时，所述电脑（14）屏幕上设置有红外触摸屏，在Labview操作界面中，不同的位置触摸，产生全息图，进而对目标进行打击；

当执行自动打击目标时，所述摄像机（12）将工作平面（13）的实时图像传回电脑（14），在Labview软件上加载实时图像，利用图像识别软件，自动计算出全息图，在对应的位置产生光束打击目标。

2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统，其特征在于：所述第一凸透镜（7）焦距远远大于第二凸透镜（11）。

3.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统，其特征在于：所述第一凸透镜（7）焦距为f1，第二凸透镜（11）焦距为f2，所述第一凸透镜（7）位于空间光调制器（6）后f1处，所述第二凸透镜（11）位于所述第一凸透镜（7）后f1+f2处。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪系统，其特征在于：所述空间光调制器（6）为液晶空间光调制器。

5.一种基于液晶空间光调制器的多目标多姿态并行跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用摄像机捕捉图像，在Labview中手动点击，把目标位置加载到labview；

步骤2：利用GS算法，利用Labview计算出在不同位置产生光所需要的全息图；

步骤3：将产生的全息图加载在空间光调制器上；

步骤4：把相干光源发出的光以小于10°的入射角入射到空间光调制器上；

步骤5：使用分束镜进行分束；

步骤6：一部分光使用第二凸透镜将多光束在空间光调制器上成的像传递到工作平面；一部分光将最终的成像入射到CCD相机里，用于观测多光束的质量；

步骤7：产生多光束，对目标进行打击。