CN107040308B - 一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪 - Google Patents

一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪 Download PDF

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Abstract

一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，涉及一种激光载波测控与通信技术，为了实现对激光远场传输过程中的大气湍流与振动的模拟，并能够检测有湍流和无湍流条件下的激光远场光斑，评价激光发射系统的多项性能，采用湍流与振动模拟组件、远场光斑检测组件和光学组件实现了对激光远场传输过程中的大气湍流与振动的模拟，并能够检测有湍流和无湍流条件下的激光远场光斑，评价激光发射系统的多项性能。该检测仪通过软件注入实测的大气参数，使大气湍流模拟更加真实可信，可用于激光工程应用中系统的设计、装调、检测和模拟实验，节约人力物力，为激光传输设备的研制提供技术支持。

Description

一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪
技术领域
本发明涉及一种激光载波测控与通信技术，具体涉及一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪。
背景技术
激光工程应用中的激光传输媒介多为大气，而大气中影响激光远场传输最为严重的因素是大气湍流，会产生光强闪烁、光束漂移和光束扩展。由于大气激光传播理论复杂，湍流介质特性难以统计以及实验条件不可控等原因，激光应用系统在设计时缺乏准确设计输入，在系统检测时缺少可量化大气环境的模拟装置，严重制约了激光工程应用的发展。仅仅是采用外场实地测量、重复实验等手段，不仅消耗了大量的人力、物力、财力，并且，由于大气本身具有很高的不确定性，重复性较弱，所以单次外场实验结果很难完全准确地反映各种天气环境下的湍流变化，因此迫切需要研制模拟激光远场传输的湍流模拟装置。同时，多数激光应用系统所处平台不稳定，某些平台复杂频率下的振动所导致的激光指向漂移是不可忽略的，需要在实验室中对其进行高精度模拟，对复杂频率振动的模拟可用来测试激光对准系统的性能。
模拟激光远场传输并对发射和接收结果进行检测，可以对激光工程应用中系统的装调质量和若干系统关键指标进行定性、定量评价，同时，通过大气湍流模拟，能够在室内环境下检验系统能否在指定条件的室外复杂环境下正常工作，不仅可以作为各类带有远距离激光发射或接收功能的激光工程应用设备出厂前的检验仪器，更是为开发高端激光检测仪器提供强有力的保障，具有极其重要的意义。
美国科罗拉多大学的研究团队和加拿大学者Bissonnette分别提出了利用空气和水来模拟大气湍流。国内的华中科技大学、西安交通大学、长春理工大学以及成都光电所均采用上述方法或其改进方法进行湍流模拟。以空气或液体为介质所模拟出的湍流效果虽然与某些特定条件的外场实验结果较为接近，但其各项参数不能精确量化、受控，因此不利于科学、量化地研究并评价光在随机介质中的传播，而且基于上述原理研制的湍流模拟装置体积很难做得足够大，在米量级的小体积内很难获得低空间频率谱成分。另外，上述方法中大气参数模拟的重复性精度较低，且系统的散热对光学仪器有不利影响。
随机相位屏能够模拟大气湍流对光束相位的扰动，如变形镜、液晶空间光调制器则具有无热量产生，相位调制范围灵活，模拟参数重复性极好和编程实时控制等优越性能，用来模拟大气湍流较为理想，但调制范围比较有限。近年来，美国海军研究室提出采用多个相位调制器件级联的方案，以增大相位调制范围，武汉大学也实现了多级相位调制器的大气湍流模拟技术，但这类方法在漂移和闪烁效应方面的模拟幅度并不能达到要求。
目前，对大气环境进行模拟一般采用两种方式：一种是基于流动的相似性理论，其采用空气或者水来模拟大气环境，但是无法定量描述大气环境参数；另二种是采用空间光调制器模拟大气环境，其相位调制范围灵活、模拟参数重复性极好并可编程实时控制，但是光束闪烁、漂移等方面所模拟出的效果与真实环境差别较大。以上两种方式均存在较大缺点，无法灵活的对设备实际使用性能进行验证。因此急需研制一种新的大气环境模拟系统。
发明内容
本发明为了实现对激光远场传输过程中的大气湍流与振动的模拟，并能够检测有湍流和无湍流条件下的激光远场光斑，评价激光发射系统的多项性能，提供的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪。
一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，包括主机、控制台、待测系统、隔振光学平台、光纤发射器、信标发射器和光纤接收器；所述主机与所述待测系统放置在所述隔振光学平台上，所述主机与所述控制台通过数据传输线连接；所述主机包括光学窗口、湍流与振动模拟组件、远场光斑检测组件和光学组件；所述湍流与振动模拟组件包括控制器、变形镜驱动器、变形镜、第一快反镜驱动器、第二快反镜驱动器、第一快速反射镜和第二快速反射镜；所述光学组件包括主镜、次镜、捕获相机、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；
所述待测系统发出的激光光束经光学窗口后依次经主镜、次镜和第一反射镜反射，经第一反射镜反射的激光光束由捕获相机接收，经第一反射镜透射的激光光束经第二反射镜反射后依次经湍流与振动模拟组件中的第一快速反射镜、第二快速反射镜和变形镜反射，经变形镜反射的激光光束由第三反射镜反射至所述远场光斑检测组件进行检测；
经第三反射镜透射的激光光束与所述光纤发射器发射的光束和所述信标发射器发射的光束混合后通过传输至光纤接收器；
所述控制器根据控制台输入的大气模拟参数分别控制变形镜驱动器、第一快反镜驱动器和第二快反镜驱动器，实现对变形镜、第一快速反射镜和第二快速反射镜的相应控制，所述控制台实时采集远场光斑检测组件传输的远场光斑图像，并对采集的光斑图像进行检测。
本发明的有益效果：
本发明采用湍流与振动模拟组件、远场光斑检测组件和光学组件实现了对激光远场传输过程中的大气湍流与振动的模拟，并能够检测有湍流和无湍流条件下的激光远场光斑，评价激光发射系统的多项性能。
本发明所述的检测仪通过软件注入实测获取的大气参数，模拟过程更加真实可信，可用于激光工程应用中系统的设计、装调、检测和模拟实验，节约人力物力，为激光传输设备的研制提供技术支持，填补国内大气湍流模拟仪器的空白。
附图说明
图1为本发明所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪原理图；
图2为本发明所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪中主机的原理框图；
图3为本发明所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪中控制台的原理框图；
图4为本发明所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪中光学组件的原理框图；
图5为本发明所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪中湍流与振动模拟组件原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，包括主机11、控制台12、待测系统13、隔振光学平台14、数据传输线15、光纤发射器16、信标发射器17、光纤接收器18。其中，所述主机11与所述待测系统13放置在所述隔振光学平台14上，所述主机11与所述控制台12通过所述数据传输线15连接。
所述主机11包括光学窗口111、光纤发射接口112、信标发射接口113、光纤接收接口114、湍流与振动模拟组件115、远场光斑检测组件116、光学组件117。其中，所述光学窗口111对准所述待测系统13；所述光纤发射接口112与所述光纤发射器16连接，所述信标发射接口113与所述信标发射器17连接；所述光纤接收器18与所述光纤接收接口114连接。
本实施方式所述的待测系统13为激光器发射系统。
结合图3说明本实施方式，所述控制台12，包括运动控制组件121、图像采集组件122和主控计算机123。所述运动控制组件121输入的大气模拟参数是事先在外场根据实际环境对大气湍流进行测量而获得的，该参数是保存在所述运动控制组件121中，并根据实际工作进行使用。工作时，所述运动控制组件121将所需要的变形镜参数、第一反射镜参数、第二反射镜参数输入到所述湍流与振动模拟组件115中的所述控制器1151。所述图像采集组件122采用实时分析与事后比对相结合的方案。其中，实时分析方案实时采集所述远场光斑检测组件116传输来得远场光斑图像，并通过主控计算机123同步显示和存储相关信息；事后比对方案采用MATLAB软件编写的事后处理程序，实现对存储的图像进行事后判读，判读结果可与实时分析结果进行比对，检测实时分析结果的准确性。
结合图4说明本实施方式，所述光学组件117包括主镜1171、次镜1172、捕获相机1173、光纤衰减器1174、信标衰减器1175、第一反射镜1176、第二反射镜1177、第三反射镜1178、第四反射镜1179和第五反射镜11710。
所述待测系统13发出的激光通过光学窗口111后经过所述主镜1171反射到次镜1172；所述次镜1172反射的激光一部分经过所述第一反射镜1176到达所述捕获相机1173，另一部分经过所述第二反射镜1177到达所述湍流与振动模拟组件115进行大气湍流干扰模拟；经过所述湍流与振动模拟组件115的激光一部分经过所述第三反射镜1178反射到所述远场光斑检测组件116进行检测，另一部分透过所述第三反射镜1178并与所述光纤发射器16和所述信标发射器17混合进入所述光纤接收接口114并传输给光纤接收器18。
本实施方式中，所述的光纤发射器16发射的光经过所述光纤衰减器1174到达所述第五反射镜11710与经第三反射镜1178透射的激光结合；所述信标发射器17经过所述信标衰减器1175到达所述第四反射镜1179与经第三反射镜1178透射的激光结合；
所述信标发射器17的加入用于检测被检系统的跟踪精度和频率响应，所述光纤发射器16的加入用于对被测系统进行耦合效率测试。所述光纤衰减器1174和所述信标衰减器1175可以用于对激光功率的动态变化进行模拟，从而模拟光强起伏对系统性能的影响。整个光学系统实现了对激光的大气传输湍流与振动模拟和远场光斑检测。
本实施方式所述的捕获相机1173是一个短焦大视场相机，用于对准检测系统和被检系统。
本实施方式所述的远场光斑检测组件116是长焦大F数的光学系统，其焦距长达十五米，对成像质量要求较高，以便能够精确测量被检系统的光斑。所述远场光斑检测组件116接收经过所述光学组件117传输来的具有干扰的激光光斑，并将测量到的激光光斑的光强数据传输到所述控制台12中；所述控制台12通过所述图像采集组件122实现对激光光斑的分析。
结合图5说明本实施方式，所述湍流与振动模拟组件包括控制器1151、变形镜驱动器1152、变形镜1153、第一快反镜驱动器1154、第二快反镜驱动器1155、第一快速反射镜1156和第二快速反射镜1157。
所述控制器1151根据所述运动控制组件121输入的大气模拟参数控制所述变形镜驱动器1152、第一快反镜驱动器1154、第二快反镜驱动器1155；由变形镜驱动器1152控制变形镜1153，由第一快反镜驱动器1154实现对第一快速反射镜1156的相应控制，由第二快反镜驱动器1155实现对第二快速反射镜1157的相应控制。
所述的第一快速反射镜1156是一个高频短行程的快速反射镜，所述第二快速反射镜1157是一个低频长行程的快速反射镜,两个快速反射镜用于产生光束角度微小变化，从而模拟振动环境对于激光通信的影响；所述变形镜1153用于产生固定或随机的像差，可以模拟系统像差和湍流像差。通过对变形镜1153、第一快速反射镜1156、第二快速反射镜1157的控制，实现对入射的激光的光束闪烁、漂移等方面的模拟。
本实施中，高频短行程的快速反射镜指的是采用200Hz频率，0.1mrad行程的反射镜，低频长行程的快速反射镜指的是采用低频长行程是指1Hz频率26mrad行程的反射镜。
最后，还需要说明的是，在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施方式的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实施方式中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，包括主机(11)、控制台(12)、待测系统(13)、隔振光学平台(14)、光纤发射器(16)、信标发射器(17)和光纤接收器(18)；所述主机(11)与所述待测系统(13)放置在所述隔振光学平台(14)上，所述主机(11)与所述控制台(12)通过数据传输线(15)连接，其特征是；
所述主机(11)包括光学窗口(111)、湍流与振动模拟组件(115)、远场光斑检测组件(116)和光学组件(117)；
所述湍流与振动模拟组件(115)包括控制器(1151)、变形镜驱动器(1152)、变形镜(1153)、第一快反镜驱动器(1154)、第二快反镜驱动器(1155)、第一快速反射镜(1156)和第二快速反射镜(1157)；
所述光学组件(117)包括主镜(1171)、次镜(1172)、捕获相机(1173)、第一反射镜(1176)、第二反射镜(1177)和第三反射镜(1178)；
所述待测系统(13)发出的激光光束经光学窗口(111)后依次经主镜(1171)、次镜(1172)和第一反射镜(1176)反射，经第一反射镜(1176)反射的激光光束由捕获相机(1173)接收，经第一反射镜(1176)透射的激光光束经第二反射镜(1177)反射后依次经湍流与振动模拟组件(115)中的第一快速反射镜(1156)、第二快速反射镜(1157)和变形镜(1153)反射，经变形镜(1153)反射的激光光束由第三反射镜(1178)反射至所述远场光斑检测组件(116)进行检测；
经第三反射镜(1178)透射的激光光束与所述光纤发射器(16)发射的光束和所述信标发射器(17)发射的光束混合后通过传输至光纤接收器(18)；
所述控制器(1151)根据控制台(12)输入的大气模拟参数分别控制变形镜驱动器(1152)、第一快反镜驱动器(1154)和第二快反镜驱动器(1155)，实现对变形镜(1153)、第一快速反射镜(1156)和第二快速反射镜(1157)的相应控制，所述控制台(12)实时采集远场光斑检测组件(116)传输的远场光斑图像，并对采集的光斑图像进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，其特征在于，所述主机(11)还包括光纤发射接口(112)、信标发射接口(113)和光纤接收接口(114)；所述光纤发射接口(112)与所述光纤发射器(16)连接，所述信标发射接口(113)与所述信标发射器(17)连接；所述光纤接收接口(114)与光纤接收器(18)连接。
3.根据权利要求1所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，其特征在于，所述光学组件(117)还包括第四反射镜(1179)、第五反射镜(11710)、光纤衰减器(1174)和信标衰减器(1175)；所述光纤发射器(16)发射的光束经过光纤衰减器(1174)到达所述第五反射镜(11710)与经第三反射镜(1178)透射的激光光束结合；所述信标发射器(17)经过所述信标衰减器(1175)到达所述第四反射镜(1179)与经第三反射镜(1178)透射的激光光束结合。
4.根据权利要求1所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，其特征在于，所述控制台(12)包括运动控制组件(121)、图像采集组件(122)和主控计算机(123)；
所述运动控制组件(121)输入的大气模拟参数根据实际环境对大气湍流进行测量获得，该参数保存在所述运动控制组件(121)中，所述运动控制组件(121)将变形镜(1153)参数、第一快速反射镜(1156)参数、第二快速反射镜(1157)参数输入至控制器(1151)中；
所述图像采集组件(122)实时采集所述远场光斑检测组件(116)传输的远场光斑图像，通过主控计算机(123)分析并同步显示和存储；所述主控计算机(123)对存储的图像进行分析，并将分析结果与实时采集图像的分析结果进行比较，判定实时采集图像的准确性。
5.根据权利要求1所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，其特征在于，所述远场光斑检测组件(116)包括远场相机(1161)，所述远场相机(1161)为长焦距大F数的光学系统，其焦距为15m。
6.根据权利要求1所述的一种激光大气传输湍流模拟及远场光斑检测仪，其特征在于，所述第一快速反射镜(1156)为高频短行程的快速反射镜，所述第二快速反射镜(1157)为低频长行程的快速反射镜，所述变形镜(1153)用于产生固定或随机的像差，用于模拟系统像差和湍流像差。
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