CN109060317B - 激光光束远距离传输的特性参数试验系统及其工作过程 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统及其工作过程。以利用光电数字化技术、自动控制技术的优势来测试大气中的激光信号，以达到对激光在不同传输距离上性能参数的测试。本发明系统是以光学平台的台面为整个系统的基准面，确定光学系统的光轴平面高度，所述激光器及测试件安装在测试件装夹平台上；发射的光束通过标靶上的小孔入射到反射镜的中心位置，调整反射镜的角度，使光线偏转入射并依次经过若干反射镜反射，使光线形成一个光网平面；光线最终从光学平台同侧的相对位置处，入射在实心靶标中心形成光学系统。

Description

激光光束远距离传输的特性参数试验系统及其工作过程

技术领域

本发明涉及一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统及其工作过程。

背景技术

随着激光、红外、电视和微光等现代光学技术的迅速发展，光电技术在侦测、火控、导航、制导、指挥、控制等领域得到日益广泛的应用，使智能系统或现代武器如虎添翼。但随之而来的激光干扰也在光电系统中越来越突出，光电对抗日益受到人们的重视；激光干扰是指通过激光器发射出的强激光能量照射在光电传感器或光学系统，致使丧失工作的能力。在目标上的强激光束，会使目标构成材料的特性和状态发生变化，造成升温、膨胀、熔融、气化、击穿和破裂等不可逆转的破坏。由于激光对光电探测器件及人眼会造成损害或者致盲等特性，使得激光干扰及光电系统中的光电对抗效果评估技术难度加大,因此，对于激光在传输距离上的特性参数的测评价刻不容缓。

目前针对激光干扰的关键技术，主要有高能激光器技术、大孔径发射系统技术、精密跟踪瞄准技术及激光大气传输和补偿技术等。

高能激光器技术当激光连续照射同一方向时，其传输路径上的空气受热会产生热膨胀，可能导致激光束的偏斜并且降低其锁定的能力；

大孔径发射系统技术其极限分辨率受激光波长的限制，无法测量所波段的激光性能；

精密跟踪瞄准技术需要激光器与探测器抑制保持链接，一旦断开，这需要重新进行捕获、跟踪、瞄准等，很耗时间；

激光大气传输和补偿技术容易收到大气的干扰，大气的干扰会使激光产生波前畸变，且补偿之后的误差又无法达到理想的效果。

激光特性参数的研究，要求激光在较远距离上对目标物进行直射。除了有足够强的能量外，还需要较远的距离和相应长的时间。这就要求激光具有很高的跟踪瞄准精度和跟踪角加速度；既然干扰效果现在体现在被干扰对象的性能变化上，由于工作原理、组成结构、使用方式和使用目的不同，对不同干扰对象的干扰效果的评估指标和告饶效果等级划分存在根本差别，即有不同的评估标准。因此，在完全模拟实际环境的前提下，结合光、机、电、算四大系统，以激光光源为研究对象，我们将分别研究光功率、光谱和光斑等三类光电设备干扰的评估效果及准则。

发明内容

有鉴于此，提供一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统及其工作过程。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：包括两个水平相平行设置的光学平台，每个光学平台上分别设置有一排平面反射镜组成的平面反射镜组，每个平面反射镜表面镀有宽带反射膜，两个光学平台上的平面反射镜位置相错，其中一个光学平台的平面反射镜组的两侧分别设置有实心标靶和透射标靶；

设置实心标靶和透射标靶的光学平台上的平面反射镜组的上方设置有导轨，导轨的一端设置有可沿导轨滑动的平移台，平移台上设置有旋转台，旋转台上设置有探测器阵列，探测器阵列的每个探测器的后端连接有相对应的分析仪器；所述的平移台通过控制柜控制，透射标靶相对装夹台设置，装夹台上设置有激光器组；

所述的探测器阵列由光谱分析探头、光斑分析探头、光功率计探头和脉宽测量探头组成，且它们各自之间的夹角为90°；

所述的平面反射镜的口径为50mm～100mm，厚度为3mm～10mm，面形精度RMS值小于等于λ/4。

所述的光谱分析探头的波长范围350—700nm，光谱响应半高宽<0.5nm，积分时间在10us-60s，其后与光谱分析模块相连；

所述的光斑分析探头的光谱范围覆盖190—1310nm，图像分辨率为1392×1040，其后与光斑数据处理模块相连；

所述的光功率计探头的孔径为12mm；波长范围350—1100nm；测量功率范围为1uw—500mw，分辨率为1nw，其后与功率数据处理模块；

所述的脉宽测量探头的半径R＝5mm；波长范围：200nm-1150nm；可探测范围为50nJ～8mJ，输出幅度为0.7V～1.4V之间，其后与脉冲数据处理模块相连。

所述的旋转台可旋转的角度为360°。

相邻两个平面反射镜之间的距离为500mm。

所述的平移台通过拖链在导轨上平移。

所述的探测器的前端设置有聚透镜。

所述的透射标靶的透射波长与激光器的光波波长相匹配。

一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统的工作过程，其特征在于：所述的工作步骤为：

步骤一：将激光光源安装在装夹平台，并将激光出射高度、透射标靶中心、接收光线的反射镜中心调整到同一高度；

步骤二：由激光光源发射的光束通过开始端处的透射标靶，进入反射镜组；根据实际的空间分布，调整反射镜的角度，使光线依次经过每个平面反射镜反射，其光线终止于光路末端的实心标靶中心处；

步骤三：通过计算机控制界面，设定平移台、旋转台的移动、旋转参数，使平移台沿着导轨方向运动；

步骤四：针对不同的测量参数，控制卡控制运动平台改变位置，使相应的测量探头处于相应的测量位置，调整会聚镜，使光能量全部进入探测器中；在相应的位置，测量相应的参数；

步骤五：将进入探测器的光信号转换为可直接测量的标准电信号，并由终端进行数据分析。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明利用平面镜，将激光发射的光束按照光学路径不断反射，形成一个光网平面，由多条反射路径，可以得到几十米甚至高达上百米的距离，形成不同光程的测试点，极大的增加了测量的可靠性；

(2)本发明的高精度旋转台，可以任意正向反向旋转且空回极小，特殊的结构设计保证了旋转台面极低的短调和偏心，运动跟家平稳，且周围有感应装置，可实现光电探测器的自动对准。

(3)本发明采用精密探测模块及机械调整机构，各结构相互配合，使测试结果精度高、可靠性高；

(4)本发明结合光电系统，使测试测试过程数字化，便于测试数据传输、处理、存储和输出；

(5)本发明使用计算机软件技术使测试过程可视化、测试判据客观化、减少主观影响、降低对测试人员经验的依赖，增强可操作性。

附图说明

图1为本试验系统总体布局图；

图2为测试光学系统示意图；

图3为测试系统硬件系统示意图；

图4为测试点选择界面；

图5测试任务参数配置界面；

图6为测试方案选择界面；

图7为测试结果显示图；

图8为光斑形状曲线图。

图1中：1、光学平台，2、反射镜面，3、平移台，4、探头，5、衰减器，6、旋转台，7-1、实心标靶，7-2、透射标靶，8、拖链，9、导轨，10、控制柜，11、线槽，12、光源组件及夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统(参见图1)，包括两个水平相平行设置的光学平台1，所述的两个光学平台1之间的距离依据实际检测要求的距离而定。每个光学平台1上分别设置有一排平面反射镜2组成的平面反射镜组，两个光学平台上的平面反射镜位置相错，同一组相邻两个平面镜之间间距依据实际试验系统确定，光线在反射镜上的入射角根据测试系统的安装空间决定。

平面反射镜2的口径为100mm，厚度为10mm，可依据实际情况改变，面形精度RMS值小于等于λ/4，以防止因表面缺陷，造成不必要的散射光，致使激光在传输的过程中能量损失过大；所述的平面反射镜2表面镀有宽带反射膜，用于实现可见光和近红外波段光的有效反射，避免了因透射对测试结果造成误差；平面反射镜可以实现可见光和近红外波段光的有效反射；相邻两个平面反射镜之间的距离为500mm，光线在反射镜上的入射角根据实际测试系统的安装空间决定，并不唯一。

一个光学平台1的平面反射镜组的两侧分别设置有实心标靶7-1和透射标靶7-2；

设置实心标靶和透射标靶的光学平台1上的平面反射镜组的上方设置有导轨9，导轨9的一端设置有可沿导轨9滑动的平移台3，平移台3通过控制柜10控制通过拖链8实现平移台3的移动，连接线路通过线槽11连接，平移台3上设置有旋转台6，旋转台可旋转的角度为360°。

旋转台6上设置有探测器组4，探测器组4的每个探测器后端连接有相对应的分析仪器5，探测器组通过电机驱动实现平动和旋转运动，实现对激光在不同传播距离上性能参数的测试，电动旋转台、电动平移台控制端通过电路端口与计算机相互连接。所述的透射标靶相对装夹台12设置，装夹台12上设置有激光器组；上述透射标靶的透射波长与激光器组的激光器的光波波长相匹配。

激光器的束腰半径为1mm，波长在170nm～1400nm之间，可根据研究要求选定合适参数的激光器，反射镜反射的激光光束与光学平台基准面平行。

所述的探测器阵列4由光谱分析探头、光斑分析探头、光功率计探头和脉宽测量探头，且它们各自之间的夹角为90°；

所述的光谱分析探头的波长范围350—700nm，光谱响应半高宽<0.5nm，积分时间在10us-60s，其后与光谱分析模块相连；其参数不唯一。光谱分析探头的信号直接接入到光谱仪，光谱仪输出激光器的光谱参数。

所述的光斑分析探头得光谱范围覆盖190—1310nm，图像分辨率为1392×1040，其后与光斑数据处理模块相连；其后与光斑数据处理模块相连；其参数不唯一，可测脉冲和连续激光器的光斑轮廓。光谱分析探头的信号直接接入到光谱分析仪，光谱仪输出激光器的光谱参数。

所述的光功率计探头的孔径为12mm；波长范围350—1100nm；测量功率范围为1uw—500mw，分辨率为1nw，其后与功率数据处理模块。光功率计探头获得的信号直接进入光功率计，光功率计输出数据中可获得脉冲宽度。

所述的脉宽测量探头的半径R＝5mm；波长范围：200nm-1150nm；可探测范围为50nJ～8mJ，输出幅度为0.7V～1.4V之间，其后与脉冲数据处理模块相连。

所述的探测器的前端设置有聚透镜，确保光能量全部进入探测器。

本发明的探头、反射光线、标靶中心必须在同一水平面上。

本发明透射标靶的透射波长与激光器的光波长相匹配；且两个标靶分别位于光路的开始端和末端。

本发明光源的波长要与探测器的探测范围相匹配。

本发明激光器发射的光束通过透射标靶上的小孔入射到反射镜的中心位置，调整反射镜的角度，使光线偏转入射并依次经过若干反射镜反射，使光线形成一个光网平面(参见图2)；光线最终从光学平台同侧的相对位置处，入射在实心靶标中心形成光学系统。

本发明系统是以光学平台的台面为整个系统的基准面，确定光学系统的光轴平面高度。且两个光学平台之间相隔一定的距离；装夹台12将激光器组件固定，激光器发射的光束通过开始端的透射靶标，在传播路径上依次经过图3平面反射镜2中的M1、M2、M3......的反射，形成了一个光网平面，最终入射在光路末端的实心标靶，本发明可通过增加反射镜或改变光学平台的距离，改变距离。

本发明在校准的过程中，应提前测试三个探测器的响应特性，且确保激光器在稳定的状态下工作。

该本发明的具体工作过程包括以下步骤：

步骤一：将激光光源安装在装夹平台，并将激光出射高度、透射标靶中心、接收光线的反射镜中心调整到同一高度。

步骤二：由激光光源发射的光束通过开始端处的透射标靶，进入反射镜组；根据实际的空间分布，调整反射镜的角度，使光线依次经过每个平面反射镜反射，其光线终止于光路末端的实心标靶中心处；注意光线要与基准面平行。

步骤三：通过计算机控制控制柜的控制界面，设定平移台、旋转台的移动、旋转参数，使平移台沿着导轨方向运动。

步骤四：针对不同的测量参数，控制卡(PC端的控制软件)控制运动平台改变位置，使相应的测量探头处于相应的测量位置，调整会聚镜，使光能量全部进入探测器中；在相应的位置，测量相应的参数；如在距离L1处测量光谱，转动旋转台，让光谱探头接收光能量，光斑、光功率亦是如此；重复上述过程，直至完成光程R、测量探头和入射角的改变。

步骤五：将进入探测器的光信号转换为可直接测量的标准电信号，并由终端进行数据分析。

实施例：

以波长为632.8nm，功率为2mW的激光器入射光源，利用该激光对光谱光斑进行实际测量：

(1)调整光学平台的台面，保证光学平台表面达到要求的精度，在两侧光学平台上安装反射镜，注意反射镜的高度保持一致，并在反射镜中心放置十字丝。

(2)安装光学平移导轨，在平移台上安装电动旋转台，在安装过程中，要保证台面在平移和旋转过程中水平。启动电动平移台，使电动平移台开始运动，在整个行程上取6个点，如果在这6个点处十字丝的偏移量与位移呈线性关系，则直线导轨已经调整完成。

(3)在光学平台1上安装激光器，对激光器的俯仰和高度进行调解，使光学平移台位于开始端和结束端两个位置处。

(4)安转传感器探头阵列箱和信号处理模块箱，调整传感探头的高度，使激光器光束能够通过每个传感探头前的光阑中心。

(5)按照设计位置安装平面反射镜安装座及平面反射镜。

(6)搭建光路时，在测试件装夹平台上固定激光器，调整激光器的高度，使激光器出口光束位于设计的光学平面上，并照射到光学平台2上的1#反射镜，调整激光器的俯仰，使激光束在1#反射镜上位于设计的高度上和位置上。调整1#反射镜的俯仰和摆角，使激光束位于反射镜2上设计的高度和位置上，移动光学平台，使光束在到达反射镜2之前进入探测器，沿导轨方向微调平移台的位置和旋转台的角度，使光束位于光阑竖直直径方向，微调反射镜1的俯仰，使光束通过光阑中心进入传感探头，且垂直入射，记录平移台的位置和旋转台的角度，并测量光路距离，依次类推，完成2#-9#反射镜的调整和传感探头的位置记录。选择6个点，并利用软件记录下6个点的位置，如图4.进入测试任务参数配置界面，如图5。

同时还可以选择本次的测试项目，如光斑测试、光谱测试、光强测试是否在对应位置启动，如图6所示。

选择位置1的光斑测试、光谱测试和光强测试，方案设计完成，保存测试方案，点击“启动测试”，软件控制硬件进行运动及测试，测试完成后出现是否保存本次数据提示对话框，点击保存对本次结果进行保存，保存完成后的界面如图7所示，从显示结果中可以看到激光光斑最大值、激光光斑最小值、光斑中心坐标、光功率之、光波波长及激光脉冲频率。

点击“曲线”菜单中的光斑形状曲线，效果如图8所示

本发明利用光学系统及自动控制系统相结合，并加入了光电转换器件(探测器)，实现光信号——模拟电信号——数字化的转换过程，使结果更加可视化。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：包括两个水平相平行设置的光学平台(1)，每个光学平台(1)上分别设置有一排平面反射镜(2)组成的平面反射镜组，每个平面反射镜(2)表面镀有宽带反射膜，两个光学平台上的平面反射镜位置相错，其中一个光学平台(1)的平面反射镜组的两侧分别设置有实心标靶和透射标靶；

设置实心标靶和透射标靶的光学平台(1)上的平面反射镜组的上方设置有导轨(9)，导轨(9)的一端设置有可沿导轨(9)滑动的平移台(3)，平移台(3)上设置有旋转台(6)，旋转台(6)上设置有探测器阵列(4)，探测器阵列(4)的每个探测器的后端连接有相对应的分析仪器(5)；所述的平移台(3)通过控制柜(10)控制，透射标靶相对装夹台(12)设置，装夹台(12)上设置有激光器组；

所述的探测器阵列(4)由光谱分析探头、光斑分析探头、光功率计探头和脉宽测量探头组成，且相邻两个探头之间的夹角为90°。

2.根据权利要求1所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：所述的平面反射镜(2)的口径为50mm～100mm，厚度为3mm～10mm，面形精度RMS值小于等于λ/4。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：所述的光谱分析探头的波长范围350—700nm，光谱响应半高宽<0.5nm，积分时间在10us-60s，其后与光谱分析模块相连；

所述的光斑分析探头的光谱范围覆盖190—1310nm，图像分辨率为1392×1040，其后与光斑数据处理模块相连；

所述的光功率计探头的孔径为12mm；波长范围350—1100nm；测量功率范围为1uw—500mw，分辨率为1nw，其后与功率数据处理模块；

所述的脉宽测量探头的半径R＝5mm；波长范围：200nm-1150nm；可探测范围为50nJ～8mJ，输出幅度为0.7V～1.4V之间，其后与脉冲数据处理模块相连。

4.根据权利要求3所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：所述的旋转台可旋转的角度为360°。

5.根据权利要求4所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：相邻两个平面反射镜之间的距离为500mm。

6.根据权利要求5所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：所述的平移台(3)通过拖链(8)在导轨(9)上平移。

7.根据权利要求6所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：所述的探测器的前端设置有聚透镜。

8.根据权利要求7所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统，其特征在于：所述的透射标靶的透射波长与激光器的光波波长相匹配。

9.根据权利要求1所述的一种激光光束远距离传输的特性参数试验系统的工作过程，其特征在于：所述的工作步骤为：

步骤一：将激光光源安装在装夹平台，并将激光出射高度、透射标靶中心、接收光线的反射镜中心调整到同一高度；

步骤二：由激光光源发射的光束通过开始端处的透射标靶，进入反射镜组；根据实际的空间分布，调整反射镜的角度，使光线依次经过每个平面反射镜反射，其光线终止于光路末端的实心标靶中心处；

步骤三：通过计算机控制界面，设定平移台、旋转台的移动、旋转参数，使平移台沿着导轨方向运动；

步骤四：针对不同的测量参数，控制卡控制运动平台改变位置，使相应的测量探头处于相应的测量位置，调整会聚镜，使光能量全部进入探测器中；在相应的位置，测量相应的参数；

步骤五：将进入探测器的光信号转换为可直接测量的标准电信号，并由终端进行数据分析。

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