CN110500919A - 一种快速高精度调焦的激光防御系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速高精度调焦的激光防御系统及方法，包括：主镜、倾斜调焦次镜、分束镜、哈特曼传感器、主激光发射系统、照明系统和控制器。倾斜调焦次镜为光学系统的一部分，与主镜组成光学接收和发射系统，由哈特曼传感器给出倾斜和离焦误差通过计算得到校正量实时对接收光信号进行倾斜和离焦校正；哈特曼传感器用于探测波前倾斜和离焦，测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环。本发明中调焦系统相比传统调焦系统更加快速、对焦精度更高，实现更加快速和更高能量密度的激光主动防御；将倾斜镜和调焦次镜结合，节省了必要功能器件，使光学系统更加紧凑。

Description

一种快速高精度调焦的激光防御系统及方法

技术领域

本发明涉及光学仪器中光束控制技术领域，具体涉及一种快速高精度调焦的激光防御系统及方法。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操控的不载人飞机。20世纪90年代，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，纷纷采用各种新技术大力发展无人机。如今，无人机己经具有侦查、投弹、干扰等多种功能。随着军用和民用无人机的不断涌现，出于国民安全和国土安全需求，反无人机意识得以不断提升，各国早己开展这方面的研究工作。但采用传统手段抗击无人机，不仅成功率低，而且还有可能对地面和人群造成附带损伤，而激光防御是比较有效的手段之一。

在激光防御系统中，主激光破坏能力与目标处光斑能量密度成正相关，在同等光功率作用条件下，光斑直径越小，激光破坏能力越强。而主激光发射系统聚焦的准确性是影响光斑大小的主要因素。目前激光防御系统采用的对焦机构通常为采用步进电机调节次镜位置实现调焦。而步进电机对焦速度慢，可能导致目标逃逸；其次，步进电机对精度低，将导致光斑不能较好的会聚在目标上，光功率密度低破坏能力弱。所以，在激光防御系统中亟需一种新型的快速且高精度的对焦机构。

专利“一种近程激光防御系统”(201721280043.5)、“无人机载激光武器反无人机系统”(201811097389.0)、“激光防御系统和高空飞艇”(201710296422.1)都采用了激光防御，但均未提到调焦方法。专利“一种基于音圈电机控制的镜头调焦机构”(201822083742.1)利用音圈电机的快速响应特性，该发明应用于透射式镜头，单个音圈电机只能使镜片整体平移，而本发明采用四个音圈电机实现了快速调焦和倾斜校正。专利“一种显微镜快速调焦载物台装置”(201310693465.5)利用三个压电陶瓷实现离焦和倾斜调节，但调节对象为被成像物，而本发明的调节对象为次镜。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种快速高精度调焦的激光防御系统及方法，利用传统倾斜镜执行机构的快速伸缩和高精度定位等特性，将其应用在调焦次镜上，使得本发明调焦相比传统调焦系统更加快速、对焦精度更高，实现更加快速和更高能量密度更强破坏能力的激光主动防御；将倾斜镜和调焦次镜结合，节省了必要功能器件，使光学系统更加紧凑。

第一方面，本发明实施例提供了一种快速高精度调焦的激光防御系统，所述系统包括：主镜、倾斜调焦次镜、分束镜、哈特曼传感器、主激光发射系统、照明系统和控制器；接收光依次经过主镜反射、倾斜调焦次镜反射、分束镜反射至哈特曼传感器；发射激光依次经过分束镜透射、倾斜调焦次镜反射、主镜反射发射出系统；

所述照明系统，发射激光照明搜索区域为哈特曼传感器提供光信号；

所述主镜为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

所述倾斜调焦次镜为光学系统的一部分，与所述主镜组成光学接收和发射系统，为快速高精度调焦的主要器件，另外还具有倾斜校正的功能，可代替传统光学器件中的调焦次镜和倾斜镜。所述倾斜调焦次镜由四轴驱动器和镜面组成，四轴驱动器为压电陶瓷或音圈电机等快速响应驱动器，四轴驱动器长度分别为L1、L2、L3、L4，分解为以下表达式：

L1＝L-ΔL_X；L2＝L-ΔL_Y；L3＝L+ΔL_X；L4＝L+ΔL_Y；

由于压电陶瓷和音圈电机快速响应和定位精度高等特性，可快速改变L，L为四轴驱动器的平均长度，在空间上改变主镜和倾斜调焦次镜的距离实现快速调焦。另外倾斜调焦次镜还具有快速校正倾斜误差的功能，公式中ΔL_X和ΔL_Y分别体现了X方向和Y方向倾斜调节量；

由所述哈特曼传感器，给出倾斜和离焦误差通过计算得到校正量实时对接收光信号进行倾斜和离焦校正；

所述哈特曼传感器，用于探测波前倾斜和离焦，测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环，经闭环校正后哈特曼接收波前趋近于平面波；

所述主激光发射系统，输出高功率激光作为目标打击的主要手段，波段与照明激光不同。工作之前需要将发射波面初始状态校准成平面波或哈特曼标定波面，在经过闭环校正后发射激光将聚焦于目标点；

所述分束镜，用于将主激光发射波段与照明波段区分开，使哈特曼传感器不受到主激光发射光的干扰；

所述控制器，用于接收哈特曼探测器信号，计算波前倾斜和离焦，控制倾斜调焦次镜进行校正，控制照明和主激光发射系统。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，系统还包含粗跟踪系统，用于大视场扫描和低精度跟踪，所述粗跟踪系统包括粗跟踪传感器和粗跟踪执行器；所述粗跟踪传感器用于对1-5°视场内目标的搜索和位置反馈；所述粗跟踪执行器通过粗跟踪传感器信号进行控制对目标进行粗跟踪，所述低精度是指跟踪精度优于哈特曼视场1/3，使目标进入哈特曼视场。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述倾斜调焦次镜还能够加入大行程调节机构，如电动平移台等,用于实现大范围调焦,调焦行程可达5-100mm。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述照明系统与主激光发射系统为不同波段，哈特曼只对照明系统波段进行响应。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其特征在于：所述主激光发射系统能够手动调节光束发散状态和发射角，用于主激光发射初始状态的校准。

第二方面，本发明实施例提供了一种快速高精度调焦的激光防御方法，其实现过程如下：

(1)首先进行系统校准，保证哈特曼接收标定目标点处无波前像差，此时主激光发射点聚焦于标定目标点处；

(2)校准后工作状态下通过照明系统发射照明激光，照明激光与主发射激光为不同波段；

(3)目标回波经接收光学系统接收后由哈特曼传感器测出波前像差；

(4)泽尼克系数的第一、二、三阶分别为波前像差的X方向倾斜、Y方向倾斜和离焦，其中X方向倾斜像差和Y方向倾斜像差可用于控制倾斜调焦次镜偏转，离焦像差可用于控制倾斜调焦次镜前后位移；

(5)倾斜调焦次镜由四轴驱动器和镜面组成，四轴驱动器为压电陶瓷或音圈电机等快速响应驱动器，四个驱动器按圆周均匀排布，分别为第一次镜驱动器、第二次镜驱动器、、第四次镜驱动器；

(6)四轴同时伸长或缩短时可改变次镜前后位置；第一次镜驱动器伸长(缩短)、第三次镜驱动器缩短(伸长)可改变一个方向上的倾斜量；同理第发二次镜驱动器伸长(缩短)、第四次镜驱动器缩短(伸长)可改变另一个方向上的倾斜量；

(7)控制器分别控制倾斜镜和调焦次镜对倾斜和离焦像差进行校正，经校正后哈特曼传感器接收波前与标定波前相同；

(8)由于接收和发射共光路，经校正后目标点与激光发射点共轭，此时目标处功率密度最高，再反馈控制调焦系统对焦实现目标跟踪和打击。

本发明优点：本发明实施例提供的快速调焦的激光防御系统，本发明利用了传统倾斜镜执行机构的快速伸缩能力，将其应用在调焦次镜上，使得本发明调焦相比传统调焦系统更加快速、对焦精度更高，实现更加快速和更高能量密度更强破坏能力的激光主动防御，节省了必要功能器件，使光学系统更加紧凑。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种快速调焦的激光防御系统的第一种原理示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种快速调焦的激光防御系统中快速调焦次镜的第一种原理示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种快速调焦的激光防御系统中快速调焦次镜的第二种原理示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种快速调焦的激光防御系统的第二种原理示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种快速调焦的激光防御系统的第二种主镜次镜位置示意图；

图6示出了本发明实施例还提供了另一种主镜和次镜的空间排布方式。

主要元件符号说明：

1、主镜；2、倾斜调焦次镜；3、分束镜；4、哈特曼传感器；5、主激光发射系统；6、照明系统；7、控制器；8、粗跟踪传感器；9、跟踪机架；21、次镜镜面；22、次镜驱动器；23、次镜固定机械件；24、次镜连接件；25、电动平移机构；221、第一次镜驱动器；222、第二次镜驱动器；223、第三次镜驱动器；224、第四次镜驱动器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前激光防御系统采用的对焦机构通常为采用步进电机调节次镜位置实现调焦。而步进电机对焦速度慢，可能导致目标逃逸；其次，步进电机对精度低，将导致光斑不能较好的会聚在目标上，光功率密度低破坏能力弱。利用传统倾斜镜执行机构的快速伸缩能力，将其应用在调焦次镜上，使得本发明调焦相比传统调焦系统更加快速、对焦精度更高，实现更加快速和更高能量密度更强破坏能力的激光主动防御；将倾斜镜和调焦次镜结合，节省了必要功能器件，使光学系统更加紧凑。

如图1所示，本发明实施例提供的一种快速调焦的激光防御系统，采用主镜1、倾斜调焦次镜2、分束镜3、哈特曼传感器4、主激光发射系统5、照明系统6和控制器7。接收光依次经过主镜1反射、倾斜调焦次镜2反射、分束镜3反射至哈特曼传感器4；发射激光依次经过分束镜3透射、倾斜调焦次镜2反射、主镜1反射发射出系统；其中：

所述照明系统，发射激光照明搜索区域为哈特曼传感器提供光信号；

所述主镜为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

所述倾斜调焦次镜为光学系统的一部分，与所述主镜组成光学接收和发射系统，为快速高精度调焦的主要器件，另外还具有倾斜校正的功能，可代替传统光学器件中的调焦次镜和倾斜镜。所述倾斜调焦次镜由四轴驱动器和镜面组成，四轴驱动器为压电陶瓷或音圈电机等快速响应驱动器，四轴驱动器长度分别为L1、L2、L3、L4，分解为以下表达式：

L1＝L-ΔL_X；L2＝L-ΔL_Y；L3＝L+ΔL_X；L4＝L+ΔL_Y；

由于压电陶瓷和音圈电机快速响应和定位精度高等特性，可快速改变L，在空间上改变主镜和倾斜调焦次镜的距离实现快速调焦。另外倾斜调焦次镜还具有快速校正倾斜误差的功能，公式中ΔL_X和ΔL_Y分别体现了X方向和Y方向倾斜调节量；

由所述哈特曼传感器，给出倾斜和离焦误差通过计算得到校正量实时对接收光信号进行倾斜和离焦校正；

所述哈特曼传感器，用于探测波前倾斜和离焦，测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环，经闭环校正后哈特曼接收波前趋近于平面波；

所述主激光发射系统，输出高功率激光作为目标打击的主要手段，波段与照明激光不同。工作之前需要将发射波面初始状态校准成平面波或哈特曼标定波面，在经过闭环校正后发射激光将聚焦于目标点；

所述分束镜，用于将主激光发射波段与照明波段区分开，使哈特曼传感器不受到主激光发射光的干扰；

所述控制器，用于接收哈特曼探测器信号，计算波前倾斜和离焦，控制倾斜调焦次镜进行校正，控制照明和主激光发射系统。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述照明系统与主激光发射系统为不同波段，哈特曼只对照明系统波段进行响应。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其特征在于：所述主激光发射系统能够手动调节光束发散状态和发射角，用于主激光发射初始状态的校准。

如图2所示，本发明的一种快速调焦的激光防御方法工作流程如下：

(1)首先进行系统校准，保证哈特曼接收标定目标点处无波前像差，此时主激光发射点聚焦于标定目标点处；

(2)校准后工作状态下通过照明系统发射照明激光，照明激光与主发射激光为不同波段；

(3)目标回波经接收光学系统接收后由哈特曼传感器测出波前像差；

(4)泽尼克系数的第一、二、三阶分别为波前像差的X方向倾斜、Y方向倾斜和离焦，其中X方向倾斜像差和Y方向倾斜像差可用于控制倾斜调焦次镜偏转，离焦像差可用于控制倾斜调焦次镜前后位移。

(5)控制器分别控制倾斜镜和调焦次镜对倾斜和离焦像差进行校正，经校正后哈特曼传感器接收波前与标定波前相同。

(6)由于接收和发射共光路，经校正后目标点与激光发射点共轭，此时目标处功率密度最高，再反馈控制调焦系统对焦实现目标跟踪和打击。

系统中，倾斜调焦次镜2由四轴驱动器和镜面组成，四轴驱动器为压电陶瓷或音圈电机等快速响应驱动器，参见图3。驱动器可以为压电陶瓷、音圈电机等。四个驱动器按圆周均匀排布，分别为第一次镜驱动器221、第二次镜驱动器222、第四次镜驱动器223。四轴驱动器224，长度分别为L1、L2、L3、L4，可分解为以下表达式：

L1＝L-ΔL_X；L1＝L-ΔL_Y；L3＝L+ΔL_X；L1＝L+ΔL_Y。

其中，L可用于调焦，四轴同时伸长或缩短时可改变次镜前后位置；ΔL_X和ΔL_Y可分别调节X方向和Y方向倾斜，第一次镜驱动器伸长(缩短)、第三次镜驱动器缩短(伸长)可改变一个方向上的倾斜量；同理第发二次镜驱动器伸长(缩短)、第四次镜驱动器缩短(伸长)可改变另一个方向上的倾斜量。

考虑到大范围调焦的需求，本实施例还提供了另一种倾斜调焦次镜结构，如图4。倾斜调焦次镜结构包含：次镜镜面21、次镜驱动器22、次镜固定机械件23、次镜连接件24、电动平移机构25。

在上述倾斜调焦次镜结构中加入大行程移动机构，如电动平移台、滚珠丝杠等调节机构，满足大行程调焦，调焦行程可达5-100mm。

调焦可通过电动平移机构25，带动次镜连接件24在范围前后平移，最大平移量达5-100mm。同时次镜驱动器22对波前离焦进行快速响应，实现对离焦量进行快速高频校正。

考虑到大视场的扫描和跟踪，本发明实施例还包括粗跟踪系统，可参见图5。系统中的粗跟踪功能具体可以通过粗跟踪传感器9和跟踪机架10实现。

粗跟踪传感器8由成像透镜与光电探测器组成，可通过光电探测器光斑位置得到目标的位置信息，视场可设计为1-5°。

跟踪机架9主要用作系统的承载平台，可进行水平和俯仰旋转。

在无可疑目标时跟踪机架9以一定扫描路径对特定区域进行扫描；发现目标时，跟踪机架9通过粗跟踪传感器8回传信号进行闭环跟踪，使目标进入哈特曼4视场。

目标进行哈特曼视场后系统工作流程同实图2所示流程。

另外，本发明实施例还提供了另一种主镜和次镜的空间排布方式，可参见图6。主镜1和调焦次镜2光轴重合。此排布方式相比于图1和图5，优点是调焦范围更大、瞳面平移更小。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种快速高精度调焦的激光防御系统，其特征在于，包括：主镜、倾斜调焦次镜、分束镜、哈特曼传感器、主激光发射系统、照明系统和控制器；接收光依次经过主镜反射、倾斜调焦次镜反射、分束镜反射至哈特曼传感器；发射激光依次经过分束镜透射、倾斜调焦次镜反射、主镜反射发射出系统；

所述照明系统，发射激光照明搜索区域为哈特曼传感器提供光信号；

所述主镜为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

所述倾斜调焦次镜为光学系统的一部分，与所述主镜组成光学接收和发射系统，为快速高精度调焦的主要器件，另外还具有倾斜校正的功能，可代替传统光学器件中的调焦次镜和倾斜镜；所述倾斜调焦次镜由四轴驱动器和镜面组成，四轴驱动器为包括压电陶瓷或音圈电机的快速响应驱动器，四轴驱动器长度分别为L1、L2、L3、L4，分解为以下表达式：

L1＝L-ΔL_X；L2＝L-ΔL_Y；L3＝L+ΔL_X；L4＝L+ΔL_Y；

L为四轴驱动器的平均长度，改变L在空间上改变主镜和倾斜调焦次镜的距离实现快速调焦；另外倾斜调焦次镜还具有快速校正倾斜误差的功能，公式中ΔL_X和ΔL_Y分别表示X方向和Y方向倾斜调节量；

由所述哈特曼传感器，给出倾斜和离焦误差通过计算得到校正量实时对接收光信号进行倾斜和离焦校正；

所述哈特曼传感器，用于探测波前倾斜和离焦，测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环，经闭环校正后哈特曼接收波前趋近于平面波；

所述主激光发射系统，输出1-10kW高功率单波长激光作为目标打击的主要手段，主激光发射波段与照明激光不同；工作之前需要将发射波面初始状态校准成平面波或哈特曼标定波面，在经过闭环校正后发射激光将聚焦于目标点；

所述分束镜，用于将主激光发射波段与照明波段区分开，使哈特曼传感器不受到主激光发射光的干扰；

所述控制器，用于接收哈特曼探测器信号，计算波前倾斜和离焦，控制倾斜调焦次镜进行校正，控制照明和主激光发射系统。

2.根据权利要求1所述的快速高精度调焦的激光防御系统，其特征在于：还包含粗跟踪系统，用于大视场扫描和低精度跟踪，所述粗跟踪系统包括粗跟踪传感器和粗跟踪执行器；所述粗跟踪传感器用于对1-5°大视场内目标的搜索和位置反馈；所述粗跟踪执行器通过粗跟踪传感器信号进行控制对目标进行粗跟踪；所述低精度是指跟踪精度优于哈特曼视场1/3，使目标进入哈特曼视场。

3.根据权利要求1所述的快速高精度调焦的激光防御系统，其特征在于：所述倾斜调焦次镜还加入包括电动平移台的大行程调节机构，用于实现大范围调焦,所述大范围调焦指调焦行程达5-100mm；所述大行程为5-100mm。

4.根据权利要求1所述的快速高精度调焦的激光防御系统，其特征在于：所述照明系统与主激光发射系统为不同波段，哈特曼只对照明系统波段进行响应。

5.根据权利要求1所述的快速高精度调焦的激光防御系统，其特征在于：所述主激光发射系统能够手动调节光束发散状态和发射角，用于主激光发射初始状态的校准。

6.一种快速高精度调焦的激光防御方法，其特征在于，实现过程如下：

(1)首先进行系统校准，保证哈特曼接收标定目标点处无波前像差，此时主激光发射点聚焦于标定目标点处；

(2)校准后工作状态下通过照明系统发射照明激光，照明激光与主发射激光为不同波段；

(3)目标回波经接收光学系统接收后由哈特曼传感器测出波前像差；

(4)泽尼克系数的第一、二、三阶分别为波前像差的X方向倾斜、Y方向倾斜和离焦，其中X方向倾斜像差和Y方向倾斜像差可用于控制倾斜调焦次镜偏转，离焦像差可用于控制倾斜调焦次镜前后位移；

(5)倾斜调焦次镜由四轴驱动器和镜面组成，四轴驱动器为压电陶瓷或音圈电机等快速响应驱动器，四个驱动器按圆周均匀排布，分别为第一次镜驱动器、第二次镜驱动器、第四次镜驱动器；

(6)四轴同时伸长或缩短时，改变次镜前后位置；第一次镜驱动器伸长或缩短、第三次镜驱动器缩短或伸长时，改变一个方向上的倾斜量；同理第二次镜驱动器伸长或缩短、第四次镜驱动器缩短或伸长时，改变另一个方向上的倾斜量；

(7)控制器分别控制倾斜镜和调焦次镜对倾斜和离焦像差进行校正，经校正后哈特曼传感器接收波前与标定波前相同；

(8)由于接收和发射共光路，经校正后目标点与激光发射点共轭，此时目标处功率密度最高，再反馈控制调焦系统对焦实现目标跟踪和打击。