CN110703231B - 一种动态偏振激光回波信号模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态偏振激光回波信号模拟系统，包括激光消偏器、偏振发生器、动态模拟器、准直投影器；具体通过如下步骤生成动态偏振激光回波信号：一、通过激光消偏器将仿真信号激励的有偏激光进行消偏，生成无偏激光光源；二、将上述无偏激光光源通过偏振发生器，并依据目标、照射和激光半主动制导导引头相对位置信息，生成所需偏振激光光源；三、将上述偏振激光光源通过动态模拟器，模拟调整光斑大小，引入光斑抖动，生成动态偏振激光光源信号；四、将上述动态偏振激光光源信号通过准直投影器，生成与被试品光学系统匹配的动态偏振激光回波信号。该系统能够建立更加真实可靠的光学偏振场景，满足目标光学信号源模拟需求。

Description

一种动态偏振激光回波信号模拟系统

技术领域

本发明属于激光回波信号模拟领域，具体涉及一种动态偏振激光回波信号模拟系统。

背景技术

通过半实物仿真技术，将被试品接入仿真回路中，通过设置不同的激光回波信号作为激励，可考核被试品在不同激励下的响应特性，是一种常用的测试手段，激光半主动制导导引头或其它激光探测装备常使用该方法进行测试。现有的激光回波信号模拟系统不能够对激光的偏振回波特性进行动态模拟，因此也不能够检测偏振应力等导致的光场分布变形，无法满足未来偏振激光半主动制导导引头的测试需求。因此，急需一种可模拟动态偏振特性的激光回波模拟系统。

发明内容

为了解决上述现有激光回波信号模拟系统的问题，本发明提出了一种动态偏振激光回波信号模拟系统，该发明的特点能够生成动态的偏振激光回波信号，光斑大小可调，引入了光斑抖动，建立更加真实可用的光学偏振场景，满足目标光学信号源模拟需求。

一种动态偏振激光回波信号模拟系统，包括激光消偏器、偏振发生器、动态模拟器、准直投影器；具体通过如下步骤生成动态偏振激光回波信号：

步骤一：通过激光消偏器将仿真信号激励的有偏激光进行分光，控制正交光相位差，实现对有偏激光的消偏，生成无偏激光光源；

步骤二：将上述无偏激光光源通过偏振发生器，并依据目标、照射和激光半主动制导导引头相对位置信息，生成所需偏振激光光源；

步骤三：将上述偏振激光光源通过动态模拟器，模拟调整光斑大小，引入光斑抖动，进行动态空间信号模拟，生成动态偏振激光光源信号；

步骤四：将上述动态偏振激光光源信号通过准直投影器，并实现对被试品光学系统的光瞳匹配和光斑大小模拟，生成与被试品光学系统匹配的动态偏振激光回波信号。

在步骤一中，激光消偏器包括电源、编码器、激光器、第一准直器、第二准直器、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第一棱镜、第二棱镜，第三棱镜、第四棱镜以及第五棱镜，具体通过以下流程生成无偏激光光源：

(1)编码器接收来自仿真网络的信号，生成激光器的控制信号，控制激光器按照固定的脉冲频率发射激光；

(2)激光经过第一准直器之后，被第一偏振分光镜分为2个正交的偏振分量，2个正交的偏振分量分别经过第一棱镜和第二棱镜后返回，再经过第一偏振分光镜再次合成1束光2个正交的偏振分量的光程差由第一棱镜和第二棱镜之间的距离决定，实现初次消偏；

(3)根据所述系统外部结构尺寸要求，选择是否设置第三棱镜，对光路进行折叠，满足尺寸设计的要求；

(4)光束进入第二偏振分光镜中，再经过第四棱镜和第五棱镜的2次折返，第四、五棱镜和第一、二棱镜的底面夹角成45°，第四、五棱镜再次形成消偏的光程差；

(5)上述经过第四、五棱镜折返后的光速进入第三偏振分光镜中，再合成一束光通过第二准直器对外输出无偏激光。

在步骤二中，偏振发生器包括第一、二分光镜、四个反射镜、第一、二、三衰减片、第一、二偏振片、相位延迟器、第一、二合束镜，具体通过以下流程生成偏振激光光源：

(1)上述无偏激光经过第一分光镜分成2路，第1路激光经过2个反射镜反射后，再经过第一衰减片，形成模拟大小可调的无偏光分量，再通过第一合束镜进入主光路；

(2)第2路激光经过第二分光镜再次进行分光，分离出第3路激光，之后，第2路激光依次经过第一偏振片、第二衰减片，形成模拟大小可调的线偏振光分量，作为主光路；

(3)第3路激光先经过1次反射后再经过第二偏振片，由相位延迟器生成相对于第2路激光的固定相位的延迟，再经过1次反射后再通过第三衰减片调节后，形成模拟大小可调节的圆偏振光分量，由第二合束镜进入主光路。

其中的第一、二和三衰减片，用于控制偏振光分量的大小，衰减片为大小两片衰减棱镜组合，衰减小棱镜的上表面和衰减大棱镜的下表面平行，入射光束依次通过衰减小棱镜和衰减大棱镜最后实现输出衰减光束；可通过步进电机带动衰减大棱镜进行前后的位移，形成不同的光程长度，进而形成不同的衰减量。

在步骤三中，动态模拟器包括光斑大小模拟变焦光学系统以及光斑抖动模拟系统，并具体包括由2片K9玻璃和1片ZK7玻璃组成的第一镜组、由1片ZK7玻璃和2片K9玻璃组成的第二镜组、第二镜组驱动器、PZT振镜、振动模拟控制器、双路高分辨率D/A卡、PZT振镜驱动器。

在所述光斑大小模拟变焦光学系统中，具体通过如下流程实现光斑大小模拟

(1)上述偏振激光通过2片K9玻璃和1片ZK7玻璃组成的第一镜组进行一次汇聚，通过孔径光阑限制光点大小和消除杂散光；

(2)再通过1片ZK7玻璃和2片K9玻璃组成的第二镜组进行离焦变换，光学镜片对称分布以便于校正像差，形成所需的光斑大小可调的偏振激光光源信号；

(3)为保证变焦精度，采用电位计和3个异形导轨相结合的方式检测第二镜组(33)的位移，实现控制第二镜组(33)的精确位移，实现第二镜组的精确位移。

在所述光斑抖动模拟系统中，通过以下流程模拟光斑抖动：

(1)依据是激光目标指示器搭载平台的振动功率谱，计算振动模拟幅度和振动频率信息；

(2)将大气湍流散斑效应等效为光斑的位置变化信息；

(3)将上述数据信息通过光斑振动模拟控制器的叠加和融合后，分别计算出PZT振镜的方位以及PZT振镜驱动器俯仰两轴的伺服角度，向双路高分辨率D/A卡送入上述方位和角度参数；

(4)将上述参数送入PZT振镜驱动器，经过电压放大的驱动信号作用于PZT振镜，再将上述光斑大小可调的偏振激光光源信号通过PZT振镜，实现激光光源角度的变化，用于模拟光斑抖动，最后再通过反射镜后输出动态偏振激光信号。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)“消偏-起偏-动态-准直”的工作框架，易于理解与实现；

(2)通过棱镜的灵活组合，完成原始光源分光后的消偏，以及动态光路的模拟，装置简单，实现灵活；

(3)可模拟多类偏振态的激光信号，且根据被测目标需求进行光瞳匹配及光斑大小模拟，适应场景广泛，模拟信号与实际情况符合较好。

(4)偏振回波信号可直接注入至被试品的光学窗口中，形成被试品需要的光学激励，满足不同的偏振光学激励下的光学应力偏振和光学偏振探测性能测试。

附图说明

图1是动态偏振激光回波信号模拟系统结构组成示意图；

图2是激光消偏器的光路结构示意图；

图3是偏振发生器的光路结构示意图；

图4是偏振发生器中的衰减片及其驱动结构意图；

图5是动态模拟器的光路图；

图6是光斑抖动模拟系统结构示意图。

附图标记：1-激光光源消偏器1、2-偏振发生器、3-动态模拟器、4-准直投影器、5-电源、6-编码器、7-激光器、8-第一棱镜、9-第二棱镜、10-第三棱镜、11-第四棱镜、12-第五棱镜、13-第一偏振分光镜、14-第二偏振分光镜、15-第三偏振分光镜、16-第一准直器、17-第二准直器、18-第一分光镜、19-第二分光镜、20-第一偏振片、21-第二偏振片、22-第一衰减片、23-第二衰减片、24-第三衰减片、25-相位延迟器、26-衰减小棱镜、27-衰减大棱镜、28-步进电机、29-滑动导轨、30-固定基面、31-光栅尺、32-第一镜组、33-第二镜组、34-PZT振镜、35-振动模拟控制器、36-双路高分辨率D/A卡、37-PZT振镜驱动器、38-第一合束镜、39第二合束镜、40至44-反射镜

具体实施方式

本发明提出一种动态偏振激光回波信号模拟方法，如图1所示，动态偏振激光回波模拟系统由激光光源消偏器1、偏振发生器2、动态模拟器3和准直投影器4共4部分组成。其中，激光光源消偏器1、偏振发生器2、动态模拟器3各自的电学控制系统需要接入到仿真网络中，接收来自仿真网络的数据、指令等，分别生成回波的时序控制信号、部分偏振光组分控制信号、光斑大小和抖动控制信号。激光光源消偏器1、偏振发生器2、动态模拟器3和准直投影器4以串接的方式组成信号发生装置，并将生成的激光偏振回波模拟信号注入至被试品的光学窗口。下面对发明的具体实施方式详细说明。

步骤一：有偏激光光源消偏

激光消偏器1，采用了偏振分光镜对激光发出的偏振光进行分光，并通过两两组合的棱镜的距离控制正交光的相位差实现消偏，获取原始无偏光源。激光消偏器1包括电源5、编码器6、激光器7、第一准直器16、第二准直器17、第一偏振分光镜13、第二偏振分光镜14、第三偏振分光镜15、第一棱镜8、第二棱镜9，第三棱镜10、第四棱镜11以及第五棱镜12，本发明的激光消偏器1光路设计如图2所示，其基本环节如下。

Step 1：编码器6接收来自仿真网络的信号，生成激光器7的控制信号，控制激光器7按照固定的脉冲频率发射激光；

Step2：激光经过第一准直器16之后，被第一偏振分光镜13分为2个正交的偏振分量，2个正交的偏振光分别经过第一棱镜8和第二棱镜9后返回，再经过第一偏振分光镜13再次合成1束光，2个正交光的光程差由第一棱镜8和第二棱镜9之间的距离决定，实现初次消偏；

Step3：光束进入第二偏振分光镜14中，再经过第四棱镜11和第五棱镜12的2次折返，第四、五棱镜和第一、二棱镜8、9的底面夹角成45°，第四、五棱镜再次形成消偏的光程差；

Step4：上述经过第四、五棱镜11、12折返后的光速进入第三偏振分光镜15中，再合成一束光通过第二准直器17对外输出无偏激光。

步骤二：偏振激光光源模拟

将上述无偏激光通过偏振发生器，依据目标、照射和导引头相对位置及其它信息模拟偏振激光光源。偏振发生器2包括第一、二分光镜18、19、第一、二、三衰减片22-24、第一、二偏振片20、21、相位延迟器25、第一、二合束镜38、39、四个反射镜40-43；本发明的偏振发生器2光路设计如图3所示，其基本环节如下。

Step 1：上述无偏激光经过第一分光镜18分成2路，第1路激光经过2个反射镜反射后，再经过第一衰减片22，形成模拟大小可调的无偏光分量，再通过第一合束镜38进入主光路；

Step 2：第2路激光通过第二分光镜19再次进行分光，分离出第3路激光，之后，第2路激光依次经过第一偏振片20、第二衰减片23，形成模拟大小可调的线偏振光分量，作为主光路；

Step 3：第3路激光经过第二偏振片21之后，由相位延迟器25生成相对于第2路激光的固定相位的延迟，经过2次反射后再通过第三衰减片24调节后，形成模拟大小可调节的圆偏振光分量，由第二合束镜39进入主光路。

如图4，其中的第一、二和三衰减片，用于控制偏振光分量的大小，上述衰减片为大小两片衰减棱镜组合，衰减小棱镜26的上表面和衰减大棱镜27的下表面平行，还可设置衰减片的驱动结构，入射光束依次通过衰减小棱镜26和衰减大棱镜27最后实现输出衰减光束；具体为可通过步进电机28带动衰减大棱镜27进行前后的位移，形成不同的光程长度，进而形成不同的衰减量；还可设置光栅尺31用于测量衰减大棱镜27的位置，设置固定基面30和滑动导轨29保证衰减大棱镜27运动保持一定的轴向精度。

偏振发生器2通过分光镜将无偏激光分为了3束光，1路用于模拟无偏光分量，1路模拟线偏振光，1路模拟圆偏振光。这里的反射镜组成的折返光路，可使用棱镜代替。

步骤三：动态空间信号仿真

动态模拟器3包括光斑大小模拟变焦光学系统以及光斑抖动模拟系统，并具体包括由2片K9玻璃和1片ZK7玻璃组成的第一镜组32、由1片ZK7玻璃和2片K9玻璃组成的第二镜组33、第二镜组33驱动器、PZT振镜34、振动模拟控制器35、双路高分辨率D/A卡36、PZT振镜驱动器37，通过动态模拟器3模拟调整光斑大小、引入光斑抖动等，实现动态空间信号的仿真。如图5为动态模拟器3的光路图。

动态模拟器3中的光斑大小模拟变焦光学系统的基本环节如下。

Step 1：上述偏振激光通过2片K9玻璃和1片ZK7玻璃组成的第一镜组32进行一次汇聚，通过孔径光阑限制光点大小和消除杂散光；

Step 2：再通过1片ZK7玻璃和2片K9玻璃组成的第二镜组33进行离焦变换，光学镜片对称分布以便于校正像差，形成所需的光斑大小可调的偏振激光光源信号；

Step 3：为保证变焦精度，采用电位计和3个异形导轨相结合的方式检测第二镜组33的位移，实现控制第二镜组33的精确位移。

动态模拟器3中的光斑抖动模拟系统结构如图6所示，其基本环节如下。

Step 1：依据是激光目标指示器搭载平台的振动功率谱，计算振动模拟幅度和振动频率信息；

Step 2：将大气湍流散斑效应等效为光斑的位置变化信息；

Step 3：将上述数据信息通过光斑振动模拟控制器35的叠加和融合后，分别计算出PZT振镜34的方位以及俯仰两轴的伺服角度，向双路高分辨率D/A卡36送入上述方位和角度参数；

Step 4：将上述参数送入PZT振镜驱动器37，经过电压放大的驱动信号作用于PZT振镜34，再将上述光斑大小可调的偏振激光光源信号通过PZT振镜34的实现激光光源角度的变化，用于模拟光斑抖动，最后在通过反射镜后输出动态偏振激光信号。

步骤四：与被测光学系统匹配的动态偏振激光回波信号生成

准直投影器4通过与所述动态模拟器3中的光斑大小模拟变焦系统的离焦单元配合，实现对被试品光学系统的光瞳匹配及光斑大小的模拟。将上述动态偏振激光信号通过准直投影器4后，生成的动态偏振激光回波信号直接投射至被试品的光学窗口。准直投影器4可根据被试品光学系统参数选择商用光学镜头。

本发明基于分光镜、组合棱镜与PZT振镜等建立激光消偏器、偏振产生器、动态模拟器和准直投影器等一系列装置，实现动态偏振信号的模拟。具有实现方便、信号真实高、应用广泛等有益性。

上述仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种动态偏振激光回波信号模拟系统，其特征在于，包括激光消偏器(1)、偏振发生器(2)、动态模拟器(3)、准直投影器(4)；具体通过如下步骤生成动态偏振激光回波信号：

步骤一：通过激光消偏器(1)将仿真信号激励的有偏激光进行分光，控制正交光相位差，实现对有偏激光的消偏，生成无偏激光光源；

步骤二：将所述无偏激光光源通过偏振发生器(2)，并依据目标、照射和激光半主动制导导引头相对位置信息，生成所需偏振激光光源；

步骤三：将所述偏振激光光源通过动态模拟器(3)，模拟调整光斑大小，引入光斑抖动，进行动态空间信号模拟，生成动态偏振激光光源信号；

步骤四：将所述动态偏振激光光源信号通过准直投影器(4)，并实现对被试品光学系统的光瞳匹配和光斑大小模拟，生成与被试品光学系统匹配的动态偏振激光回波信号；

在步骤一中，所述激光消偏器(1)包括电源(5)、编码器(6)、激光器(7)、第一准直器(16)、第二准直器(17)、第一偏振分光镜(13)、第二偏振分光镜(14)、第三偏振分光镜(15)、第一棱镜(8)、第二棱镜(9)，第三棱镜(10)、第四棱镜(11)以及第五棱镜(12)，具体通过以下流程生成无偏激光光源：

(1)、所述编码器(6)接收来自仿真网络的信号，生成所述激光器(7)的控制信号，控制所述激光器(7)按照固定的脉冲频率发射激光；

(2)、所述激光经过所述第一准直器(16)之后，被所述第一偏振分光镜(13)分为2个正交的偏振分量，所述2个正交的偏振分量分别经过所述第一棱镜(8)和第二棱镜(9)后返回，再经过所述第一偏振分光镜(13)再次合成1束光，所述2个正交的偏振分量的光程差由所述第一棱镜(8)和第二棱镜(9)之间的距离决定，实现初次消偏；

(3)、根据所述系统外部结构尺寸要求，选择是否设置所述第三棱镜(10)，对光路进行折叠，满足尺寸设计的要求；

(4)、光束进入所述第二偏振分光镜(14)中，再经过所述第四棱镜(11)和所述第五棱镜(12)的2次折返，所述第四、五棱镜和所述第一、二棱镜的底面夹角成45°，所述第四、五棱镜再次形成消偏的光程差；

(5)、经过所述第四、五棱镜折返后的光速进入所述第三偏振分光镜(15)中，再合成一束光通过所述第二准直器(17)对外输出无偏激光。

2.根据权利要求1所述的动态偏振激光回波信号模拟系统，其特征在于，在步骤二中，所述偏振发生器(2)包括第一分光镜(18)、第二分光镜(19)、四个反射镜(40-43)、第一衰减片(22)、第二衰减片(23)、第三衰减片(24)、第一偏振片(20)、第二偏振片(21)、相位延迟器(25)、第一合束镜(38)、第二合束镜(39)，具体通过以下流程生成偏振激光光源：

(1)、所述无偏激光经过所述第一分光镜(18)分成2路，第1路激光经过2个所述反射镜反射后，再经过所述第一衰减片(22)，形成模拟大小可调的无偏光分量，再通过所述第一合束镜(38)进入主光路；

(2)、第2路激光通过所述第二分光镜(19)再次进行分光，分离出第3路激光，之后，第2路激光依次经过所述第一偏振片(20)、第二衰减片(23)，形成模拟大小可调的线偏振光分量，并作为主光路；

(3)、第3路激光先经过1次反射后再经过所述第二偏振片(21)，由所述相位延迟器(25)生成相对于第2路激光的固定相位的延迟，再经过1次反射后再通过所述第三衰减片(24)调节后，形成模拟大小可调节的圆偏振光分量，由第二合束镜(39)进入主光路；

其中的所述第一、二和三衰减片，用于控制偏振光分量的大小，所述第一、二和三为大小两片衰减棱镜组合，衰减小棱镜(26)的上表面和衰减大棱镜(27)的下表面平行，入射光束依次通过衰减小棱镜(26)和衰减大棱镜(27)最后实现输出衰减光束；通过步进电机带动衰减大棱镜(27)进行前后的位移，形成不同的光程长度，进而形成不同的衰减量。

3.根据权利要求1所述的动态偏振激光回波信号模拟系统，其特征在于，在步骤三中，所述动态模拟器(3)包括光斑大小模拟变焦光学系统以及光斑抖动模拟系统，并具体包括由2片K9玻璃和1片ZK7玻璃组成的第一镜组(32)、由1片ZK7玻璃和2片K9玻璃组成的第二镜组(33)、第二镜组驱动器、PZT振镜(34)、振动模拟控制器(35)、双路高分辨率D/A卡(36)、PZT振镜驱动器(37)。

4.根据权利要求3所述的动态偏振激光回波信号模拟系统，其特征在于，在所述光斑大小模拟变焦光学系统中，具体通过如下流程实现光斑大小模拟：

(1)、所述偏振激光通过2片K9玻璃和1片ZK7玻璃组成的第一镜组(32)进行一次汇聚，通过孔径光阑限制光点大小和消除杂散光；

(2)、再通过1片ZK7玻璃和2片K9玻璃组成的第二镜组(33)进行离焦变换，光学镜片对称分布以便于校正像差，形成所需的光斑大小可调的偏振激光光源信号；

(3)、为保证变焦精度，采用电位计和3个异形导轨相结合的方式检测第二镜组(33)的位移，实现控制第二镜组(33)的精确位移。

5.根据权利要求4所述的动态偏振激光回波信号模拟系统，其特征在于，在所述光斑抖动模拟系统中，通过以下流程模拟光斑抖动：

(1)、依据是激光目标指示器搭载平台的振动功率谱，计算振动模拟幅度和振动频率信息；

(2)、将大气湍流散斑效应等效为光斑的位置变化信息；

(3)、将所述信息通过光斑振动模拟控制器(35)的叠加和融合后，分别计算出PZT振镜(34)的方位以及PZT振镜驱动器(37)的俯仰两轴的伺服角度，向双路高分辨率D/A卡(36)送入所述方位和角度参数；

(4)、将所述参数送入PZT振镜驱动器(37)，经过电压放大的驱动信号作用于PZT振镜(34)，再将所述光斑大小可调的偏振激光光源信号通过PZT振镜(34)，实现激光光源角度的变化，用于模拟光斑抖动，最后再通过反射镜后输出动态偏振激光信号。

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