CN111142574B - 一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统及方法，该系统包括：激光特性监测单元、光路单元、激光器和控制系统；光路单元包括分光镜单元和激光调整单元；激光器发射的激光经过分光镜单元后一部分发射出去，另一部分进入激光特性监测单元，激光特性监测单元实时确定激光的光斑质心位置和光斑大小；控制系统将激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，通过激光调整单元实时调整激光的光轴和位置。针对光机结构变形引起的激光发射系统汇聚特性性能下降的问题，通过实时检测发射激光的状态，从束散角和光轴两个方面进行补偿，有效提高高能激光在打击目标时的到靶功率，减小温度、外部振动等因素对激光聚焦特性的影响。

Description

一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统及方法

技术领域

本发明涉及光束控制领域，尤其涉及一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统及方法。

背景技术

激光武器的毁伤效能受到激光能量和远场光斑特性等因素的影响，在激光器光源质量一定时，远场光斑特性主要与光学发射系统的汇聚特性有关，具体表现为光斑直径和光斑光轴位置。由于激光武器的光学发射系统光路较为复杂，光机本结构容易受到温度、振动、应力释放等因素的影响，而造成激光光轴和视频跟踪光轴偏差，另一方面由于激光器与发射系统之间相对位置的变化，使得焦点位置发生变化，从而造成远场光斑直径发生变化。

光轴的偏差使得实际作战过程中，激光光斑并不能落在设定的攻击位置，而汇聚特性发生变化则使得光斑直径发生变化，造成功率密度下降。为了保证激光武器的实际效能，光机结构变化必须通过一定的校正系统来予以补偿。而目前的技术方案中，对于光轴变化的检测较为普遍，但缺乏对于光机结构带来的汇聚特性变化的补偿。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统及方法，解决现有技术中缺乏对于光机结构带来的汇聚特性变化的补偿的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统，包括：激光特性监测单元1、光路单元、激光器7和控制系统9；

所述光路单元包括分光镜单元3和激光调整单元；

所述激光器7发射的激光经过所述分光镜单元3后一部分发射出去，另一部分进入所述激光特性监测单元1，所述激光特性监测单元1实时确定所述激光的光斑质心位置和光斑大小；

所述控制系统9将所述激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，通过所述激光调整单元实时调整所述激光的光轴和位置。

一种基于上述用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统的校正方法，包括：步骤1，对目标视频进行成像，利用目标跟踪算法提取目标位置；

步骤2，所述激光特性监测单元1计算透过所述分光镜单元3进入的所述激光的光斑质心位置和光斑大小；

步骤3，所述控制系统9将所述激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，计算是否有偏差；

步骤4，所述控制系统9发送控制指令给所述激光调整单元实时调整所述激光的光轴方向和位置。

本发明的有益效果是：针对光机结构变形引起的激光发射系统汇聚特性性能下降的问题，通过实时检测发射激光的状态，从束散角和光轴两个方面进行补偿，有效提高高能激光在打击目标时的到靶功率，减小温度、外部振动等因素对激光聚焦特性的影响。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述分光镜单元3设置于目标进入跟踪视频传感器2进行成像的光路上，所述分光镜单元3的正面面向外部的所述目标和入射激光设置，反面面向所述激光特性监测单元1和跟踪视频传感器2设置。

进一步，所述分光镜单元3的正面镀有与所述激光的波段对应的高反射率膜和与成像光的波段对应的高透射率膜。

进一步，所述激光调整单元包括激光光轴校正器4和激光发射端位置补偿器8；

所述激光光轴校正器4和所述激光特性监测单元1分别设置于所述分光镜单元3的两侧；

所述激光发射端位置补偿器8对所述激光器7出射的激光进行位置校正后，经过所述激光光轴校正器4进行光轴校正。

进一步，所述激光光轴校正器4为快速控制反射镜。

进一步，所述激光调整单元还包括准直器5和光纤输出头6；所述光纤输出头6和准直器5依次安装在所述激光器7的激光发射口上，所述光纤输出头6位于所述准直器5的焦点上；

所述激光发射端位置补偿器8支撑所述光纤输出头6，根据控制系统控制系统的指令快速移动对所述光纤输出头6和所述准直器5的相对位置进行快速校正。

进一步，所述激光特性监测单元1包括光学系统和激光成像传感器，所述光学系统使低功率激光汇聚到所述激光成像传感器上，并输出所述激光的光斑质心位置和光斑大小。

进一步，所述光学系统和激光成像传感器的成像波段与所述激光的波段对应。

进一步，所述跟踪视频传感器2包括成像光学系统与图像传感器，所述成像光学系统与所述图像传感器的成像波段为红外或可见光波段。

采用上述进一步方案的有益效果是：分光镜单元的正面镀有与激光的波段对应的高反射率膜和与成像光的波段对应的高透射率膜，对大部分激光进行反射，只透射极少部分进入激光特性监测单元，该与激光的波段对应的高反射率膜使透过的激光能量足够小，与成像光波段对应的高透射率膜使目标能够清晰成像；激光特性监测单元针对激光波段进行设计，使小功率的入射激光可在激光成像传感器上成目标；成像光学系统与图像传感器的成像波段通常与激光波段不重叠，并增加激光波段的衰减片，以保证激光发射过程中不干扰跟踪视频。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统的实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正方法的实施例的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光特性监测单元，2、跟踪视频传感器，3、分光镜单元，4、激光光轴校正器，5、准直器，6、光纤输出头，7、激光器，8、激光发射端位置补偿器，9、控制系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统包括：激光特性监测单元1、光路单元、激光器7和控制系统9。

光路单元包括分光镜单元3和激光调整单元；激光器7发射的激光经过分光镜单元3后一部分发射出去，另一部分进入激光特性监测单元1，激光特性监测单元1实时确定激光的光斑质心位置和光斑大小。

控制系统9将激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，通过激光调整单元实时调整激光的光轴和位置。

本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统，针对光机结构变形引起的激光发射系统汇聚特性性能下降的问题，通过实时检测发射激光的状态，从束散角和光轴两个方面进行补偿，有效提高高能激光在打击目标(无人机、空飘气球等)时的到靶功率，减小温度、外部振动等因素对激光聚焦特性的影响。

实施例1

如图1所示为本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统的实施例的结构示意图，图1中，带箭头实线表示激光光路，带箭头虚线表示目标成像光路，带箭头的点划线为信号线，由图1可知，该系统包括：激光特性监测单元1、光路单元、激光器7和控制系统9。

光路单元包括分光镜单元3和激光调整单元；激光器7发射的激光经过分光镜单元3后一部分发射出去，另一部分进入激光特性监测单元1，激光特性监测单元1实时确定激光的光斑质心位置和光斑大小。

优选的，分光镜单元3设置于目标进入跟踪视频传感器2进行成像的光路上，分光镜单元3的正面面向外部的目标和入射激光设置，反面面向激光特性监测单元1和跟踪视频传感器2设置。

优选的，分光镜单元3的正面镀有与激光的波段对应的高反射率膜和与成像光的波段对应的高透射率膜。

分光镜单元3对大部分激光进行反射，只透射极少部分进入激光特性监测单元1，该与激光的波段对应的高反射率膜使透过的激光能量足够小。与成像光波段对应的高透射率膜使目标能够清晰成像。

优选的，激光调整单元包括激光光轴校正器4和激光发射端位置补偿器8；激光光轴校正器4和激光特性监测单元1分别设置于分光镜单元3的两侧；激光发射端位置补偿器8对激光器7出射的激光进行位置校正后，经过激光光轴校正器4进行光轴校正。

优选的，激光光轴校正器4为快速控制反射镜。

快速控制反射镜，能快速改变激光光轴方向的装置，其根据控制系统控制系统9的指令对激光光轴进行快速校正。

优选的，激光调整单元还包括准直器5和光纤输出头6；光纤输出头6和准直器5依次安装在激光器7的激光发射口上，光纤输出头6位于准直器5的焦点上。

激光发射端位置补偿器8支撑光纤输出头6，根据控制系统9的指令快速移动对光纤输出头6和准直器5的相对位置进行快速校正。

激光器7是产生高功率激光的设备，光纤输出头6的作用是使激光器7的大功率激光从光纤端出射，它应该位于准直器的焦点上，此时出射光的束散角最小。准直器5为一定焦距的发射系统，能够将激光器输出光整形为一定束散角的准平行光。

优选的，激光特性监测单元1包括光学系统和激光成像传感器，光学系统使低功率激光汇聚到激光成像传感器上，并输出激光的光斑质心位置和光斑大小。光学系统和激光成像传感器的成像波段与激光的波段对应。

激光特性监测单元1针对激光波段进行设计，使小功率的入射激光可在激光成像传感器上成像。

优选的，跟踪视频传感器2包括成像光学系统与图像传感器，成像光学系统与图像传感器的成像波段为红外或可见光波段。

成像光学系统与图像传感器的成像波段通常与激光波段不重叠，并增加激光波段的衰减片，以保证激光发射过程中不干扰跟踪视频。图像传感器通常为高帧频传感器，确保足够的采样频率以实现高精度跟踪。

控制系统9将激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，通过激光调整单元实时调整激光的光轴和位置。

控制系统9通常为计算机一类能够读取激光特性监测单元信号，提取视频跟踪信号，并控制激光光轴校正单元和激光发射端位置补偿器的电子系统。

实施例2

本发明提供的实施例2为本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正方法的实施例，该矫正方法基于上述实施例提供的一种矫正系统，如图2所示为本发明提供的一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正方法的实施例的流程图，由图2可知，该校正方法的实施例包括：

步骤1，对目标视频进行成像，利用目标跟踪算法提取目标位置。

步骤2，激光特性监测单元1计算透过分光镜单元3进入的激光的光斑质心位置和光斑大小。

步骤3，控制系统9将激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，计算是否有偏差。

步骤4，控制系统9在偏差的值超过设定阈值时发送控制指令给激光调整单元实时调整激光的光轴方向和位置。

具体的，步骤4中包括：激光发射端位置补偿器8通过控制系统9发来的指令对光纤输出头6和准直器5的相对位置进行校正；准直器5用于激光的准直，光纤输出头6为激光发射输出端。控制系统9提取激光特性监测单元1探测到的光轴位置与跟踪的目标视频中目标的位置，计算二者偏差量后，传递相应的控制量给激光光轴校正器4，对激光方向进行校正，同时计算光斑大小与正常大小的偏差，传递相应的控制量给激光发射端位置补偿器8，对光纤输出头6和准直器5的相对位置进行校正。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于光机结构变形补偿的激光发射校正系统的校正方法，其特征在于，所述系统包括：激光特性监测单元(1)、光路单元、激光器(7)和控制系统(9)；

所述光路单元包括分光镜单元(3)和激光调整单元；

所述激光器(7)发射的激光经过所述分光镜单元(3)后一部分发射出去，另一部分进入所述激光特性监测单元(1)，所述激光特性监测单元(1)实时确定所述激光的光斑质心位置和光斑大小；

所述控制系统(9)将所述激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，通过所述激光调整单元实时调整所述激光的光轴和位置；

所述分光镜单元(3)设置于目标进入跟踪视频传感器(2)进行成像的光路上，所述分光镜单元(3)的正面面向外部的所述目标和入射激光设置，反面面向所述激光特性监测单元(1)和跟踪视频传感器(2)设置；

所述激光调整单元包括激光光轴校正器(4)和激光发射端位置补偿器(8)；

所述激光光轴校正器(4)和所述激光特性监测单元(1)分别设置于所述分光镜单元(3)的两侧；

所述激光发射端位置补偿器(8)对所述激光器(7)出射的激光进行位置校正后，经过所述激光光轴校正器(4)进行光轴校正；

所述激光调整单元还包括准直器(5)和光纤输出头(6)；所述光纤输出头(6)和准直器(5)依次安装在所述激光器(7)的激光发射口上，所述光纤输出头(6)位于所述准直器(5)的焦点上；

所述激光发射端位置补偿器(8)支撑所述光纤输出头(6)，根据控制系统(9)的指令快速移动对所述光纤输出头(6)和所述准直器(5)的相对位置进行快速校正；

所述方法包括：

步骤1，对目标视频进行成像，利用目标跟踪算法提取目标位置；

步骤2，所述激光特性监测单元(1)计算透过所述分光镜单元(3)进入的所述激光的光斑质心位置和光斑大小；

步骤3，所述控制系统(9)将所述激光的光斑质心位置和光斑大小与初始设定值作比较，计算是否有偏差；

步骤4，所述控制系统(9)在所述偏差的值超过设定阈值时发送控制指令给所述激光调整单元实时调整所述激光的光轴方向和位置。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述分光镜单元(3)的正面镀有与所述激光的波段对应的高反射率膜和与成像光的波段对应的高透射率膜。

3.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述激光光轴校正器(4)为快速控制反射镜。

4.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述激光特性监测单元(1)包括光学系统和激光成像传感器，所述光学系统使低功率激光汇聚到所述激光成像传感器上，并输出所述激光的光斑质心位置和光斑大小。

5.根据权利要求4所述的校正方法，其特征在于，所述光学系统和激光成像传感器的成像波段与所述激光的波段对应。

6.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述跟踪视频传感器(2)包括成像光学系统与图像传感器，所述成像光学系统与所述图像传感器的成像波段为红外或可见光波段。

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