CN111413685A - 一种无伺服主动三维探测导引头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无伺服主动三维探测导引头，该导引头是由双DBR混合型单元VCSELs、LC‑OPA光束扫描系统、同轴共孔径光学发收系统、APD探测模块等光机电一体集成，实现同步扫描机制和光机电一体化。VCSELs结构包含一种InP共振腔和两种DBR：GaAs/AlAs构成下DBR，Si02/TiO2构成上DBR，InP共振腔在DBR中间，使得中心波长为1064nm的激光通过VCSELs结构后达到面阵激光发射效果。LC‑OPA光束扫描系统由液晶光学移相器组成，通过电控组件驱动，实现对面阵激光光束的相位调制，形成实现高精度、高效率、大角度相控光束偏转的效果。同轴共孔径光学发收系统用于反射激光和接收激光回波信号，通过收发同轴共孔径设计，达到较小压缩激光探测的视场角、降低背景噪声、增加作用距离的效果。
Description
技术领域
本发明涉及主动激光三维探测技术，具体涉及一种基于液晶光学相控阵技术来实现三维探测光束的偏转调制，及其在三维探测导引头上的应用。
背景技术
光束偏转调制技术是对激光或宽谱光束波矢方向进行精确控制的技术，在目标探测、激光通讯、光信息存储等诸多领域有着广泛的应用前景。传统光束偏转系统依靠机械、机电伺服机构装置实现，其存在结构复杂、精度低、质量体积大、能耗高、运动过程中对惯性敏感、可靠性不好等缺点。这些缺点在现役光电类防空系统中更为突出，从而导致机动性不强、扫描速度不高、跟踪性能受限，且部分机电组件需定期进行维护保养，无法完全满足未来防空探测和作战中导引头轻小型化需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无伺服主动三维探测导引头，采用液晶相控阵技术，实现面阵激光的大角度、高指向精度扫描，取代了传统激光扫描探测所需的伺服机构，实现了激光主动三维探测导引头的高集成和轻小型化。
本发明的技术解决方案为：一种无伺服主动三维探测导引头，包括光源、反射镜、相控阵组件、头罩、同轴共孔径光学接收系统、电子仓和电控驱动组件；
所述光源用于发射激光束，其发射的激光束经发射镜反射后射入相控阵组件；
所述相控阵组件接收激光束后，在电控驱动组件的控制下进行连续偏转，扫描发射激光束，并由头罩向外部空间发射；
所述同轴共孔径光学接收系统用于接收经目标漫反射后的回波信号，并将接收到的回波信号发送至电子仓进行处理，获取发射的激光束和接收的回波信号的时间差，根据所述时间差计算所需的导引头和目标之间的距离。
进一步地，所述光源为双DBR混合型单元VCSELs。
进一步地，所述激光束的中心波长为1064nm。
进一步地，所述双DBR混合型单元VCSELs包括基底和发射激光单元；所述发射激光单元有若干个，均布在基底上，用于发射面阵激光；每个发射激光单元包括上DBR、下DBR及处于两者之间的InP共振腔，通过阵列实现混合型单元VCSELs。
进一步地，所述上DBR的材料为Si02/TiO2介质膜，下DBR的材料为GaAS基GaAs/AlAs半导体，InP共振腔的材料为InP基InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源材料。
进一步地，所述同轴共孔径光学接收系统包括卡塞格林主反射镜、次反射镜和APD探测模块；经目标漫反射后的光信号通过卡塞格林主反射镜和次反射镜会聚至APD探测模块，形成回波信号；APD探测模块将回波信号发送至电子仓。
进一步地，所述APD探测模块的芯片为InGaAs材料。
进一步地，所述扫描发射激光束的范围为10°×10°，但不限于该角度。
进一步地，采用光学相控阵实现光束扫描和捕捉，所采用的光学相控阵组件可采用液晶光学相控阵，但不限于液晶光学相控阵。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明提出了一种无伺服主动三维探测导引头，实现高集成与轻小型化，具有质量体积小、能耗低、可靠性好、运动性能良好等特点。
2、本发明导引头可以对面阵激光光束进行相位调制，实现大角度、高精度的相控光束偏转的效果，在现役光电类防控系统中具有机动性强，扫描速度快，跟踪性能良好等特点。
附图说明
图1为本发明的导引头光路布局示意图；
图2为本发明的垂直腔面发射VCSEL激光器示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
一种无伺服主动三维探测导引头由双DBR混合型单元VCSELs、LC-OPA光束扫描系统、同轴共孔径光学发收系统、APD探测模块等组成。
双DBR混合型单元VCSELs，用于发射面阵激光。它由上下DBR及处于其中光增益有源区组成的共振腔结构，实现高密度的VCSEL单元，该单元由Si02/TiO2介质膜DBR、GaAS基GaAs/AlAs半导体DBR及处于它们之间的InP基InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源材料组成。DBR为分布式布拉格反射，VCSELs为垂直腔面发射激光器。
LC-OPA光束扫描系统，采用准连续精密调控型器件和偏振光栅型数字化调控器件级联的方式，同步实现大角度、高精度、快速捷变的光束偏转。LC-OPA由许多个液晶相移单元(像素)组成一个阵列，每个相移单元实现相位调制的原理是基于向列相液晶材料的电光效应。由于液晶具有与晶体类似的折射率各向异性，液晶分子排列状态的改变会对入射光波产生不同的相位延迟，从而实现液晶对光波的相位调制作用。对于大角度LC-OPA，是基于液晶偏振光栅的偏转选择特性，通过控制入射光的偏振态来选择出射光的偏转角度。
同轴共孔径光学发收系统，其特点体现在无伺服位标器的同轴共孔径光机系统一体化技术。系统采用轴向长度较短、焦距长、相对孔径较大的二次扫描成像卡塞格林系统,并以无伺服构型，实现激光发射和APD接收的同轴共孔径。在同轴共孔径光学发收系统中，1064nm激光束依次经过分光镜、反射镜组、次反射镜中心和相控阵组件，从头罩/窗口的中心出射、形成小发散角的细光束。照射到目标上后反射回的合成视觉信号，则透过头罩/窗口入射到主反射镜、次反射镜、复用的无伺服镜组和偏振分光镜上，经校正镜穿过APD前置的激光窗口，汇聚于APD光敏面中。共轴系统的设计，减小了导引头的体积。
APD探测模块，包括前放电路、探测器的高压供电电路、激光信号处理电路、偏置电压调制电路、TDC电路、淬火电路、TEC驱动电路等，APD探测模块用于接收经目标反射的回波信号，将APD探测模块接收的信号交由后续控制系统处理，结算出激光脉冲的飞行时间，并将飞行时间转换从目标距离值和相应的方位。APD探测的作用距离较扫描成像模式更远、穿透力强，在导引头飞行初始段采用APD探测防空，以便进行大范围搜索迅速截获目标。
以下结合附图，通过详细说明一个实施方式，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，其中无伺服主动三维探测导引头，其包含：双DBR混合型单元VCSELs1，由基底13和垂直腔面发射激光单元14构成，其发射的面源阵列激光束15经过反射镜2和发射镜3后照射至前方LC-OPA组件4。入射至LC-OPA组件4的面源阵列激光束，通过电控驱动组件12控制LC-OPA组件4对出射光束5的连续扫描偏转，并从头罩6发射出去，出射激光光束5照射到目标后，经目标漫反射的回波信号7再次经过头罩6进入同轴共孔径光学接收系统；同轴共孔径光学接收系统包括卡塞格林主反射镜8和次反射镜9，同轴共孔径光学接收系统将回波信号7会聚至APD探测模块10；APD探测模块将探测到的信号交由电子仓11进行处理，获取出射光束5和回波信号7的时间差，由此计算出目标和导引头之间的距离。所述的卡塞格林光学系统包括主反射镜8和次反射镜9，该光学系统光轴与反射镜3反射的光束中心共光轴12。所述的头罩6为激光发射系统和激光回波信号接收系统所共用。以本发明在导引制导系统中的应用为例，双DBR混合型单元VCSELs发射1064nm面阵激光，LC-OPA组件4通过电控组件12进行控制，根据预设的扫描图像对出射光束5进行空间扫描，扫描的角度范围为10°×10°。
1064nm的激光回波信号7经过同轴共孔径光学接收系统中的主发射镜8和次反射镜9后，汇聚到APD光敏面并被APD探测模块10所接收。APD探测模块10探测到的1064nm目标反射能量经APD转换成可测量电信号，由探测器APD芯片和前放、预处理、增益、滤波、偏置、同步、主波探测(读出电路芯片)和延时处理等电路构成，并配置相应的半导体制冷和温控电路。前放及预处理电路为APD芯片提供偏置电压和驱动时序信号，并经差分处理后产生合规格式的扫描图像信号后数据，送往电子舱11控制系统。所述的探测器APD芯片为InGaAs材料，能够在1064nm有较大的光谱响应度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：包括光源(1)、反射镜、相控阵组件(4)、头罩(6)、同轴共孔径光学接收系统、电子仓(11)和电控驱动组件(12)；
所述光源(1)用于发射激光束，其发射的激光束经发射镜反射后射入相控阵组件(4)；
所述相控阵组件(4)接收激光束后，在电控驱动组件(12)的控制下进行连续偏转，扫描发射激光束，并由头罩(6)向外部空间发射；
所述同轴共孔径光学接收系统用于接收经目标漫反射后的回波信号，并将接收到的回波信号发送至电子仓(11)进行处理，获取发射的激光束和接收的回波信号的时间差，根据所述时间差计算所需的导引头和目标之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述光源(1)为双DBR混合型单元VCSELs。
3.根据权利要求2所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述激光束的中心波长为1064nm。
4.根据权利要求2所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述双DBR混合型单元VCSELs包括基底(13)和发射激光单元(14)；所述发射激光单元(14)有若干个，均布在基底(13)上，用于发射面阵激光；每个发射激光单元(14)包括上DBR、下DBR及处于两者之间的InP共振腔，通过阵列实现混合型单元VCSELs。
5.根据权利要求4所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述上DBR的材料为Si02/TiO2介质膜，下DBR的材料为GaAS基GaAs/AlAs半导体，InP共振腔的材料为InP基InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源材料。
6.根据权利要求2所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述同轴共孔径光学接收系统包括卡塞格林主反射镜(8)、次反射镜(9)和APD探测模块(10)；经目标漫反射后的光信号通过卡塞格林主反射镜(8)和次反射镜(9)会聚至APD探测模块(10)，形成回波信号；APD探测模块(10)将回波信号发送至电子仓(11)。
7.根据权利要求6所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述APD探测模块(10)的芯片为InGaAs材料。
8.根据权利要求1所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述扫描发射激光束的范围为10°×10°。
9.根据权利要求1所述的一种无伺服主动三维探测导引头，其特征在于：所述相控阵组件(4)为光学相控阵；所述光学相控阵为液晶光学相控阵。
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