CN111427051A - 一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器，包括：发射光学系统、激光器、楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜；发射光学系统、激光器、楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜被布置成使得激光通过激光器的输出镜发出后，经过楔形镜组以微调激光器出射的激光方向，随后激光光路经过45°反射镜10反射后打在快速倾斜镜上，再反射进入发射光学系统。

Description

一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器

技术领域

本发明涉及激光技术应用领域，特别涉及一种用于激光制导机载光电吊舱中实现激光测距和目标指示功能的激光测照器。

背景技术

激光测照器是激光半主动寻的制导系统中的重要组成部分，用于实现激光测距，同时向目标发射激光束，为制导武器指示目标。

在激光制导过程中，激光测照器在对目标进行照射时，激光的准直性和光轴稳定性是两个重要参数。

激光束散角影响激光照射在目标上的功率密度，在同等单脉冲能量下，具备高准直性的激光源，打在被测目标返回的回光信号功率密度更高，可提高测距的测程。

而激光光轴稳定性直接影响对目标的指示跟踪精度，当光轴稳定性较差时，可能造成跟踪不到目标，或只能局部照射目标，因此激光器的稳定性对于提高激光制导性能至关重要。

从使用环境考虑，装载激光测照器的光电吊舱或导引头在随机飞行时，在高速运动过程中与大气间形成的剧烈振动，使得激光测照器发射光轴存在一定程度的抖动，这通常可以通过结构设计上采用加强筋设计提高其抗振性，在多数场合下可满足使用要求，但对于要求更为严苛的环境下，实际机载设备如果处于更高振级的环境下，为了进一步保证光轴的稳定性，应对外界振动因素的干扰，还需通过其他方式提高光轴稳定性，本发明提出的增加光学快速倾斜镜是一种有效的方法，即使环境振动干扰较大，也可通过实时控制光学快速倾斜镜以补偿光轴偏离，从而维持光轴稳定性。

现有产品上，目前国内现有典型产品的激光束散角为0.3mrad，常用于空对地能实现300m～20km范围的测距测程、10km目标指示的典型激光测照器，对于小目标或更远距离的目标，无法进行实时测距和照射指示。另一方面，当光电吊舱整体处于较大振级的环境下，激光光轴很可能随整体系统产生偏移，就可能造成对目标跟踪定位的失效。

从激光雷达基本原理上分析，提高测程直接的方法有两种，一个可以通过增加激光能量，但激光能量的增加，对于整机功耗、激光器热控提出很高要求，甚至造成整机稳定性上的新问题；另一种方法就是通过提高激光准直性，也就是本发明所阐述的技术。而提高激光光轴稳定性，可以通过优化激光器设计，提高光束质量，但对于特定参数下，激光器光束质量的优化已经达到物理极限，优化的空间已经很有限的情况下，增加其他光学控制器件，也是一种可取的办法，这也是本发明所谈技术之一。

可见，对于机载设备，激光准直性和激光光轴稳定性是两个重要的指标要求。因此，本发明着眼于提高激光准直性和提高激光光轴稳定性，提出新的改进方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器，采用激光脉冲法实现激光测距，激光器采用LD泵浦Nd:YAG晶体和电光调Q技术实现1064nm脉冲激光输出，可用于对目标进行照射指示。激光器发射出的激光经过光学快速倾斜镜后再进入光学系统进行扩束准直，同时增大发射光学系统的口径，提高激光的准直性。

根据本发明，提供了一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器，包括：发射光学系统、激光器、楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜；发射光学系统、激光器、楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜被布置成使得激光通过激光器的输出镜发出后，经过楔形镜组以微调激光器出射的激光方向，随后激光光路经过45°反射镜10反射后打在快速倾斜镜上，再反射进入发射光学系统。

优选地，机载激光测照器上方结构和下方结构，其中上方结构包含：发射光学系统、热控组件、控制组件；下方结构包含接收光学系统、出光探测器、回光探测APD模块和激光器，而且发射光学系统和激光器之间放置楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜。

优选地，激光器出射的一个脉冲激光，触发出光探测器以使控制系统中的计数器开始工作计时，脉冲激光经过发射光学系统扩束准直后照射到被测目标，由被测目标表面漫反射形成的回光信号经过接收光学系统聚焦在回光探测APD模块上，回光探测APD模块探测到光信号后转为电信号，触发计数器停止工作，通过统计计数器内部电路所产生的脉冲个数来测出激光往返所用的时间，并换算获得目标距离。

优选地，快速倾斜镜用于在光轴抖动时微调光轴方向。

优选地，发射光学系统包括：发射目镜、发射物镜、发射物镜和发射物镜；发射目镜和发射物镜组之间中间具有用于放置调焦垫圈的调焦空间。

优选地，调焦垫圈的厚度介于0.05mm至0.1mm的范围。

优选地，激光测照器的工作模式包括启动模式、待机模式、测距模式、激光照射模式；激光测照器在加电时进入启动模式，激光测照器执行加电自检，进行预冷或预热，随后进入待机模式；在待机模下，激光器维持温控状态，处于等待状态；在待机模式或照射模式下，激光测照器接收到测距指令后转变为测距模式以执行测距操作；在待机模式或照射模式下，激光测照器接收到照射指令后转变为照射模式以执行照射操作。

优选地，控制组件用于实现以下功能：与电源组件通信以控制监测LD驱动电流、热控组件的半导体制冷片的驱动电流和风扇工作电压；控制激光器的出光频率；监测电源组件的LD泵浦模块表面温度、热控组件的半导体制冷片的热端温度和环境温度；判定温控电源电流和LD泵浦模块的电流的工作状态；检测出光脉冲和回光脉冲间的时间差，计算测距距离；与用户通信，实现外触发；控制雪崩二极管的高压和工作温度；对回光信号进行阈值检测；与上位机通信以系统调试。

由此，本发明提供了一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器，采用激光脉冲法实现激光测距，激光器采用LD泵浦Nd:YAG晶体和电光调Q技术实现1064nm脉冲激光输出，可用于对目标进行照射指示。激光器发射出的激光经过光学快速倾斜镜后再进入光学系统进行扩束准直，同时增大发射光学系统的口径，提高激光的准直性。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器的整机组成前视图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器的整机组成侧面图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器的仰视图。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器的电源组件。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器的发射光学系统组件。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

图1、图2和图3分别示意性地示出了根据本发明优选实施例的高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器的整机组成前视图、侧面图和仰视图。

如图1、图3所示，激光测照器整体设计为上下结构，整机上方结构包含：发射光学系统1、热控组件3、控制组件4；下方结构包含接收光学系统2、出光探测器5、回光探测APD模块6和激光器7，电源组件8与测照器光机主体分离，单独放置。

如图2所示，发射光学系统1和激光器7之间放置楔形镜组9、45°反射镜10和快速倾斜镜11。

整机采用模块化设计，将控制组件，光电探测组件、激光器、发射光学组件、接收光学组件和散热组件设计集成为一体，将电源组件单独放置，用线缆与各分系统连接，使得整机结构紧凑。

为了提高激光准直性，设计了大口径光学系统。图5所示，为整个发射光学系统组件，基于伽利略望远镜系统优化设计为4片式结构，包括发射目镜51、发射物镜52、发射物镜53和发射物镜54。为保证整个镜头能精确调焦，在发射目镜和发射物镜组之间的结构设计上采用两段式分离设计，中间设计预留一定厚度的调焦空间，放置调焦垫圈55，垫圈厚度可从加工上采用0.05mm至0.1mm范围的不同规格，可借助CCD和平行光管观察判断，实现精确调焦，这也是本镜头设计的关键工程化技术之一。本光学系统的最大优点在于，通过加大发射口径，在保证有限的长度下，通过优化镜组设计，使得波前像差可达到λ/4波前，且球差也得到较好优化，保证激光经过整个镜组后的光束质量，实现了0.13mrad以内的激光束散角，从而保证了激光测距和激光照射的使用需求。

为了提高激光激光光轴稳定性，本系统中选用了光学快速倾斜镜，其作用就是可快速响应光路的变化，当光轴抖动时，通过控制系统迅速旋转镜片，微调光轴方向，使光轴始终处于可接受的抖动值以内，从而提高激光测照时对目标的指示性能，本设计可满足激光抖动不超过0.03mrad(RMS值)，具备较高的发射光轴稳定性。

同时，沿用以往设计经验，整机仍可实现在常温下连续出光1h以上，在60℃极限温度下连续出光10min以上，可应用于实现空对地目标300m～30km范围的测距测程、20km目标指示的技术指标。

如图1所示，激光器7为激光测照器整机的核心组件，提供激光测距和目标指示所需的光源。电源组件8提供各分系统的供电需求，包括：给激光器中LD泵浦模块提供正常工作所需的电压电流；给控制板、APD组件提供电压电流，保证控制和回光探测部分的稳定工作；给TEC提供必需的电压电流，保证LD泵浦模块的温度恒定；给风扇提供工作所需电压电流，保证风扇可以快速导出热沉上聚集的热量。

控制组件4主要用于实现以下功能：与电源组件通信，控制监测LD驱动电流、TEC驱动电流和风扇工作电压；控制激光器的出光频率；监测LD模块表面温度、TEC热端温度和环境温度；判定温控电源电流和LD电流的工作状态；检测出光脉冲和回光脉冲间的时间差，计算测距距离；与用户通信，实现外触发；与APD通信，控制APD高压和工作温度；对回光信号进行阈值检测；与上位机通信，便于系统调试。

如图2，整个激光器7经过输出镜后，经过一组楔形镜组9，该楔形镜组用于微调激光器出射的激光方向，经过楔形镜后，光路经过45°反射镜10反射后打在光学快速倾斜镜11上，再反射进入发射光学系统1，可实现0.13mrad束散角的激光输出。整个光路单元通过调节俯仰和左右平移量，确保激光出射方向与发射光学系统保持光轴一致性。

本发明激光测照器采用脉冲方式测距，即由激光器出射的一个脉冲激光，触发出光探测器，此时控制系统中的计数器开始工作计时，此脉冲激光经过发射光学系统扩束准直后照射到被测目标，由其表面漫反射形成的回光信号经过接收光学系统聚焦在APD探测器上，探测器探测到光信号后转为电信号，触发计数器停止工作，通过统计计数器内部电路所产生的脉冲个数，即可测出激光往返所用的时间即飞行时间法，换算后获得目标距离，从而实现测距功能。

具体地，出光探测器6通过探测输出激光的漫反射光触发控制电路开始计时。当激光打在目标上，其漫反射回光信号经过接收光学系统2，由其收集从目标反射回来的回光信号，通过优化镜头设计，并在镜头后端放置高截至深度的1064nm窄带滤光片，使回光信号高质量成像会聚在后端回光探测模块APD7的感光面上。回光探测模块7包括雪崩二极管APD和光电信号处理电路板，用于探测由接收光学系统会聚在APD感光面上的回光信号，经过光电信号转换后，触发控制电路停止计时，即完成激光的飞行时间计时，通过换算实现测距。

热控组件3由散热翅片、半导体制冷片TEC和风扇组成，TEC置于散热翅片底部，热端与散热板焊接，冷端与激光器紧贴，TEC通电后可将激光器产生的废热传导至热端，由热端传导至散热翅片，此时风扇根据热端所探测到的温度启动工作，及时将散热器翅片上的热抽离排出，维持激光器恒温，从而保证整机正常工作。散热器的设计是基于本发明中激光器的产生的废热进行模拟仿真，并结合大量的温控高低温试验摸索调整设计出的，为了加快传热，散热翅片采用热导系数更高的铜质材料，但同时考虑到控制重量，散热底板仍然采用铝质材料，经过整机高低温试验，可满足散热和温控要求。另外，在优选示例中，本发明热控系统采用高转速、高风量的航空风机，可瞬间将散热翅片中残余的热量抽离，使得激光器能在60℃高温下仍然能维持恒温工作，达到高温下可连续出光10min、常温条件下可连续出光1h以上。

优选地，激光测照器设计有启动模式、待机模式、测距模式、激光照射模式等4种工作模式。

1)启动模式：加电启动阶段，激光测照器完成加电自检，对主要激光部件进行预冷(或预热)，使之达到正常工作所需的温度。启动阶段所需时间与环境温度有关。在25℃环境温度下，启动时间不超过1分钟。在-40℃或+60℃的极限环境温度条件下，启动时间不超过3分钟。预热(或预冷)完成后，激光器进入待机模式。

2)待机模式：在待机模式下，激光器维持温控状态，处于待测距/照射状态。

3)测距模式：在待机模式(或照射模式)下，激光测照器接收到测距指令后，转变为测距模式。激光器立即按5Hz频率(或其他频率)出光，测距信号探测系统接收目标对激光的反射信号，获取距离信息。测距模式下，上报测距数据频率为5Hz(或其他频率)。

4)激光照射模式：在待机模式(或测距模式)下，激光测照器接收到测距指令后，转变为照射模式，激光器立即按预定频率编码出光，同时给出距离信息。

本发明至少具有如下三大优点：

第一，激光束散角小，具有高准直性。由于采用大口径发射光学系统，将激光器束散角压缩至0.13mrad，且远场光斑均匀，有利于激光测距和目标指示，这项指标对于多数光电吊舱来讲是一项较高的指标，比现有激光测照器产品的典型值0.3mrad提高很多，可应用对小目标或者远程距离目标的测距和指示照射。

第二，激光光轴抖动小，具有高发射光轴稳定性。由于引进自适应光学快速倾斜镜，可迅速调整激光光轴，使之始终保持在0.03mrad的抖动值以内，保证了对目标的定位跟踪精度。

第三，可连续长时间出光。热控系统中散热器基于激光器废热进行设计，在限定尺寸下，增加散热翅片数量以增加散热面积，散热器采用铜质材料，传热快，并且采用高转速、高风量的航空风机，可保证在高温下迅速将激光器中热量抽离出去，使得激光器能在-40℃～60℃温度范围内维持恒温出光，从而保证了整机的长时间连续工作。

需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高准直性和高发射光轴稳定性的机载激光测照器，其特征在于包括：发射光学系统、激光器、楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜；发射光学系统、激光器、楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜被布置成使得激光通过激光器的输出镜发出后，经过楔形镜组以微调激光器出射的激光方向，随后激光光路经过45°反射镜10反射后打在快速倾斜镜上，再反射进入发射光学系统。

2.根据权利要求1所述的机载激光测照器，其特征在于，机载激光测照器上方结构和下方结构，其中上方结构包含：发射光学系统、热控组件、控制组件；下方结构包含接收光学系统、出光探测器、回光探测APD模块和激光器，而且发射光学系统和激光器之间放置楔形镜组、45°反射镜和快速倾斜镜。

3.根据权利要求2所述的机载激光测照器，其特征在于，激光器出射的一个脉冲激光，触发出光探测器以使控制系统中的计数器开始工作计时，脉冲激光经过发射光学系统扩束准直后照射到被测目标，由被测目标表面漫反射形成的回光信号经过接收光学系统聚焦在回光探测APD模块上，回光探测APD模块探测到光信号后转为电信号，触发计数器停止工作，通过统计计数器内部电路所产生的脉冲个数来测出激光往返所用的时间，并换算获得目标距离。

4.根据权利要求1或2所述的机载激光测照器，其特征在于，快速倾斜镜用于在光轴抖动时微调光轴方向。

5.根据权利要求1或2所述的机载激光测照器，其特征在于，发射光学系统包括：发射目镜、发射物镜、发射物镜和发射物镜；发射目镜和发射物镜组之间中间具有用于放置调焦垫圈的调焦空间。

6.根据权利要求5所述的机载激光测照器，其特征在于，调焦垫圈的厚度介于0.05mm至0.1mm的范围。

7.根据权利要求1或2所述的机载激光测照器，其特征在于，激光测照器的工作模式包括启动模式、待机模式、测距模式、激光照射模式；激光测照器在加电时进入启动模式，激光测照器执行加电自检，进行预冷或预热，随后进入待机模式；在待机模下，激光器维持温控状态，处于等待状态；在待机模式或照射模式下，激光测照器接收到测距指令后转变为测距模式以执行测距操作；在待机模式或照射模式下，激光测照器接收到照射指令后转变为照射模式以执行照射操作。

8.根据权利要求1或2所述的机载激光测照器，其特征在于，控制组件用于实现以下功能：与电源组件通信以控制监测LD驱动电流、热控组件的半导体制冷片的驱动电流和风扇工作电压；控制激光器的出光频率；监测电源组件的LD泵浦模块表面温度、热控组件的半导体制冷片的热端温度和环境温度；判定温控电源电流和LD泵浦模块的电流的工作状态；检测出光脉冲和回光脉冲间的时间差，计算测距距离；与用户通信，实现外触发；控制雪崩二极管的高压和工作温度；对回光信号进行阈值检测；与上位机通信以系统调试。

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