CN111722182A - 多孔径激光发射定位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多孔径激光发射定位检测装置及方法，所述装置包括输出模块、成像模块和数据处理模块；所述输出模块用于输出多路激光，对多路激光进行准直，并改变准直激光的发射方向，对其进行扩束，所述输出模块包括：多通道激光源、准直器阵列、偏摆镜阵列和输出镜阵列；所述成像模块用于对所述输出模块输出的多路激光进行聚焦、分路和成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息，所述成像模块包括：聚焦镜、激光分路器和激光成像器；所述数据处理模块用于对所述成像模块获得的采样探测聚焦光斑的图像信息进行运算处理，所述数据处理模块包括图像处理器。本装置可对多孔径激光发射进行定位检测，测量精度可达微米量级，应用广泛。

Description

多孔径激光发射定位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及多路激光的发射及检测领域，更具体而言，本发明涉及一种多孔径激光发射定位检测装置及方法。

背景技术

单台激光器由于其工作介质的非线性效应、热损伤等物理机制的限制，其平均功率和输出能量有限，因此构建模块化的多路激光阵列并对其输出光束进行合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径。近年来多路激光阵列合成技术已经成为激光技术领域的前沿研究热点。同时随着多光束激光收发体制在空间光通信和激光传播工程等方面的应用，阵列激光束的多孔径高精度发射成为了相关应用领域的重点关注问题。

多孔径激光发射需要准确控制各光束的发射方向，使其指向所需的目标方向，从而实现激光阵列在目标处的准确定位。因此在激光应用的工程实践中迫切需要对多孔径发射激光进行快速、有效的高精度定位检测，这在空间激光通信和激光传播工程等应用领域有着极其重要的意义。

如何实现对多孔径发射激光进行快速、有效的高精度定位检测，是一个亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种多孔径激光发射定位检测装置及方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种多孔径激光发射定位检测装置，所述装置包括输出模块、成像模块和数据处理模块；

所述输出模块用于输出多路激光，对多路激光进行准直，并改变准直激光的发射方向，对其进行扩束，所述输出模块包括：

多通道激光源，用于输出多路激光；

准直器阵列，包括多个准直器单元，用于将所述多通道激光源输出的多路激光进行准直，以获得多路准直激光；

偏摆镜阵列，包括多个偏摆镜单元，改变所述多路准直激光的发射方向；

输出镜阵列，包括多个输出镜单元，用于对经由所述偏摆镜阵列的各路输出激光进行扩束；

所述成像模块用于对所述输出模块输出的多路激光进行聚焦、分路和成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息，所述成像模块包括：

聚焦镜，用于对所述输出镜阵列输出的多路激光进行聚焦；

激光分路器，用于对所述聚焦镜聚焦的激光进行分路，以获得采样探测激光；

激光成像器，用于对所述激光分路器获得的采样探测激光进行成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息；

所述数据处理模块用于对所述成像模块获得的采样探测聚焦光斑的图像信息进行运算处理，所述数据处理模块包括：

图像处理器，用于对所述激光成像器获得的图像信息进行运算处理，以获得用于激光发射定位检测的数据。

在一些实施例中，所述输出模块还包括：

指向控制器，用于产生控制信号并输出至所述偏摆镜阵列，指向控制器与所述偏摆镜阵列相连接；

所述数据处理模块还包括：

输出显示器，用于对所述图像处理器获得的用于激光发射定位检测的数据进行显示输出。

在一些实施例中，所述偏摆镜阵列的偏摆镜单元采用以下的一种或多种：电控平面反射镜、反射式或透射式的液晶光束偏摆镜；

所述指向控制器采用与所述偏摆镜单元相对应的控制器，并输出相应的控制信号至偏摆镜阵列，以使得各路激光的采样探测聚焦光斑均位于激光成像器的有效感光面上，且任意两个采样探测聚焦光斑的间隔距离大于这两个光斑的半径之和。

在一些实施例中，所述多通道激光源是多台独立的激光器或是由一台激光器进行多个通道分路实现的。

在一些实施例中，所述准直器阵列与多通道激光源的接口采用机械适配器连接或采用光纤熔接连接；

所述准直激光的直径小于相应的偏摆镜单元的有效光束口径。

在一些实施例中，所述输出镜阵列的每个输出镜单元包括一片或多片球面镜和/或一片或多片非球面镜，各输出镜单元之间采用圆形、正六边形或矩形的排布方式。

在一些实施例中，所述激光分路器为楔形镜组或立方棱镜，其材料为石英玻璃或K9玻璃，所述激光分路器的镜面通过镀增透膜来提高激光的透过率。

在一些实施例中，所述激光成像器采用对应多通道激光源波长的面阵成像器件，所述器件的单元像素尺寸小于单孔径激光聚焦光斑半径；

所述图像处理器采用计算机、单片机或数字图像处理器。

在一些实施例中，所述图像处理器，用于对所述激光成像器获得的图像信息进行运算处理，包括：

计算采样探测聚焦光斑的质心位置，包括：基于获得的光束横截面的光强计算短曝光采样探测聚焦光斑的质心位置；

基于预定时间内多次短曝光的光强矩阵获得每幅单帧图像的光斑质心坐标，对多个质心形成的质心矩阵求质心，以获得预定时间内激光指向抖动特性；

基于预定时间内长曝光的光强矩阵，获得该时间段内的聚焦光斑质心位置，所述长曝光的光强矩阵是基于对多幅单帧图像光强矩阵积分求和再求平均值而得到的；

计算采样探测聚焦光斑的半径，包括：基于获得的光束横截面的光强和所述短曝光采样探测聚焦光斑的质心位置计算得到采样探测聚焦光斑在x轴和y轴的半径，并得到采样探测聚焦光斑近似圆半径值。

根据本发明的另一方面，还提出了一种多孔径激光发射定位检测方法，所述方法包括如下步骤：

开启多通道激光源，输出多路激光；

利用准直器阵列对多路激光进行准直，以获得多路准直激光，并使其入射到相应的偏摆镜阵列上；

由指向控制器产生控制信号，来控制偏摆镜阵列的多个偏摆镜单元，以调整多路准直激光的发射方向；

由输出镜阵列对经由偏摆镜阵列的多路准直激光进行扩束；

调整聚焦镜对扩束后的多路发射激光进行聚焦；

调整激光分路器对聚焦激光进行采样，以获得多路采样探测激光；

调整激光成像器使其位于多路采样探测激光的聚焦平面位置，以获得多个聚焦光斑图像；

由图像处理器对聚焦光斑图像信息进行运算处理。

本发明实施例的多孔径激光发射定位检测装置及方法，可对多路发射激光进行聚焦探测，通过对聚焦光斑图像信息进行计算处理，可实现多孔径激光不同功率水平、发射时长、发射状态的高精度数字化检测，处理速度快、检测精度高、应用广泛。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例中多孔径激光发射定位检测装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例中三孔径激光发射定位检测装置的结构示意图。

图3为本发明一实施例中多孔径激光发射定位检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

本发明实施例的多孔径激光发射定位检测装置及方法，能够准确控制各束发射激光的发射方向，使其指向所需的目标方向，并通过对各束发射激光在特定位置的光斑质心、光斑半径等参量进行测量，确定多孔径激光的发射状态，从而实现激光阵列在目标处的准确定位，实现对多孔径激光不同功率水平、发射时长、发射状态的高精度数字化检测，该装置处理速度快、检测精度高，具有广泛的应用。

图1为本发明一实施例中多孔径激光发射定位检测装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例中的多孔径激光发射定位检测装置包括输出模块、成像模块和数据处理模块；

所述输出模块用于输出多路激光，对多路激光进行准直，并改变准直激光的发射方向，对其进行扩束，所述输出模块包括多通道激光源1、准直器阵列2、偏摆镜阵列3、输出镜阵列5；

多通道激光源1，用于输出多路激光。

准直器阵列2，包括多个准直器单元(图中未示出)，用于将所述多通道激光源1输出的多路激光进行准直，以获得多路准直激光。

偏摆镜阵列3，包括多个偏摆镜单元(图中未示出)，改变所述多路准直激光的发射方向。

输出镜阵列5，包括多个输出镜单元(图中未示出)，用于对经由所述偏摆镜阵列3的各路输出激光进行扩束。

所述成像模块用于对所述输出模块输出的多路激光进行聚焦、分路和成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息，所述成像模块包括聚焦镜6、激光分路器7、激光成像器8；

聚焦镜6，用于对所述输出镜阵列5输出的多路激光进行聚焦；

激光分路器7，用于对所述聚焦镜6聚焦的激光进行分路，以获得采样探测激光；

激光成像器8，用于对所述激光分路器7获得的采样探测激光进行成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息。

所述数据处理模块用于对所述成像模块获得的采样探测聚焦光斑的图像信息进行运算处理，所述数据处理模块包括：图像处理器9。

图像处理器9，用于对所述激光成像器8获得的图像信息进行运算处理，以获得用于激光发射定位检测的数据。

本发明提供的多孔径激光发射定位检测装置能对多路发射激光进行聚焦探测，通过对聚焦光斑的图像信息进行计算处理，来实现激光的定位检测。具体地，准直器阵列2对多通道激光源1输出的多路激光进行准直，获得准直激光束，准直激光束入射到偏摆镜阵列3上，偏摆镜阵列3在二维方向上改变各路准直激光的发射方向，输出镜阵列5对偏摆镜阵列3的各路输出激光进行扩束，聚焦镜6对输出镜阵列5输出的多路激光进行聚焦，激光分路器7对聚焦镜6聚焦的激光进行分路，从而获得适当功率的采样探测激光，使采样探测激光在激光成像器8上进行成像，并获得采样探测聚焦光斑的图像信息，图像处理器9对激光成像器8获得的图像信息进行运算处理，获得用于激光发射定位检测的数据。

本发明实施例的多孔径激光发射定位检测装置，通过对多路输出激光进行准直、扩束、聚焦、分路一系列的操作，使多路输出激光能够在激光成像器8形成聚焦光斑，并获得聚焦光斑的图像信息，并通过对各束发射激光在特定位置的光斑质心、光斑半径等参量进行测量计算，进而确定多孔径激光的发射状态。该装置可同时检测多路激光发射的定位性能，便于路数扩展，适用于多孔径激光不同功率水平、发射时长、发射状态的检测，测量精度高，可达到微米级。

在一些实施例中，多孔径激光发射定位检测装置的输出模块还包括：指向控制器4，用于产生控制信号并输出至所述偏摆镜阵列3，指向控制器4与所述偏摆镜阵列3相连接。

指向控制器4输出激光指向控制信号给偏摆镜阵列3，以控制偏摆镜阵列3的各个偏摆单元；偏摆镜阵列3接收来自指向控制器4的控制信号，并基于接收的控制信号改变由所述准直器阵列2获得的多路准直激光的发射方向。

在一些实施例中，多孔径激光发射定位检测装置的数据处理模块还包括：输出显示器10，用于对所述图像处理器9获得的用于激光发射定位检测的数据进行显示输出。

在一些实施例中，偏摆镜阵列3由多个偏摆镜单元组成，每个偏摆镜单元可采用以下的一种或多种：电控平面反射镜、反射式或透射式的液晶光束偏摆镜；指向控制器4采用与所述偏摆镜单元相对应的控制器，并输出相应的控制信号，以使得各路激光的采样探测聚焦光斑均位于激光成像器8的有效感光面上，且任意两个采样探测聚焦光斑的间隔距离大于这两个光斑的半径之和。由于每一种偏摆镜单元都有其对应的控制器，所以控制器种类的选择基于偏摆镜单元种类的选择。另外，在有些情况下，一个偏摆镜单元需要不止一个控制器来对其进行控制，所以，控制器数目的选择要基于偏摆镜单元需要的控制器的数目进行选择。作为示例，一个三孔径激光发射定位检测装置的偏摆镜阵列3由三个偏摆镜单元组成，每个偏摆镜单元为一个反射式压电快速偏摆镜，偏摆镜阵列3基于接收的来自指向控制器4的指向控制信号来改变准直器阵列2输出的并经由偏摆镜阵列3的各路准直激光的发射角度。

指向控制器4控制偏摆镜阵列3的偏摆镜单元，分别调整各路激光的发射方向，使各路激光的采样探测聚焦光斑均位于激光成像器8的有效感光面上，且任意两个聚焦光斑的间隔距离大于这两个光斑的半径之和。

在一些实施例中，多通道激光源1可以由多台独立的激光器实现，也可以由一台激光器进行多个通道分路实现，输出相对应的多路激光。作为示例，一个三孔径激光发射定位检测装置中的多通道激光源1为三通道激光源，其三通道激光源可以是由三台独立的激光器来输出三路激光，也可以是由一台激光器进行三通道分路来输出三路激光。

在一些实施例中，准直器阵列2由多个准直器单元组成，每个准直器单元可由一片或多片的球面镜或非球面镜实现。准直器阵列2与多通道激光源1之间的接口，可采用机械适配器连接，也可采用光纤熔接连接。作为示例，一个三孔径激光发射定位检测装置的准直器阵列2由三个准直器单元组成，每个准直器单元由一片球面镜实现，分别对多通道激光源1输出的三路激光进行准直，准直激光入射至偏摆镜阵列3上。其准直器阵列2与多通道激光源1之间的接口通过一个光纤输出端帽及机械适配器连接。

准直器阵列2将多路激光分别进行准直，各准直光束分别入射到偏摆镜阵列3的各偏摆镜单元的中心位置，且准直光束直径小于偏摆镜单元有效光束口径。

在一些实施例中，输出镜阵列5由多个输出镜单元组成，每个输出镜单元由多片球面镜或非球面镜组合实现，各输出镜单元之间可采用圆形、正六边形或矩形排布方式，具体的排布方式可根据实际需要来定。

在一些实施例中，聚焦镜6为长焦聚焦镜，可采用透射式或反射式，材料可采用石英玻璃或K9玻璃等，但不限于上述材料；聚焦镜6的通光表面镀相应激光波长的增透膜或高反射膜，以提高激光通过率。作为示例，聚焦镜6可采用透射式长焦非球面镜，双侧通光面镀对应于多通道激光源1波长的增透膜，对激光进行聚焦，例如多通道激光源1是1.06μm波长的激光器，那么此聚焦镜双侧通光面镀1.06μm波长的增透膜来对激光进行聚焦。

在一些实施例中，激光分路器7可采用楔形镜组或立方棱镜实现，材料可使用石英玻璃或K9玻璃，镜面镀增透膜以提高透过率，同时应避免多镜面反射对采样激光成像造成干扰；根据发射激光的功率情况，可适当改变透过率或加装功率衰减器。由于激光成像器8所能承受的功率范围有限，如果激光的功率过高，则会损坏激光成像器8，所以由激光分路器7对聚焦激光进行分路，以获得适当功率的采样探测激光，使其在激光成像器8上进行成像。当由激光分路器7分路后获得的激光功率仍然很大(超过了激光成像器8的承受功率范围)时，可适当在激光分路器7与激光成像器8之间加装功率衰减器，以减小激光的功率，使得分路激光在激光成像器8所能承受的功率范围内。作为示例，激光分路器7可采用偏振不相关的立方棱镜，各通光面镀对应于多通道激光源1波长的激光增透膜，对激光进行分路，例如多通道激光源1是1.06μm波长的激光器，那么此激光分路器7各通光面镀1.06μm波长的激光增透膜来对激光进行分路。

在一些实施例中，激光成像器8采用对应多通道激光源1波长的面阵成像器件，其单元像素尺寸应小于单孔径激光聚焦光斑半径。

在一些实施例中，图像处理器9可采用计算机、单片机或数字图像处理器(DSP)实现，对激光成像器8获得的图像信息进行运算处理，包括：

计算采样探测聚焦光斑的质心位置，包括：基于获得的光束横截面的光强计算短曝光采样探测聚焦光斑的质心位置；

基于预定时间内多次短曝光的光强矩阵获得每幅单帧图像的光斑质心坐标，对多个质心形成的质心矩阵求质心，以获得预定时间内激光指向抖动特性；

基于预定时间内长曝光的光强矩阵，获得该时间段内的聚焦光斑质心位置，所述长曝光的光强矩阵是基于对多幅单帧图像光强矩阵积分求和再求平均值而得到的。

计算采样探测聚焦光斑的半径，包括：基于获得的光束横截面的光强和所述短曝光采样探测聚焦光斑的质心位置计算得到采样探测聚焦光斑在x轴和y轴的半径，并得到采样探测聚焦光斑近似圆半径值。

具体来说，图像处理器9可对激光成像器8输出的单帧图像进行处理，也可对多帧图像进行叠加处理；可对单帧或多帧图像进行聚焦光斑数据计算与分析。根据计算得到的信息可对多孔径发射激光的定位精度、重复精度、指向稳定性等特性进行检测。

由于在激光定位检测中，我们关心的主要性能通常都是与聚焦光斑的质心位置和光斑半径相关联的，所以下面将对多孔径激光发射聚焦光斑的质心位置和光斑半径计算的原理具体说明。

(1)对聚焦光斑的质心位置坐标进行计算：

用单帧图像计算短曝光聚焦光斑位置。本发明实施例中将光束横截面上的光强表示为I(x,y,z)，则光束总功率P可表示为如下所示：

则z处的质心位置坐标为

其中：

用多帧图像叠加计算长曝光光斑的质心位置。具体为：将多幅单帧图像(记为M帧图像)光强矩阵积分求和，然后再求平均，其结果作为长曝光的光强矩阵，记为I'(x,y,z)，则I'(x,y,z)的表示如下所示：

其中I_i(x,y,z)为第i帧图像的光强矩阵，i＝1,2...M。

为检测长时间激光发射定位抖动，可通过一定时间内采集M帧图像，计算每幅图的光斑质心坐标

将M个质心形成的质心矩阵记为

对

再次求质心，如下所示：

基于上述数据能够获得一定时间内激光指向抖动光斑的质心位置

从而也可进一步计算每帧图像的光斑质心

相对于抖动光斑质心

的距离。

本发明实施例提供的方法可以通过计算得到由激光成像器输出的单帧图像的聚焦光斑的质心位置坐标，也可得到由激光成像器输出的多帧图像的聚焦光斑的质心位置坐标。但是本发明不限于此，可采用不同方法进行计算。

(2)对聚焦光斑的半径进行计算。

将聚焦光斑半径记为r_σx、r_σy，则r_σx、r_σy可表示为：

r_σx(z)＝2σ_x(z)；

r_σy(z)＝2σ_y(z)；

其中，σ_x(z)、σ_y(z)根据以下公式进行计算：

则光斑近似圆半径r_σ(z)可表示为：

上述方法为本发明实施例提供的一种对聚焦光斑半径及光斑近似圆半径的算法，作为示例，本发明实施例还提供了一种方法，在下述方法中，取光强下降为峰值的1/e²处为光斑的边界。具体方法为：

在光强矩阵中寻找光强最大值点，并将其表示为I_max；

将光强矩阵中所有不小于光强最大值1/e²的点，表示为

并基于对光强矩阵中任一点的光强I(x,y)和I_max值的比较，来确定

的值。判断依据为：当I(x,y)≥I_max时，

当I(x,y)<I_max时，

对

表示的图像矩阵求二阶矩，计算光斑半径

基于得到的光斑半径，再基于如下公式来计算临界值的光斑近似圆半径

通过上述方法计算可得到短曝光、长曝光、长时间发射定位抖动情况下聚焦光斑的质心及半径变化情况，从而实现多孔径激光发射定位检测。上述方法均是本发明提供的示例，但是本发明并不限于此，还可根据具体情况采用其它方法来进行计算。

在一些实施例中，图像处理器9的运算结果及聚焦光斑图像通过输出显示器10进行显示。

本发明实施例提供的多孔径激光发射定位检测装置，能对多孔径发射激光进行快速、有效的高精度定位检测；并通过对各束发射激光在特定位置的光斑质心、光斑半径等参量进行测量计算，进而确定多孔径激光的发射状态，这在空间激光通信和激光传播工程等应用领域有着极其重要的意义。该多孔径激光发射定位检测装置的优点为：可实现发射激光定位参量的高精度数字化检测，测量精度可达微米量级；可同时检测多路激光发射的定位性能，便于路数扩展；该装置适用于多孔径激光不同功率水平、发射时长、发射状态的检测，应用广泛。

在本发明的另一实施例中，提供了一种三孔径激光发射定位检测装置，图2为本发明一实施例中三孔径激光发射定位检测装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括输出模块、成像模块和数据处理模块；

输出模块用于输出多路激光，对多路激光进行准直，并改变准直激光的发射方向，对其进行扩束，所述输出模块包括多通道激光源1、准直器阵列2、偏摆镜阵列3、指向控制器4、输出镜阵列5；

多通道激光源1，用于输出三路激光。

准直器阵列2，包括三个准直器单元，用于将所述多通道激光源1输出的三路激光进行准直，以获得三路准直激光。

偏摆镜阵列3，包括三个偏摆镜单元，改变所述三路准直激光的发射方向。

指向控制器4，用于产生控制信号并输出至所述偏摆镜阵列3，指向控制器与所述偏摆镜阵列3相连接；

输出镜阵列5，包括三个输出镜单元，用于对经由所述偏摆镜阵列3的各路输出激光进行扩束。

成像模块用于对所述输出模块输出的多路激光进行聚焦、分路和成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息，所述成像模块包括聚焦镜6、激光分路器7、激光成像器8；

聚焦镜6，用于对所述输出镜阵列5输出的三路激光进行聚焦；

激光分路器7，用于对所述聚焦镜6聚焦的激光进行分路，以获得采样探测激光；

激光成像器8，用于对所述激光分路器7获得的采样探测激光进行成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息。

数据处理模块用于对所述成像模块获得的采样探测聚焦光斑的图像信息进行运算处理，所述数据处理模块包括图像处理器9和输出显示器10。

图像处理器9，用于对所述激光成像器8获得的图像信息进行运算处理，以获得用于激光发射定位检测的数据。

输出显示器10，用于对所述图像处理器9获得的用于激光发射定位检测的数据进行显示输出。

在此三孔径激光发射定位检测装置中，多通道激光源1是一个三通道激光源，该三通道激光源由三台1.06μm波长的独立激光器实现，可输出三路激光，且每路激光通过一个光纤输出端帽及机械适配器与准直器阵列2连接。

准直器阵列2由三个准直器单元组成，每个准直器单元由一片球面镜实现，分别将多通道激光源1输出的三路激光进行准直，各准直光束分别入射到偏摆镜阵列3的各偏摆镜单元的中心位置，且准直光束直径小于偏摆镜单元有效光束口径。

偏摆镜阵列3由三个偏摆镜单元组成，每个偏摆镜单元为一个反射式压电快速偏摆镜，基于接收的来自指向控制器4的激光指向控制信号，在二维方向上改变各路准直激光的发射角度。

指向控制器4采用与偏摆镜阵列3的偏摆镜单元对应的控制器，指向控制器4输出压电快速偏摆镜的驱动控制信号至偏摆镜阵列3，精确控制偏摆镜阵列3的各个偏摆镜单元，调整各路激光的发射方向，使各路激光的采样探测聚焦光斑均位于激光成像器8的有效感光面上，且任意两个聚焦光斑的间隔距离大于这两个光斑的半径之和。

输出镜阵列5由三个输出镜单元组成，每个输出镜单元包含了多片非球面石英透镜，对各路输出激光进行扩束。

聚焦镜6采用透射式长焦非球面镜，双侧通光面镀1.06μm波长的增透膜，以提高激光通过率，从而对输出镜阵列5输出的三路输出激光进行聚焦。

激光分路器7采用偏振不相关的立方棱镜，各通光面镀1.06μm波长激光增透膜，以提高激光透过率，从而对聚焦激光进行分路，获得适当功率的采样探测激光，使其在激光成像器8上进行成像。

激光成像器8采用近红外CCD对采样探测激光进行成像，获得聚焦光斑的图像信息。

图像处理器9采用台式计算机，通过数据线缆接收激光成像器8发送的聚焦光斑的图像信息，并对其进行运算处理，以获得激光发射定位检测所需的各项数据。

输出显示器10对聚焦光斑图像和发射定位检测的各项数据进行显示输出。

此实施例中提供的三孔径激光发射定位检测装置，其定位检测精度可达1μm，实现了对发射激光定位参量的高精度数字化检测。

本发明实施例还提供了一种多孔径激光发射定位检测方法，图3为本发明一实施例中多孔径激光发射定位检测方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤S110：开启多通道激光源，输出多路激光；

步骤S120：利用准直器阵列对多路激光进行准直，以获得多路准直激光，并使其入射到相应的偏摆镜阵列上；

步骤S130：由指向控制器产生控制信号，来控制偏摆镜阵列的多个偏摆镜单元，以调整多路准直激光的发射方向；

步骤S140：由输出镜阵列对经由偏摆镜阵列的多路准直激光进行扩束；

步骤S150：调整聚焦镜对扩束后的多路发射激光进行聚焦；

步骤S160：调整激光分路器对聚焦激光进行采样，以获得多路采样探测激光；

步骤S170：调整激光成像器使其位于多路采样探测激光的聚焦平面位置，以获得多个聚焦光斑图像；

步骤S180：由图像处理器对聚焦光斑图像信息进行运算处理。

在此方法中，准直器阵列将多通道激光源输出的多路激光进行准直，使各准直光束分别入射到相应的各偏摆镜单元的中心位置，且准直光束直径小于偏摆镜单元有效光束口径。指向控制器控制偏摆镜阵列的多个偏摆镜单元，调整各路激光的发射方向，使各路激光的采样探测聚焦光斑均位于激光成像器的有效感光面上，且任意两个聚焦光斑的间隔距离大于这两个光斑的半径之和。通过对多路激光进行扩束、聚焦和分路操作，使多路激光能够在激光成像器上进行成像形成聚焦光斑，并获得采样探测聚焦光斑的图像信息。图像处理器对激光成像器输出的单帧图像进行处理，也可对多帧图像进行叠加处理；可对单帧或多帧图像进行聚焦光斑数据计算与分析，从而实现多孔径激光发射定位检测。由于多孔径激光发射聚焦光斑的质心位置和光斑半径计算的原理前面已详细说明，在此不再赘述。

本发明实施例提供的多孔径激光发射定位检测方法能对多路发射激光进行聚焦探测，通过对聚焦光斑的图像信息进行计算处理，来实现激光的定位检测，该方法的测量精度高，可达到纳米级。

本发明设计的多孔径激光发射定位检测装置及方法，能够准确控制各束发射激光的发射方向，使其指向所需的目标方向，并通过对各束发射激光在特定位置的光斑质心、光斑半径等参量进行测量计算，能确定多孔径激光的发射状态，从而实现激光阵列在目标处的准确定位，实现对发射激光定位参量的高精度数字化检测，测量精度可达微米量级；本发明可同时检测多路激光发射的定位性能，便于路数扩展；本发明适用于多孔径激光不同功率水平、发射时长、发射状态的检测，应用广泛。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，所述装置包括输出模块、成像模块和数据处理模块；

所述输出模块用于输出多路激光，对多路激光进行准直，并改变准直激光的发射方向，对其进行扩束，所述输出模块包括：

多通道激光源，用于输出多路激光；

准直器阵列，包括多个准直器单元，用于将所述多通道激光源输出的多路激光进行准直，以获得多路准直激光；

偏摆镜阵列，包括多个偏摆镜单元，改变所述多路准直激光的发射方向；

输出镜阵列，包括多个输出镜单元，用于对经由所述偏摆镜阵列的各路输出激光进行扩束；

所述成像模块用于对所述输出模块输出的多路激光进行聚焦、分路和成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息，所述成像模块包括：

聚焦镜，用于对所述输出镜阵列输出的多路激光进行聚焦；

激光分路器，用于对所述聚焦镜聚焦的激光进行分路，以获得采样探测激光；

激光成像器，用于对所述激光分路器获得的采样探测激光进行成像，以获得采样探测聚焦光斑的图像信息；

所述数据处理模块用于对所述成像模块获得的采样探测聚焦光斑的图像信息进行运算处理，所述数据处理模块包括：

图像处理器，用于对所述激光成像器获得的图像信息进行运算处理，以获得用于激光发射定位检测的数据。

2.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，

所述输出模块还包括：

指向控制器，用于产生控制信号并输出至所述偏摆镜阵列，指向控制器与所述偏摆镜阵列相连接；

所述数据处理模块还包括：

输出显示器，用于对所述图像处理器获得的用于激光发射定位检测的数据进行显示输出。

3.根据权利要求2所述多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，

所述偏摆镜阵列的偏摆镜单元采用以下的一种或多种：电控平面反射镜、反射式或透射式的液晶光束偏摆镜；

所述指向控制器采用与所述偏摆镜单元相对应的控制器，并输出相应的控制信号至偏摆镜阵列，以使得各路激光的采样探测聚焦光斑均位于激光成像器的有效感光面上，且任意两个采样探测聚焦光斑的间隔距离大于这两个光斑的半径之和。

4.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，所述多通道激光源是多台独立的激光器或是由一台激光器进行多个通道分路实现的。

5.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，所述准直器阵列与多通道激光源的接口采用机械适配器连接或采用光纤熔接连接；

所述准直激光的直径小于相应的偏摆镜单元的有效光束口径。

6.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，所述输出镜阵列的每个输出镜单元包括一片或多片球面镜和/或一片或多片非球面镜，各输出镜单元之间采用圆形、正六边形或矩形的排布方式。

7.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，所述激光分路器为楔形镜组或立方棱镜，其材料为石英玻璃或K9玻璃，所述激光分路器的镜面通过镀增透膜来提高激光的透过率。

8.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，

所述激光成像器采用对应多通道激光源波长的面阵成像器件，所述器件的单元像素尺寸小于单孔径激光聚焦光斑半径；

所述图像处理器采用计算机、单片机或数字图像处理器。

9.根据权利要求1所述的多孔径激光发射定位检测装置，其特征在于，所述图像处理器，用于对所述激光成像器获得的图像信息进行运算处理，包括：

计算采样探测聚焦光斑的质心位置，包括：基于获得的光束横截面的光强计算短曝光采样探测聚焦光斑的质心位置；

基于预定时间内多次短曝光的光强矩阵获得每幅单帧图像的光斑质心坐标，对多个质心形成的质心矩阵求质心，以获得预定时间内激光指向抖动特性；

基于预定时间内长曝光的光强矩阵，获得该时间段内的聚焦光斑质心位置，所述长曝光的光强矩阵是基于对多幅单帧图像光强矩阵积分求和再求平均值而得到的；

计算采样探测聚焦光斑的半径，包括：基于获得的光束横截面的光强和所述短曝光采样探测聚焦光斑的质心位置计算得到采样探测聚焦光斑在x轴和y轴的半径，并得到采样探测聚焦光斑近似圆半径值。

10.一种多孔径激光发射定位检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

开启多通道激光源，输出多路激光；

利用准直器阵列对多路激光进行准直，以获得多路准直激光，并使其入射到相应的偏摆镜阵列上；

由指向控制器产生控制信号，来控制偏摆镜阵列的多个偏摆镜单元，以调整多路准直激光的发射方向；

由输出镜阵列对经由偏摆镜阵列的多路准直激光进行扩束；

调整聚焦镜对扩束后的多路发射激光进行聚焦；

调整激光分路器对聚焦激光进行采样，以获得多路采样探测激光；

调整激光成像器使其位于多路采样探测激光的聚焦平面位置，以获得多个聚焦光斑图像；

由图像处理器对聚焦光斑图像信息进行运算处理。

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