CN112711143A - 一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，包括激光器、分束器、一级扩束系统、二级扩束系统、精跟踪成像子系统；激光器发出的激光经过分束器反射后，依次由两级扩束系统的扩束后聚焦至目标；目标反射的光线依次经过两级扩束系统返回，并穿过分束器，由精跟踪成像子系统聚焦成像；一级扩束系统包括调焦目镜和固定目镜组成的透射式系统；二级扩束系统包括凸面反射镜和凹面反射镜组成的反射式系统；本发明采用两级扩束，避免了传统离轴反射式扩束系统次镜进行调焦造成的聚焦光束偏离中心光轴；精跟踪成像子系统和两级扩束系统完全共孔径设计，避免了激光聚焦调整过程中光学系统发生失调现象时所带来的激光发射轴与瞄准轴偏离。

Description

一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统
技术领域
本发明涉及激光光束控制领域，尤其涉及一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统。
背景技术
由于高能量激光器具有能量密度高、方向性好、单色性好、传输速度快等优点，在军事及民生等领域都有广泛的应用。近年来，高能量激光器的发展日新月异，使得激光的应用进一步拓展，在制造业、保健医疗、智能电网和军事侦查等方面都有比较广泛的应用。高能激光发射与跟踪瞄准系统就是其中的典型应用，其主要工作原理利用自有的激光设备，将高能量光束扩束，通过光束发射控制定向传输聚焦至目标上，使之受到干扰，压制，同时精跟踪瞄准系统能够对目标进行有效的闭环跟踪瞄准，具有精度高、抗电磁干扰能力强、效费比高等优点。这种工作方式也决定了高能激光系统中的激光发射系统与精跟踪成像系统必须具备极高的共轴性，以满足对目标所需的跟踪精度和瞄准精度要求。
同时，针对新形势下的应用需求，提出了高精度跟踪、超远激光作用距离以及方位角n×360°全向扫描的技术要求，引申出扩束倍率大、跟踪瞄准精度要求高以及超长的穿轴导光光程的技术难点。而现有的激光发射系统不能满足上述要求，无法适应当前搭载平台的应用需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，实现激光在不同距离的高精度聚焦。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，包括激光器、分束器、一级扩束系统、二级扩束系统、精跟踪成像子系统；
所述激光器发出的激光经过所述分束器反射后，依次由所述一级扩束系统和所述二级扩束系统的扩束后聚焦至目标；
所述目标反射的光线依次经过所述二级扩束系统和所述一级扩束系统返回，并穿过所述分束器，由所述精跟踪成像子系统聚焦成像；
所述一级扩束系统包括调焦目镜和固定目镜，所述调焦目镜是可轴向移动的凹透镜，所述固定目镜是凸透镜；所述激光器发出的激光依次通过所述调焦目镜和所述固定目镜进行第一次扩束；
所述二级扩束系统包括凸面反射镜和凹面反射镜；所述激光器发出的激光依次通过所述凸面反射镜和所述凹面反射镜反射后完成第二次扩束。
本发明的有益效果是：采用两级扩束的方案，解决了传统离轴反射式扩束系统次镜进行调焦造成的聚焦光束偏离中心光轴的问题，适用于对不同作用距离目标的应用需求；并且精跟踪成像子系统和两级扩束系统完全共孔径设计，克服了激光聚焦调整过程中光学系统发生失调现象时所带来的激光发射轴与瞄准轴偏离的问题，保证了系统光轴各种工况下的一致性，大大提高了激光使用效能。
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，所述高能激光发射跟踪瞄准系统还包括光轴校准反射元件和校准快反镜；所述激光器发出的一部分激光穿过所述分束器，经所述光轴校准反射原件反射后回到所述分束器，再由所述分束器反射后达到所述精跟踪成像子系统，对激光光轴进行检测；所述校准快反镜设置在所述激光器和所述分束器之间的光路上。
采用上述进一步方案的有益效果是：当激光光轴存在偏差时，则激光汇聚点偏离精跟踪子成像系统靶面中心，通过调整校准快反镜可使得汇聚点与靶面中心重合，保证了激光器输出激光和精跟踪成像子系统光轴的同轴性。
进一步，所述光轴校准反射原件是角锥棱镜。
采用上述进一步方案的有益效果是：更有利于光束沿原方向返回，降低装调精度。
进一步，所述精跟踪成像子系统包括成像透镜和靶面；所述光线经过所述成像透镜聚焦后，在所述靶面上成像。
进一步，所述精跟踪成像子系统和所述分束器之间的光路上设置有可更换的滤光片，根据所述精跟踪成像子系统的不同工作状态更换不同的滤光片。
采用上述进一步方案的有益效果是：当精跟踪成像子系统进行光轴校准时，切入合适的窄带滤光片，可以避免外界成像干扰，使得探测器靶面仅有激光光斑，便于光轴校准；当精跟踪成像子系统成像时，切入合适截止波长的高透成像宽谱段的滤光片，可以消除高能量激光杂散光的影响，提高精跟踪成像系统对目标信息的获取精度。
进一步，所述分束器和所述二级扩束系统之间的光路上设置有精跟踪快反镜。
采用上述进一步方案的有益效果是：能克服目标运动特性以及各种环境干扰因素对跟踪瞄准的影响，实现在一定时间内对目标的高精度瞄准，保证高能激光发射的后毁伤效果。
进一步，所述高能激光发射跟踪瞄准系统还包括下部方舱和上部俯仰体；所述下部方舱和所述上部俯仰体通过方位轴转动连接；所述激光器、所述分束器、所述一级扩束系统、所述精跟踪成像子系统安装在所述下部方舱内；所述精跟踪快反镜、所述二级扩束系统安装在所述上部俯仰体内；所述激光平行于所述方位轴的轴向穿过所述方位轴。
采用上述进一步方案的有益效果是：克服了传统级联方式数据传输、控制线缆等在方位轴旋转过程中互相纠缠、干涉的问题，解决了方位轴n×360°旋转扫描的技术难点。
附图说明
图1为本发明一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统的结构示意图；
图2为本发明一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统的一级扩束系统的结构示意图；
图3为本发明一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统的光轴校准的原理示意图；
图4为本发明一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统的精跟踪成像系统全色光点列图；
图5为本发明一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统的精跟踪成像系统MTF曲线图；
图6为本发明一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统的两级扩束拼接后总扩束系统的MTF曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、校准快反镜，3、分束器，4、一级扩束系统，41、调焦目镜，42、固定目镜，5、精跟踪快反镜，6、二级扩束系统，61、凸面反射镜，62、凹面反射镜，7、精跟踪成像子系统，71、成像透镜，72、靶面，73、滤光片，8、光轴校准反射原件，91、下部方舱，92、方位轴，93、上部俯仰体。
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。
如图1所示，一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，包括下部方舱91、方位轴92、上部俯仰体93，方位轴92可转动地连接下部方舱91的顶部和上部俯仰体93的底部，使上部俯仰体93可以水平地n×360°转动。
下部方舱91内安装有激光器1、校准快反镜2、分束器3和一级扩束系统4、精跟踪成像子系统7、光轴校准反射原件8。激光器1向上发出高能激光，经校准快反镜2反射后水平射入分束器3。其中激光的99.9％的能量都被分束器3上反射进入后续的一级扩束系统4。剩余的约0.1％的能量透射过分束器3，入射到光轴校准反射原件8。
如图3所示，约0.1％的能量的激光被光轴校准反射原件8反射后，再次入射到分束器3，并被分束器3反射至精跟踪成像子系统7。精跟踪成像子系统7包括成像透镜71和靶面72，成像透镜71将激光汇聚在靶面72上。若激光汇聚点位于靶面72中心，则说明激光光轴不存在偏差；若激光汇聚点偏离靶面72中心，则说明激光光轴存在偏差。通过校准快反镜2可使得汇聚点与靶面72中心重合，保证了激光器1输出激光和精跟踪成像子系统7光轴的同轴性。在本实施例中，光轴校准反射原件8为反射镜。优选的，光轴校准反射原件8可以选用角锥棱镜，更有利于光束沿原方向返回，降低装调精度。
99.9％的能量的激光被一级扩束系统4扩束后，竖直射入方位轴92，并平行于方位轴92的轴向进入上部俯仰体93。如图2所示，一级扩束系统4包括调焦目镜41和固定目镜42。调焦目镜41是可轴线移动的凹透镜，固定目镜42是固定不动的凸透镜，调焦目镜41和固定目镜42组成透射式的扩束系统。激光进入一级扩束系统4后，先经过调焦目镜41发散后，在经过固定目镜42汇聚，完成扩束，并且利用调焦目镜71的轴向微位移，实现激光发射光束在不同距离处的聚焦效果。一级扩束系统4用于实现激光器出射光束的小倍率扩束，同时具有调焦功能，使高能激光能对不同距离处进行精确聚焦。
上部俯仰体93内安装有精跟踪快反镜5和二级扩束系统6，二级扩束系统6包括凸面反射镜61和凹面反射镜62。凸面反射镜61使激光发散后，在由凹面反射镜将激光汇聚，组成离轴反射式的扩束系统。二级扩束系统6用于实现激光光束的大口径扩束和发散角压缩，并且控制远距离汇聚光斑的尺寸。竖直射入上部俯仰体93的激光由精跟踪快反镜5反射后，水平射入二级扩束系统6内，并被二级扩束系统6再次扩束后，水平射出上部俯仰体93，并聚焦在目标上，使目标，受到干扰，压制，完成激光发射。精跟踪快反镜5两轴快速摆振实现光路调整,以补偿振动对光路的影响，因此本实施例的高能激光发射跟踪瞄准系统能克服目标运动特性以及各种环境干扰因素对跟踪瞄准的影响，实现在一定时间内对目标的高精度瞄准，保证高能激光发射的后毁伤效果。
目标反射的光线进入上部俯仰体93后，依次通过二级扩束系统6、精跟踪快反镜5、方位轴92、一级扩束系统4，并透射过分束器3，最终由成像透镜71汇聚后在靶面72上成像，完成跟踪瞄准。
精跟踪成像子系统7和分束器3之间的光路上还安装有可更换的滤光片73。由于精跟踪成像子系统7需要用于光轴校准和成像，在精跟踪成像子系统7处于不同工作状态时，可以更换不同的滤光片73，以达到更好的工作效果。
例如，由于一级扩束系统4为透射式系统，为保证损伤阈值和热性能，一级扩束系统4可采用石英玻璃制成。当设计时激光波长为1070nm±5nm时，与成像谱段不一致，组合精跟踪成像子系统7后会引入较大的宽光谱色差。另外，考虑到精跟踪成像子系统7布置在下部方舱91底部，光线需要穿过方位轴92后进入精跟踪成像子系统7，两者之间存在大于1900mm的工作距离，导致光线在成像透镜71上入射高度大，轴外视场像差极大。同时，考虑到高能量激光杂散光的影响，在精跟踪成像子系统7进行成像时，滤光片73需要更换为截止1070nm激光波长而高透成像宽谱段滤光片，提高精跟踪成像系统对目标信息的获取精度。
另外，在精跟踪成像子系统7进行光轴校准时，滤光片73需要更换为中心波长1070nm激光的窄带滤光片，避免外界成像干扰，使得探测器靶面仅有激光光斑，便于光轴校准。
本实施例具有以下优点：
(1)采用两级扩束的方案，解决了传统离轴反射式扩束系统次镜进行调焦造成的聚焦光束偏离中心光轴的问题，适用于对不同作用距离目标的应用需求。
(2)精跟踪成像子系统7和两级扩束系统完全共孔径设计，克服了激光聚焦调整过程中光学系统发生失调现象时所带来的激光发射轴与瞄准轴偏离的问题，保证了系统光轴各种工况下的一致性，大大提高了激光使用效能。
(3)采用超长光程的导光方案，仅精跟踪快反镜5和二级扩束系统6在上部俯仰腔体93内，导光光程大于1900mm，克服了传统级联方式数据传输、控制线缆等在方位轴旋转过程中互相纠缠、干涉的问题，解决了方位轴92的n×360°旋转扫描的技术难点。
(4)整个精跟踪和扩束系统进行了一体化的优化设计，提高了系统设计过程中的精度。
本实施例中激光输入波长1070nm±5nm，发散角全角248urad，探测器像元尺寸16um，扩束系统总扩束倍率为7.5，精跟踪成像子系统7焦距为320mm，两者共孔径设计，则系统精跟踪成像总焦距为1600mm。为降低设计难度，精跟踪成像设计波段选择为：550nm～850nm，为保证夜间对目标的能量收集能力，入瞳直径定为200mm，则系统F数为6.55。
图4为本实施例所提供的激光系统中精跟踪成像部分全色光点列图，各视场的弥散斑尺寸均位于1个像元内，能满足空间分辨率的要求。图5为本实施例所提供精跟踪成像部分MTF曲线图，由图5可知，在奈奎斯特频率55.5lp/mm处各波长MTF在全视场范围内均接近衍射极限，成像质量良好，满足使用要求。图6为两级扩束拼接后总扩束系统的MTF曲线图，在全视场范围内均接近衍射极限，系统波像差小于1/30波长，能够满足使用要求。
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 (7)

1.一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，包括激光器、分束器、一级扩束系统、二级扩束系统、精跟踪成像子系统；
所述激光器发出的激光经过所述分束器反射后，依次由所述一级扩束系统和所述二级扩束系统的扩束后聚焦至目标；
所述目标反射的光线依次经过所述二级扩束系统和所述一级扩束系统返回，并穿过所述分束器，由所述精跟踪成像子系统聚焦成像；
所述一级扩束系统包括调焦目镜和固定目镜，所述调焦目镜是可轴向移动的凹透镜，所述固定目镜是凸透镜；所述激光器发出的激光依次通过所述调焦目镜和所述固定目镜进行第一次扩束；
所述二级扩束系统包括凸面反射镜和凹面反射镜；所述激光器发出的激光依次通过所述凸面反射镜和所述凹面反射镜反射后完成第二次扩束。
2.根据权利要求1所述的一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，还包括光轴校准反射元件和校准快反镜；所述激光器发出的一部分激光穿过所述分束器，经所述光轴校准反射原件反射后回到所述分束器，再由所述分束器反射后达到所述精跟踪成像子系统，对激光光轴进行检测；所述校准快反镜设置在所述激光器和所述分束器之间的光路上。
3.根据权利要求2所述的一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，所述光轴校准反射原件是角锥棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，所述精跟踪成像子系统包括成像透镜和靶面；所述光线经过所述成像透镜聚焦后，在所述靶面上成像。
5.根据权利要求4所述的一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，所述精跟踪成像子系统和所述分束器之间的光路上设置有可更换的滤光片，根据所述精跟踪成像子系统的不同工作状态更换不同的滤光片。
6.根据权利要求1所述的一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，所述分束器和所述二级扩束系统之间的光路上设置有精跟踪快反镜。
7.根据权利要求6所述的一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统，其特征在于，还包括下部方舱和上部俯仰体；所述下部方舱和所述上部俯仰体通过方位轴转动连接；所述激光器、所述分束器、所述一级扩束系统、所述精跟踪成像子系统安装在所述下部方舱内；所述精跟踪快反镜、所述二级扩束系统安装在所述上部俯仰体内；所述激光平行于所述方位轴的轴向穿过所述方位轴。
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