CN113644982B - 一种激光能量发射系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光能量发射系统，包括：激光器、二向色分光镜、快速反射镜、准直、扩束、成像、控制系统、计算机、第一、第二反射镜、云台、带有信标光源的靶面。快速反射镜和云台分别与控制系统相连，成像和控制系统分别与计算机相连。利用上述装置，通过信标光经过内部光路进入成像系统，获得靶面中心位置。计算机控制云台及快速反射镜转动跟踪靶面中心，光束进行辐照。传统激光发射系统受限于云台承重、传感器响应时间和图像清晰度，从而影响跟踪速度及精度。本发明对激光能量发射系统进行设计，在跟踪高速动态目标的情况下，提高激光束与靶面的瞄准精度，从而有效提高了能量传输效率。

Description

一种激光能量发射系统
技术领域
本发明涉及激光能量传输领域，具体涉及一种激光能量发射系统。
背景技术
激光无线传输能量以激光为载体，具有优异的方向性和高能量密度。与传统能量传输方式相比，在一些特定的领域独特的优势，例如空间探测器供能、太空电站、无人机续航。由于是用于能量传输，激光器的输出功率往往是上千瓦甚至万瓦级，其体积很大，重量也在数吨级别。目前主流的传能系统设计，大多是整个系统置于云台之上，这对于云台的面积、承重能力有极高的要求。并且随着云台承重的不断增加，其转动速度、精度也会收到影响，相应限制系统的有效传输距离。
国内外开展的研究表明，激光辐照面与靶面的瞄准精度是决定激光能量传输效率的重要因素。目前激光对动态目标跟踪的方式主要分为以下两种：第一种是通过信标光或角锥棱镜置于目标中心，产生一个可被探测器响应的光信号，经过光电探测器件获取目标位置信息，来控制发射光束的方位角。第二种是采用CCD、CMOS等图像传感器直接对移动目标或激光光斑进行捕捉成像，从而实现动态跟踪。第一种方式，光电探测器跟踪精度比较高，但是受到响应速度的限制，跟踪速度相应地无法提高；第二种方式，图像传感器由于图像处理速度较快，跟踪速度较高，但由于图像清晰度的影响，跟踪精度会受到限制。
发明内容
针对上述提出的问题，本发明提出一种激光能量发射装置，通过优化光路设计，能够在高速动态目标的跟踪下，有效的提高跟踪精度。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光能量发射系统，其特点在于：包括激光器、准直系统、二向色分光镜、快速反射镜、扩束系统、成像系统、控制系统、第一反射镜、第二反射镜、云台、带有信标光源的靶面、计算机；所述的第一反射镜置于云台上，云台和快速反射镜分别与控制系统相连，用于发射光束方位角的粗调和微调。所述的成像系统与计算机相连，用于记录信标光的位置信息以确定靶面中心位置。所述的控制系统与计算机相连，用于根据信标光的位置信息调整发射光束的方位角，使信标光在成像视场的中心。
置于靶面中心的信标光源发射信标光，经过第一反射镜进入扩束系统，再分别经过快速反射镜、二向色分光镜、第二反射镜反射后进入成像系统。所述的信标光在二向色分光镜到靶面的光路间与发射光束同轴，以确保信标光中心即为激光束辐照中心。
激光器发射光束通过准直系统后，透过二向色分光镜，经过快速反射镜反射进入扩束系统，经过第一反射镜辐照到靶面上。
随着所述的靶面移动，信标光源的位置发生变化，成像系统获取实时更新的位置信息，并经计算机处理后传输至控制系统，进而控制云台和快速反射镜调整方位角，对准移动靶面的中心位置，实现闭环控制。
所述的激光器，输出功率在一千瓦以上。所述的成像系统包括但不限于CCD、CMOS等图像传感器。信标光源发射的信标光622nm、635nm、760nm等具有良好大气穿透性的波长。成像系统为CCD、CMOS等图像传感器，且传感器对信标光波长的响应度较高。所述的成像系统为CCD、CMOS等图像传感器，且要求传感器对信标光波长的响应度较高，镜头前部加装透射波长为信标光波长的窄带滤光片。
与先前技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、以信标光作为光信号，其图像对比度高、易于提取位置信息，能够通过云台和快速反射镜配合将光信号快速置于图像中心，且不受传输距离的限制。
2、仅第二反射镜置于云台上，减轻云台负重，有效的提高了跟踪速度及跟踪精度。
3、由于激光器、扩束系统等主要元件未置于云台上，该系统特别适用于重量达数吨级的万瓦甚至数十万瓦级的激光能量传输，特别适用于空间探测器供能、太空电站、无人机续航等大功率、远距离传能领域。
附图说明
图1是本发明激光能量发射系统结构示意图。
图2是信标光进入成像系统后的位置信息。
图3是云台和快速反射镜配合转动后信标光进入成像系统后的位置信息。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
首先参阅图1，图1是激光能量发射系统结构示意图。由图可见，本发明激光能量发射系统结构示意图，包括：包括激光器1、准直系统2、二向色分光镜3、快速反射镜4、扩束系统5、成像系统11、控制系统13、第一反射镜6、第二反射镜10、云台7、带有信标光源9的靶面8、计算机12；所述的第一反射镜6置于云台7上，云台7和快速反射镜4分别与控制系统相连，用于发射光束方位角的粗调和微调。所述的成像系统11与计算机12相连，用于记录信标光的位置信息以确定靶面中心位置。所述的控制系统13与计算机12相连，用于根据信标光的位置信息调整发射光束的方位角，使信标光在成像视场的中心。利用上述装置，置于靶面中心的信标光，经过第一反射镜6进入扩束系统5，再分别经过快速反射镜4、二向色分光镜3、第二反射镜10反射后进入成像系统。成像系统11反馈的图像(如图2)由计算机12进行处理确定靶面中心位置，计算机12通过控制系统13控制云台7转动进行粗调和快速反射镜4微调快速配合，使其对准靶面中心(如图3)。激光器1发射光束通过准直系统2后，透过二向色分光镜3，经过快速反射镜4反射进入扩束系统5，经过第一反射镜辐照到靶面8上。随着所述的靶面8移动，信标光源9的位置发生变化，成像系统11获取实时更新的位置信息，并经计算机12处理后传输至控制系统13，进而控制云台7和快速反射镜4调整方位角，对准移动靶面8的中心位置，实现闭环控制。

Claims (5)

1.一种激光能量发射系统，其特征在于：包括激光器（1）、准直系统（2）、二向色分光镜（3）、快速反射镜（4）、扩束系统（5）、第一反射镜（6）、供所述的第一反射镜（6）放置的云台（7）、置于靶面（8）中心的信标光源（9）、第二反射镜（10）、成像系统（11）、计算机（12）和控制系统（13）；
所述的控制系统（13）分别与所述的云台（7）和快速反射镜（4）相连，用于控制发射光束方位角的粗调和微调；
所述的计算机（12）与成像系统（11）相连，用于记录信标光的位置信息以确定靶面中心位置，所述的控制系统（13）与计算机（12）相连，用于根据信标光的位置信息调整发射光束的方位角，使信标光在成像视场的中心；
所述的信标光源（9）发射信标光，经过第一反射镜（6）反射后，射入扩束系统（5）扩束后，再依次经过快速反射镜（4）、二向色分光镜（3）、第二反射镜（10）后，进入所述的成像系统（11）；
所述的激光器（1）发射光束依次经所述的准直系统（2）、二向色分光镜（3）、快速反射镜（4）后，射入所述的扩束系统（5）后，经第一反射镜（6）辐照到靶面（8）；
所述的信标光和发射光束在二向色分光镜（3）和靶面（8）之间的光路上同轴，确保信标光中心即为发射光束辐照中心；
随着所述的靶面（8）移动，信标光源（9）的位置发生变化，成像系统（11）获取实时更新的位置信息，并经计算机（12）处理后传输至控制系统（13），进而控制云台（7）和快速反射镜（4）调整方位角，对准移动靶面（8）的中心位置，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的激光能量发射系统，其特征在于，所述的激光器（1）的输出功率在一千瓦以上。
3.根据权利要求1所述的激光能量发射系统，其特征在于，所述的信标光源（9）发射的信标光622nm、635nm和760nm具有良好大气穿透性的波长。
4.根据权利要求1所述的激光能量发射系统，其特征在于，所述的成像系统（11）为CCD和CMOS图像传感器，且要求传感器对信标光波长的响应度较高。
5.根据权利要求4所述的激光能量发射系统，其特征在于，所述的图像传感器的镜头前部加装透射波长为信标光波长的窄带滤光片。
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