CN113934234B - 一种光束跟踪控制装备的光学方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光束跟踪控制装备的光学方法，包括步骤：S1，对参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴进行标校；S2，校正参考光未出主激光时的波像差；S3，判断精跟踪成像系统的照度是否能够成像，若能够成像则不需要开照明激光器，若不能够成像则主动开启照明激光器来探测目标；S4，通过快反镜与精跟踪成像系统实时稳定跟踪目标；S5，出主激光，通过变形镜和哈德曼对内通道像差校正；S6，通过激光发射系统定向对目标发射。本发明方法能够提高光学传输效率、跟踪精度和瞄准精度和光束质量，增强环境适应性和提高系统的空间利用率。

Description

一种光束跟踪控制装备的光学方法

技术领域

本发明涉及定向能装备技术领域，更为具体的，涉及一种光束跟踪控制装备的光学方法。

背景技术

光束控制与跟踪瞄准装备(简称ATP)是激光定向能装备的重要组成部分，其作用就是通过对目标进行捕获后对目标进行稳定的跟踪，并通过离轴发射望远镜将激光发射到目标上，对目标进行摧毁。

目前现有技术存在如下缺点：ATP装备的结构庞大，随温度、振动的环境变化影响较大，且材料价格昂贵，同时瞄准精度达不到角秒级；高能量的激光在内通道传输时，空气被加热产生折射率梯度的变换，使得内通道像差变大，光源的光束质量变差，系统的毁伤能力下降；现有的光路不能全天候的作战；光轴标校系统不是共孔径，探测器使用较多；结构复杂，空间利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光束跟踪控制装备的光学方法，可以校正成像光轴、机械轴、发射轴的偏差，可以实现内通道像差的校正，可以实现相应光路系统的全天候工作，提高光学传输效率、跟踪精度和瞄准精度和光束质量，增强环境适应性和提高系统的空间利用率。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种光束跟踪控制装备的光学方法，包括步骤：

S1，对参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴进行标校；

S2，校正参考光未出主激光时的波像差；

S3，判断精跟踪成像系统的照度是否能够成像，若能够成像则不需要开照明激光器，若不能够成像则主动开启照明激光器来探测目标；

S4，通过快反镜与精跟踪成像系统实时稳定跟踪目标；

S5，出主激光，通过变形镜和哈德曼探测器对内通道像差校正；

S6，通过激光发射系统定向对目标发射。

进一步地，在步骤S1中，基于设有多个快反镜与光轴探测光学系统的光轴标校系统，执行子步骤：

S11，参考光为内光路的基准光路，通过参考光的快反镜与光轴探测光学系统对参考光进行光轴标校；

S12，对照明激光出光进行光轴标校，通过照明激光的快反镜与光轴探测光学系统对照明激光进行光轴标校；

S13，对主激光出光进行光轴标校，通过主激光的快反镜与光轴探测光学系统对主激光进行光轴标校；

S14，旋转光束跟踪控制装备的跟踪机架，使得机架轴上的光轴探测光学系统对参考光的成像点进行误差解算，通过库德快反镜实时校正机械轴和参考光光轴的角度和位置偏差，保证参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴重合。

进一步地，在步骤S2中，包括子步骤：出参考光，不出主激光，通过自适应光学成像探测器解算出信标光的像差，并做标定；所述适应光学成像探测器包括哈德曼探测器。

进一步地，在步骤S3中，利用设有照明激光器、头部发射系统的照明激光发射系统来判断和开启照明激光，且所述头部发射系统具备光斑调焦的功能。

进一步地，在步骤S4中，精跟踪成像系统与用于跟踪的快反镜形成闭环控制系统，实现实时稳定跟踪目标。

进一步地，在步骤S5中，利用设置有哈德曼探测器和变形镜的内通道像差校正系统，在主激光出光过程中，哈德曼探测器和变形镜形成闭环控制系统，对系统的内通道形成实时校正。

进一步地，所述光轴标校系统的基准为参考光在光轴和光瞳探测器的初始点，参考光和快反镜形成闭环系统，使得参考光始终稳定在初始点。

进一步地，所述内通道像差校正系统用在激光内通道传输中。

本发明的有益效果包括：

本发明实施例可以标校系统的多光轴轴差、校正内通道像差、全天候工作等功能。

本发明实施例用在光束控制与跟踪瞄准装备中，可以实时校正系统的光轴偏差、内通道的像差。其中，通过主动照明实现对目标的探测成像，实现全天候的工作，通过激光发射光路系统实现对目标的跟踪瞄准；并且，利用本发明方法能够提高光学传输效率、跟踪精度和瞄准精度和光束质量，增强环境适应性和提高系统的空间利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的光路系统图；

图中，1-激光器；2-第二发射光轴校正快反镜；3-第三分光镜；4-第四反射镜；5-第五反射镜；6-第一光轴探测系统；7-第七分光镜；8-第八反射镜；9-第九快反镜；10-参考信标激光器；11-第十一反射镜；12-第十二反射镜；13-第十三发射光轴校正快反镜；14-照明激光器；15-第十五库德快反镜；16-变形镜；17-第十七库德快反镜；18-第十八库德快反镜；19-第十九分光镜；20-主动照明指向快反镜；21-主动照明发射头部；22-第二十二分光镜；23-第二十三反射镜；24-实焦点缩束望远镜；25-双远心镜头；26-哈德曼探测器；27-第二十七分光镜；28-精跟踪目标指向快反镜；29-离轴发射次镜；30-离轴发射主镜；31-角锥棱镜；32-第三十二分光镜；33-精跟踪成像相机；34-第三十四反射镜；35-第二光轴探测系统。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

实施例1

如图1所示，一种光束跟踪控制装备的光学方法，包括步骤：

S1，对参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴进行标校；

S2，校正参考光未出主激光时的波像差；

S3，判断精跟踪成像系统的照度是否能够成像，若能够成像则不需要开照明激光器，若不能够成像则主动开启照明激光器来探测目标；

S4，通过快反镜与精跟踪成像系统实时稳定跟踪目标；

S5，出主激光，通过变形镜和哈德曼探测器对内通道像差校正；

S6，通过激光发射系统定向对目标发射。

实施例2

在实施例1的基础上，在步骤S1中，基于设有多个快反镜与光轴探测光学系统的光轴标校系统，执行子步骤：

S11，参考光为内光路的基准光路，通过参考光的快反镜与光轴探测光学系统对参考光进行光轴标校；

S12，对照明激光出光进行光轴标校，通过照明激光的快反镜与光轴探测光学系统对照明激光进行光轴标校；

S13，对主激光出光进行光轴标校，通过主激光的快反镜与光轴探测光学系统对主激光进行光轴标校；

S14，旋转光束跟踪控制装备的跟踪机架，使得机架轴上的光轴探测光学系统对参考光的成像点进行误差解算，通过库德快反镜实时校正机械轴和参考光光轴的角度和位置偏差，保证参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴重合。

如图2所示，在光轴标校系统中，当对参考激光的光轴标校时，信标激光器10出光，出光后参考光经过第九快反镜9和第八反射镜8反射到第七分光镜7，经过第七分光镜7反射后，反射到第三分光镜3，第三分光镜3对参考光大部分透射，一部分的光从第三分光镜3反射，反射到第四反射镜4和第五反射镜5之后，经反射进入到第一光轴探测系统6中，并对参考光的点光源成像；通过第九快反镜9，能够使得光轴稳定在探测器的中心。

在光轴标校系统中，当对主激光的光轴标校时，通过第二发射光轴校正快反镜2与探测成像系统形成控制闭环，能够使得主激光在探测器的位置中心。

在光轴标校系统中，当对照明激光的光轴标校时，出照明激光，通过第十三发射光轴校正快反镜13、第十二反射镜12、第十一反射镜11的反射镜反射，经过第七分光镜7透射，一部分的光从第三分光镜3反射，反射到第四反射镜4和第五反射镜5之后，经反射进入到第一光轴探测系统6，对参考光的点光源成像；通过第十三发射光轴校正快反镜13，能够使得光轴稳定在探测器的中心。

在光轴标校系统中，当对机械轴标校时，参考光从第三分光镜3透射后，经过第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18、第十九分光镜19反射，反射到第二十二分光镜22，经过第二十二分光镜22反射后经过第二十七分光镜27，一部分透射到角锥棱镜31，经角锥棱镜31原路返回后再经过第二十七分光镜27反射到第三十二分光镜32，经过第三十二分光镜32透射后传输到第三十四反射镜34，经第三十四反射镜34反射后进入到第二光轴探测系统35；参考光进入到第二光轴探测系统35后，点光源在探测器上成像，查看点光源的位置，然后通过360°旋转光电跟踪转台，记录光斑因光电跟踪转台旋转导致的机械轴和发射轴的偏差，或者因温度变化、振动环境导致的像素偏差，经过图像处理取均方差，将均方差的值作为初始标校的零点，然后将值给到第十五库德快反镜15、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18，调整快反镜的姿态，使得参考光和光电跟踪转台的机械轴重合。

进一步地，在步骤S2中，包括子步骤：出参考光，不出主激光，通过自适应光学成像探测器解算出信标光的像差，并做标定；适应光学成像探测器包括哈德曼探测器26。

实施例3

在实施例1的基础上，在步骤S3中，利用设有照明激光器、头部发射系统的照明激光发射系统来判断和开启照明激光，且所述头部发射系统具备光斑调焦的功能。

在照明激光发射系统中，照明的激光通过第十三发射光轴校正快反镜13、第十二反射镜12、第十一反射镜11反射，经过第七分光镜7和第三分光镜3透射，经过第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18反射，再经过第十九分光镜19透射后，经过主动照明指向快反镜20反射，进入到主动照明发射头部21。

实施例4

在实施例1的基础上，在步骤S4中，精跟踪成像系统与用于跟踪的快反镜形成闭环控制系统，实现实时稳定跟踪目标。

在精跟踪成像系统中，成像光路为从离轴发射主镜30、离轴发射次镜29、精跟踪目标指向快反镜28反射，然后从第二十七分光镜27透射，从第三十二分光镜32反射，进入到精跟踪成像相机33。

实施例5

在实施例1的基础上，在步骤S5中，利用设置有哈德曼探测器和变形镜的内通道像差校正系统，在主激光出光过程中，哈德曼探测器和变形镜形成闭环控制系统，对系统的内通道形成实时校正。

在内通道像差校正系统中，在出主激光的时候，参考光通过第九快反镜9、第八反射镜8、第七分光镜7反射，通过第三分光镜3透射，进入到第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18、第十九分光镜19反射，进入到第二十二分光镜22时透射，经过第二十三反射镜23反射，然后进入到实焦点缩束望远镜24，然后进入到双远心镜头25，然后进入到哈德曼探测器26；在没有出主激光的时候，通过哈德曼探测器26将参考光初始的像差分解出来，做相位标定；标定后出主激光时哈德曼探测器26上的内通道波像差与标定的值作差，通过控制解耦将反馈信息给到变形镜16，通过变形镜16实时的校正系统的内光路像差。

本发明方法基于的光轴标校系统、照明发射系统、内通道像差校正系统、精跟踪成像系统和激光发射系统，具体工作原理详细分别说明如下：

1)光轴标校系统，如图2所示，该系统首先对光轴标校，参考信标激光器10出光，出光后参考光经过用于参考光光轴校正的第九快反镜9和第八反射镜8反射到第七分光镜7，经过第七分光镜7反射后，反射到第三分光镜3，第三分光镜3对参考光大部分透射，一部分的光从第三分光镜3反射，反射到第四反射镜4和第五反射镜5之后，经反射进入到第一光轴探测系统6中，并对参考光的点光源成像。查看参考光的点光源在探测器中的成像位置，通过用于参考光光轴校正的第九快反镜9，使得光轴稳定在探测器的中心。

出低功率的激光查看主激光在探测器中的位置，通过第二发射光轴校正快反镜2与探测成像系统形成控制闭环，使得主激光也在探测器的位置中心，使得主激光和参考光能完全重合。

出照明激光，通过第十三发射光轴校正快反镜13、第十二反射镜12、第十一反射镜11的反射镜反射，经过第七分光镜7透射，一部分的光从第三分光镜3反射，反射到第四反射镜4和第五反射镜5之后，经反射进入到第一光轴探测系统6，对参考光的点光源成像。查看参考光的点光源在探测器中的成像位置，通过第十三发射光轴校正快反镜13，使得光轴稳定在探测器的中心。

标校完参考激光、主激光、照明激光的光轴后，标校后的参考光从第三分光镜3透射后，经过第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18、第十九分光镜19反射，反射到第二十二分光镜22，经过第二十二分光镜22反射后经过第二十七分光镜27，一部分透射到角锥棱镜31，经角锥棱镜31原路返回后再经过第二十七分光镜27反射到第三十二分光镜32，经过第三十二分光镜32透射后传输到第三十四反射镜34，经第三十四反射镜34反射后进入到第二光轴探测系统35。参考光进入到轴上光轴探测系统后，点光源在探测器上成像，查看点光源的位置，然后通过360°旋转光电跟踪转台，记录光斑因光电跟踪转台旋转导致的机械轴和发射轴的偏差，或者因温度变化、振动环境导致的像素偏差，经过图像处理取均方差，将均方差的值作为初始标校的零点，然后将值给到第十五库德快反镜15、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18，调整快反镜的姿态，使得参考光和光电跟踪转台的机械轴重合。

2)照明激光发射系统：夜间的照度很低，精跟踪相机看不到目标，需要通过短波相机或者近红外相机对目标进行照明，通过主动照明使得目标成像在探测器上，且主动照明的发射头部能够随着光电跟踪转台可以全方位旋转。将照明激光标定完成后，照明的激光通过图2中的第十三发射光轴校正快反镜13、第十二反射镜12、第十一反射镜11反射，经过第七分光镜7和第三分光镜3透射，经过第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18反射，再经过第十九分光镜19透射后，经过主动照明指向快反镜20反射，进入到主动照明发射头部。主动照明指向快反镜20为照明指向的快返镜，通过与精跟踪的相机形成闭环控制，可以将将照明的光稳定照在目标上。主动照明发射头部21为一组可以变焦的光学系统，可以调节照明光在目标上的光斑大小。

3)内通道像差校正系统：如图2所示，该系统在内通道像差校正时，在出主激光时，激光的热效应导致内通道产生折射率梯度的变化，从而使得光源的光束质量下降。主要校正过程为参考光的光轴校正完毕后，参考光通过第九快反镜9、第八反射镜8、第七分光镜7反射，通过第三分光镜3透射，进入到图2中的第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18、第十九分光镜19反射，进入到第二十二分光镜22时透射，经过第二十三反射镜23反射，然后进入到实焦点缩束望远镜24，然后进入到双远心镜头25，然后进入到哈德曼探测器26。没有出主激光的时候，通过哈德曼探测器26将参考光初始的像差分解出来，做相位标定。标定后出主激光时哈德曼探测器26上的内通道波像差与标定的值作差，通过控制解耦将反馈信息给到变形镜16，通过变形镜16实时的校正系统的内光路像差，提高系统的光束质量。

4)精跟踪成像系统：精跟踪成像系统和发射系统为逆过程，成像光路为从离轴发射主镜30、离轴发射次镜29、精跟踪目标指向快反镜28反射，然后从第二十七分光镜27透射，从第三十二分光镜32反射，进入到精跟踪相机。精跟踪目标指向快反镜28，目的是消除跟踪过程中的抖动、温度变化等引起的跟踪误差，提高对目标的稳定跟踪精度。

5)激光发射系统：激光发射系统用于将主激光定向的发射到目标上，该系统中的发射系统是离轴发射系统，通过图2可知道，主激光从光源出来后，依次通过第二发射光轴校正快反镜2、第三分光镜3、第十五库德快反镜15、变形镜16、第十七库德快反镜17、第十八库德快反镜18、第九快反镜9、第二十二分光镜22、第二十七分光镜27、精跟踪目标指向快反镜28、离轴发射次镜29、离轴发射主镜30反射镜反射后，将激光发射到目标上。该发射系统的离轴发射次镜29为调焦镜，对不同距离下的目标进行发射调焦。

利用本发明方法的光路系统用于定向能武器中，具备内通道像差校正、光轴标校、目标指向和光束发射的功能，该光路系统通过哈德曼探测器和参考光能够分析光束的像差和畸变，并通过变形镜实时校正；通过快反镜与参考光实现内光路光轴标校；通过快反镜实现对目标的稳定指向；通过离轴发射系统实现对激光的发射；通过照明系统实现对目标的照明成像。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，包括步骤：

S1，对参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴进行标校；

S2，校正参考光未出主激光时的波像差；

S3，判断精跟踪成像系统的照度是否能够成像，若能够成像则不需要开照明激光器，若不能够成像则主动开启照明激光器来探测目标；

S4，通过快反镜与精跟踪成像系统实时稳定跟踪目标；

S5，出主激光，通过变形镜和哈德曼探测器对内通道像差校正；

S6，通过激光发射系统定向对目标发射；

在步骤S1中，基于设有多个快反镜与光轴探测光学系统的光轴标校系统，执行子步骤：

S11，参考光为内光路的基准光路，通过参考光的快反镜与光轴探测光学系统对参考光进行光轴标校；

S12，对照明激光出光进行光轴标校，通过照明激光的快反镜与光轴探测光学系统对照明激光进行光轴标校；

S13，对主激光出光进行光轴标校，通过主激光的快反镜与光轴探测光学系统对主激光进行光轴标校；

S14，旋转光束跟踪控制装备的跟踪机架，使得机架轴上的光轴探测光学系统对参考光的成像点进行误差解算，通过库德快反镜实时校正机械轴和参考光光轴的角度和位置偏差，保证参考光的光轴、照明激光的光轴、主激光的光轴和机械轴重合；

在光轴标校系统中，当对参考激光的光轴标校时，信标激光器(10)出光，出光后参考光经过第九快反镜(9)和第八反射镜(8)反射到第七分光镜(7)，经过第七分光镜(7)反射后，反射到第三分光镜(3)，第三分光镜(3)对参考光大部分透射，一部分的光从第三分光镜(3)反射，反射到第四反射镜(4)和第五反射镜(5)之后，经反射进入到第一光轴探测系统(6)中，并对参考光的点光源成像；通过第九快反镜(9)，能够使得光轴稳定在探测器的中心；

在光轴标校系统中，当对主激光的光轴标校时，通过第二发射光轴校正快反镜(2)与探测成像系统形成控制闭环，能够使得主激光在探测器的位置中心；

在光轴标校系统中，当对照明激光的光轴标校时，出照明激光，通过第十三发射光轴校正快反镜(13)、第十二反射镜(12)、第十一反射镜(11)的反射镜反射，经过第七分光镜(7)透射，一部分的光从第三分光镜(3)反射，反射到第四反射镜(4)和第五反射镜(5)之后，经反射进入到第一光轴探测系统(6)，对参考光的点光源成像；通过第十三发射光轴校正快反镜(13)，能够使得光轴稳定在探测器的中心；

在光轴标校系统中，当对机械轴标校时，参考光从第三分光镜(3)透射后，经过第十五库德快反镜(15)、变形镜(16)、第十七库德快反镜(17)、第十八库德快反镜(18)、第十九分光镜(19)反射，反射到第二十二分光镜(22)，经过第二十二分光镜(22)反射后经过第二十七分光镜(27)，一部分透射到角锥棱镜(31)，经角锥棱镜(31原)路返回后再经过第二十七分光镜(27)反射到第三十二分光镜(32)，经过第三十二分光镜(32)透射后传输到第三十四反射镜(34)，经第三十四反射镜(34)反射后进入到第二光轴探测系统(35)；参考光进入到第二光轴探测系统(35)后，点光源在探测器上成像，查看点光源的位置，然后通过360°旋转光电跟踪转台，记录光斑因光电跟踪转台旋转导致的机械轴和发射轴的偏差，或者因温度变化、振动环境导致的像素偏差，经过图像处理取均方差，将均方差的值作为初始标校的零点，然后将值给到第十五库德快反镜(15)、第十七库德快反镜(17)、第十八库德快反镜(18)，调整快反镜的姿态，使得参考光和光电跟踪转台的机械轴重合。

2.根据权利要求1所述的光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，在步骤S2中，包括子步骤：出参考光，不出主激光，通过自适应光学成像探测器解算出信标光的像差，并做标定；所述适应光学成像探测器包括哈德曼探测器。

3.根据权利要求1所述的光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，在步骤S3中，利用设有照明激光器、头部发射系统的照明激光发射系统来判断和开启照明激光，且所述头部发射系统具备光斑调焦的功能。

4.根据权利要求1所述的光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，在步骤S4中，精跟踪成像系统与用于跟踪的快反镜形成闭环控制系统，实现实时稳定跟踪目标。

5.根据权利要求1所述的光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，在步骤S5中，利用设置有哈德曼探测器和变形镜的内通道像差校正系统，在主激光出光过程中，哈德曼探测器和变形镜形成闭环控制系统，对系统的内通道形成实时校正。

6.根据权利要求1所述的光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，所述光轴标校系统的基准为参考光在光轴和光瞳探测器的初始点，参考光和快反镜形成闭环系统，使得参考光始终稳定在初始点。

7.根据权利要求5所述的光束跟踪控制装备的光学方法，其特征在于，所述内通道像差校正系统用在激光内通道传输中。