CN115096436A - 一种轻量化激光防护装置及高能激光探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻量化激光防护装置及高能激光探测系统，以解决传统的防护方法质量较重、抗激光损伤阈值低及防护时间短的技术问题。本装置包括碳纤维的基板以及层叠镜组；层叠镜组包括呈M×N阵列形式排布的多个高反镜，M×N阵列的中心位置为镜组通光孔；第一行/列高反镜至第M行/列高反镜均由所在行/列两端的高反镜依次向中间、向上叠放；高反镜均与基板之间通过弹性高聚合物连接；基板上与镜组通光孔对应的位置开设有基板通光孔；高反镜的基底表面设置有高反介质膜。本发明提供的一种高能激光探测系统，包括旋翼无人机升空平台、光电阵列靶斑仪以及轻量化激光防护装置；轻量化激光防护装置嵌套在光电阵列靶斑仪的前端。
Description
技术领域
本发明涉及激光防护装置，尤其涉及一种轻量化激光防护装置及高能激光探测系统。
背景技术
在高能激光斜程大气传输试验中，会使用升空平台搭载测量设备测量远场光斑参数。众多升空平台中，旋翼无人机具有机动性高，操作灵活，试验成本低等优势，使得旋翼无人机搭载远场光斑参数测量设备成为常用试验模式。
由于大气湍流效应和高能激光系统瞄准精度的影响，远场光斑存在超出测量区域的风险。旋翼无人机机身部件多为可燃材料，抗激光损伤阈值低，一旦高能激光束打偏或者远场光斑尺寸过大，将损坏旋翼无人机，因此需要在测量设备周围进行激光防护。
传统的防护方法通常采用高热导率和高反射率的金属材料作为防护板。为满足高能激光防护要求，金属防护板需具备一定厚度，导致防护板质量较重，对无人机的载重能力要求过高。同时，在升空平台上使用时只能依靠空气对流散热，导致抗激光损伤阈值低，热累积效应制约了金属防护板的使用时长。
发明内容
本发明的目的在于解决传统的防护方法通常采用高热导率和高反射率的金属材料作为防护板，存在质量较重、抗激光损伤阈值低及防护时间短的技术问题，而提供一种轻量化激光防护装置及高能激光探测系统。
一种轻量化激光防护装置，其特征在于：包括基板以及设置在基板上的层叠镜组；
所述基板采用碳纤维板；
所述层叠镜组包括呈M×N阵列形式排布的多个高反镜，M×N阵列的中心位置为镜组通光孔，其余M×N-1个位置为高反镜，其中M、N均为大于等于3的奇数；
所述第一行高反镜至第M行高反镜均由所在行两端的高反镜依次向中间、向上叠放；
所述第一列高反镜至第N列高反镜均由所在列两端的高反镜依次向中间、向上叠放；
所述各高反镜均与基板之间通过弹性高聚合物连接；
所述基板上与镜组通光孔对应的位置开设有基板通光孔；
所述高反镜的基底表面设置有高反介质膜。
进一步地，所述弹性高聚合物为硅橡胶层，硅橡胶层的两面分别与基板和各高反镜粘连。所述弹性高聚合物亦可以是其他能够在基板和高反镜之间起到支撑与连接作用的结构，例如，TPU(热塑性聚氨酯橡胶)，或者SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)等弹性高聚合物。
进一步地，所述镜组通光孔孔径小于基板通光孔孔径，镜组通光孔边缘与基板通光孔边缘之间的平面投影距离x＝(t1+t2+t3)tanθ，其中，t1为高反镜的厚度，t2为基板的厚度，t3为层叠镜组中位于最高位置的高反镜与基板之间的距离，θ为设定的激光入射角度。
进一步地，所述基板通光孔外壁的基板上覆有铜箔。
进一步地，M＝N＝3，或者M＝N＝5。
进一步地，所述高反镜的基底材料采用硼硅酸盐玻璃。
本发明还提供一种高能激光探测系统，其特殊之处在于，包括旋翼无人机升空平台、光电阵列靶斑仪以及轻量化激光防护装置；
所述光电阵列靶斑仪搭载在旋翼无人机升空平台上；
所述轻量化激光防护装置嵌套在光电阵列靶斑仪的前端。
本发明相比于现有技术的有益效果为：
1、本发明提供的一种轻量化激光防护装置，相比于传统的防护装置，反射材料采用高反镜，基板采用碳纤维板，整体减轻了防护装置的重量，同时通过在高反镜的基底表面镀高反介质膜，提高了防护装置的抗激光损伤阈值，整体具有良好的稳定性和环境适应性，解决了金属材料防护板长时间存放在空气中易氧化而导致损坏变质等问题，防护时间增长，也提高了防护装置的重复利用率。
2、本发明采用多个高反镜层叠设计的方式，使其防护装置可适用于各种外形尺寸的高能激光远场光斑测量设备，防护面积大，可根据试验具体需求，覆盖搭载升空平台防护区域，适用范围更广。
3、受升空平台自身的高频振动和空中气流的影响，防护装置因面积较大会产生形变，高反镜及基底结构的刚性较强，很容易因整体形变而断裂，本发明采用多个高反镜层叠设计的方式，以及在各高反镜均与基板之间设置弹性高聚合物，减少了形变对高反镜的影响，有效避免了高反镜变形断裂的问题，抗形变能力强。
4、本发明提供的一种轻量化激光防护装置，设置的高反镜可对高能激光形成定向反射，反射光线方向可控，便于试验安全总体部署，消除安全隐患。
5、本发明提供的一种轻量化激光防护装置，在基板与层叠镜组之间设置硅橡胶，既确保了高反镜能稳定粘连在基板上，也使得四周的形变不会直接传导至层叠镜组中间引起整体形变；同时，硅橡胶对飞行中旋翼无人机带来的高频振动起到了减震作用。
6、本发明提供的一种轻量化激光防护装置，镜组通光孔孔径小于基板通光孔孔径，镜组通光孔边缘与基板通光孔边缘之间的平面投影距离x＝(t1+t2+t3)tanθ，既可以保护基板在激光入射角度过大时不被激光打中，又不影响中间测量区域的测量范围。
7、本发明提供的一种轻量化激光防护装置，在基板通光孔外壁的基板上覆铜箔，可以在激光束入射角度过大，激光辐照至基板内沿时，对基板内沿起防护作用。
8、本发明提供的一种轻量化激光防护装置，高反镜的基底材料采用硼硅酸盐玻璃，其厚度可精确控制在1mm以内，从而实现一定程度的弯曲形变。
9、本发明提供的一种高能激光探测系统，通过轻量化激光防护装置的设置，降低了对旋翼无人机的载重能力要求；当高能激光束打偏或者远场光斑尺寸过大时，轻量化激光防护装置可以提供大面积高能激光防护，并通过层叠顺序设计可实现不规则的防护区域，避免损坏旋翼无人机。
附图说明
图1为本发明一种高能激光探测系统实施例的结构示意图；
图2为本发明一种高能激光探测系统实施例中光电阵列靶斑仪的结构示意图；
图3为本发明一种轻量化激光防护装置实施例的结构示意图；
图4为本发明一种轻量化激光防护装置实施例中层叠镜组与基板的爆炸图；
图5为本发明一种轻量化激光防护装置实施例中层叠镜组中各个高反镜的尺寸图；
图6为本发明一种轻量化激光防护装置实施例的正常状态图；
图7为本发明一种轻量化激光防护装置实施例的形变状态图。
具体附图标记为：
1-旋翼无人机升空平台；2-光电阵列靶斑仪；3-轻量化激光防护装置；4-基板；
5-层叠镜组，501-第一高反镜，502-第二高反镜，503-第三高反镜，504-第四高反镜，505-第五高反镜，506-第六高反镜，507-第七高反镜，508-第八高反镜；
6-镜组通光孔；7-基板通光孔；8-铜箔；9-第一硅橡胶层；10-第二硅橡胶层。
具体实施方式
为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明针对高能激光远场功率密度测量的需求，设计了一种高能激光探测系统，包括旋翼无人机升空平台1、光电阵列靶斑仪2以及轻量化激光防护装置3。使用旋翼无人机升空平台1搭载光电阵列靶斑仪2，用于测量高能激光的远场光斑参数；同时设计轻量化激光防护装置3嵌套安装于光电阵列靶斑仪2的前端，用于反射超出测量区域的激光，对旋翼无人机升空平台1起到防护作用。
旋翼无人机升空平台1可以选用市面上成熟产品，搭载空间、载重能力、飞行高度、控制距离、续航时间需满足高能激光斜程大气传输试验的需求。
如图2所示，光电阵列靶斑仪2主要包括强光衰减单元、探测器阵列单元、信号采集处理单元。探测器阵列单元由若干只探测器按照一定规律排列成点阵结构，对光斑进行空间取样。强光衰减单元一般采用镀有高反射膜层的玻璃，可采用整块的玻璃或者与探测器一一对应的衰减器阵列。入射的强激光经过强光衰减单元后绝大部分激光被反射，透过光窗的弱光入射至探测器阵列单元的各个探测器，探测器将激光功率转换为电压信号后由信号采集处理单元采集，并计算得到各个探测器阵列分布点的功率值，最后按照功率的空间分布值进行图像复原，进而得到光斑图像及远场光斑参数。
如图3、图4所示，轻量化激光防护装置3包括基板4以及设置在基板4上的层叠镜组5。基板4作为轻量化激光防护装置3的支撑结构，本发明采用质量轻，强度高的碳纤维板作为基板4，基于轻量化考虑，满足机械强度条件下，碳纤维板厚度一般为2-3mm，根据旋翼无人机升空平台1的防护需求可以对其尺寸进行调整。轻量化激光防护装置3采用质量轻，反射率高的高反镜作为防护材料，结合碳纤维的基板4整体减轻了防护装置的重量。高反镜以硼硅酸盐玻璃为基底材料，其厚度可精确控制在1mm以内，从而实现一定程度的弯曲形变。同时，通过在高反镜的基底表面镀测量激光波段的高损伤阈值的高反介质膜，使其特定波段激光反射率大于0.9999，提高了防护装置的抗激光损伤阈值，整体具有良好的稳定性和环境适应性，解决了金属材料防护板长时间存放在空气中易氧化而导致损坏变质等问题，重复利用率高。但因为高反镜的镜片厚度很薄，很难将镜片做大，用于防护超出测量区域的激光对旋翼无人机的损坏，再加上需要在镜片上镀高反介质膜，受镀膜工艺的制约，其尺寸进一步受限，因此本发明采用将多个高反镜层叠的方式对其尺寸进行扩展。层叠镜组5包括呈M×N阵列形式排布的多个高反镜，M×N阵列的中心位置为镜组通光孔6，其余M×N-1个位置为高反镜，其中M、N均为大于等于3的奇数，M和N可以相等，例如M＝N＝3，或M＝N＝5，也可以设置M和N不相等；本实施例中M＝N＝3，层叠镜组5包括呈3*3阵列形式排布的8个高反镜，8个高反镜分别为第一高反镜501、第二高反镜502、第三高反镜503、第四高反镜504、第五高反镜505、第六高反镜506、第七高反镜507以及第八高反镜508；呈3*3阵列形式排布的8个高反镜均由所在行或所在列两端的高反镜依次向中间、向上叠放，即第一行的第二高反镜502层叠在第一高反镜501和第三高反镜503上，第三行的第七高反镜507层叠在第六高反镜506和第八高反镜508上，第一列的第四高反镜504层叠在第一高反镜501和第六高反镜506上，第三列的第五高反镜505层叠在第三高反镜503和第八高反镜508上。高反镜层叠的方式有效解决了相邻两块高反镜之间拼接形成缝隙的而出现漏光的问题，保护了背后的基底不被高能激光辐照。位于阵列中心处第二行第二列的位置未设置高反镜，8个高反镜与未设置高反镜的区域形成镜组通光孔6，镜组通光孔6的大小和形状根据光电阵列靶斑仪2的测量区域来确定。基板4上与镜组通光孔6对应的位置开设有基板通光孔7，镜组通光孔6孔径小于基板通光孔7孔径，镜组通光孔6边缘与基板通光孔7边缘之间的平面投影距离x＝(t1+t2+t3)tanθ，其中，t1为高反镜的厚度，t2为基板4的厚度，t3为层叠镜组5中位于最高位置的高反镜与基板之间的距离，θ为设定的激光入射角度。使用设定的激光入射角度θ计算出镜组通光孔6边缘与基板通光孔7边缘之间的平面投影距离x后，小于该激光入射角度的情况下均可以使用本防护装置。优选的，设置镜组通光孔6边缘与基板通光孔7边缘之间的平面投影距离x为1mm，既可以保护基板在激光入射角度过大时不被激光打中，又不影响中间测量区域的测量范围。本发明还在基板通光孔7外壁的基板4上覆铜箔8，在激光束入射角度过大，激光辐照至基板4内沿时，对基板4起防护作用。
第一高反镜501、第三高反镜503、第六高反镜506以及第八高反镜508与基板4之间分别设置有第一硅橡胶层9，第一硅橡胶层9的两面分别与相应的高反镜和基板4粘连，同时，第一硅橡胶层9也对飞行中旋翼无人机升空平台1带来的高频振动起到了减震作用。层叠在中间不直接与基板4接触的高反镜，既本实施例中的第二高反镜502、第四高反镜504、第五高反镜505以及第七高反镜507与基板4之间使用第二硅橡胶层10填充，既确保了第二高反镜502、第四高反镜504、第五高反镜505以及第七高反镜507能稳定粘连在基板4上，也使得四周的形变不会直接传导至层叠镜组5的中间。第一硅橡胶层9和第二硅橡胶层10根据高反镜和基板4之间的距离设置相应的厚度，在其他实施例中还可以使用其他能够在基板4和高反镜之间起到支撑与连接作用的结构，例如，TPU(热塑性聚氨酯橡胶)，或者SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)等弹性高聚合物。具体作用为，受升空平台自身的高频振动和空中气流的影响，轻量化激光防护装置3因面积较大会产生形变，高反镜及基板4结构的刚性较强，很容易因整体形变而断裂。如图5所示，为本发明轻量化激光防护装置3的正常状态图，图6为本发明轻量化激光防护装置3的形变状态图。本发明的层叠高反镜的设计和在基板和各高反镜之间设置第一硅橡胶层9和第二硅橡胶层10提高了轻量化激光防护装置3的韧性，减少了形变对高反镜的影响，有效避免了高反镜变形断裂的问题。综上，本发明的轻量化激光防护装置3具有质量轻，抗激光损伤阈值高，抗冲击振动等级高，防护面积大等特点。
如图7所示，定义防护方形区域尺寸D1、测量方形区域尺寸D2，高反镜交叠宽度d，L＝(D1-D2)/2。计算得到第一高反镜501、第三高反镜503、第六高反镜506以及第八高反镜508尺寸相同为L×(L+d)；第二高反镜502和第七高反镜507尺寸相同为L×(L+2d)；第四高反镜504和第五高反镜505尺寸相同为L×D2。
本发明采用层叠高反镜的方式，实现了大面积高能激光防护，并通过层叠顺序设计可实现不规则的防护区域，本实施例中为回形区域，其他实施例可根据试验具体需求调整，最终覆盖需要防护的区域。
本发明还提供了一种轻量化激光防护装置，其结构可采用上述轻量化激光防护装置3的结构。本发明还可在其他环境下对其他激光测量装置进行激光防护。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种轻量化激光防护装置，其特征在于：包括基板(4)以及设置在基板(4)上的层叠镜组(5)；
所述基板(4)采用碳纤维板；
所述层叠镜组(5)包括呈M×N阵列形式排布的多个高反镜，M×N阵列的中心位置为镜组通光孔(6)，其余M×N-1个位置为高反镜，其中M、N均为大于等于3的奇数；
第一行高反镜至第M行高反镜均由所在行两端的高反镜依次向中间、向上叠放；
同时，第一列高反镜至第N列高反镜均由所在列两端的高反镜依次向中间、向上叠放；
所述各高反镜均与基板(4)之间通过弹性高聚合物连接；
所述基板(4)上与镜组通光孔(6)对应的位置开设有基板通光孔(7)；
所述高反镜的基底表面设置有高反介质膜。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化激光防护装置，其特征在于：所述弹性高聚合物为硅橡胶层，硅橡胶层的两面分别与基板(4)和各高反镜粘连。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化激光防护装置，其特征在于：所述镜组通光孔(6)孔径小于基板通光孔(7)孔径，镜组通光孔(6)边缘与基板通光孔(7)边缘之间的平面投影距离x＝(t1+t2+t3)tanθ，其中，t1为高反镜的厚度，t2为基板(4)的厚度，t3为层叠镜组(5)中位于最高位置的高反镜与基板之间的距离，θ为设定的激光入射角度。
4.根据权利要求3所述的一种轻量化激光防护装置，其特征在于：基板通光孔(7)外壁的基板(4)上覆有铜箔(8)。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种轻量化激光防护装置，其特征在于：M＝N＝3，或者M＝N＝5。
6.根据权利要求5所述的一种轻量化激光防护装置，其特征在于：所述高反镜的基底材料采用硼硅酸盐玻璃。
7.一种高能激光探测系统，其特征在于：包括旋翼无人机升空平台(1)、光电阵列靶斑仪(2)，以及权利要求1-6任一所述的一种轻量化激光防护装置(3)；
所述光电阵列靶斑仪(2)搭载在旋翼无人机升空平台(1)上；
所述轻量化激光防护装置(3)嵌套在光电阵列靶斑仪(2)的前端。
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- 2022-05-31 CN CN202210613818.5A patent/CN115096436B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115096436B (zh) | 2024-06-21 |
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