CN115165084B - 基于强度分布特征的高能激光分区防护方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高能激光参数测试，具体涉及一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法及装置，目的是解决激光参数测量时，现有的激光防护装置无法同时保证激光参数测试设备和飞行平台防护安全的技术问题。本发明提供一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法及装置，该方法包括以下步骤：确定高能激光的强度分布特征；根据强度分布特征将高能激光划分为多个光强区域，使得多个光强区域的激光强度阈值，按照大小依次排列后呈阶梯状分布；根据强度分布特征设置多个防护区域；根据多个光强区域的激光强度阈值，分别确定多个防护区域的抗激光损伤阈值；将高能激光的多个光强区域，分别照射至与之对应的防护区域内，即可实现分区防护。
Description
技术领域
本发明涉及高能激光参数测试，具体涉及一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法及装置。
背景技术
现有技术中，基于升空平台搭载阵列探测系统，能够测量高能激光系统斜程传输时的到靶功率密度分布、光斑质心抖动等性能参数，以及获得功率随时间变化的曲线，进而评价高能激光系统的跟瞄能力、大气传输能力和光束控制能力。通常情况下，对于通过斜程传输至靶面处的高能激光，在激光功率密度较高的靶面处，不仅需要对阵列探测系统中的探测器区域进行衰减取样，避免探测器的饱和甚至损伤，还需要对非探测器区域进行防护，并且由于长距离传输导致的衍射效应、大气湍流效应或系统瞄准误差，靶面处的光斑尺寸可能会超出测量系统安全区域，导致部分高能激光会漏出，并辐照至升空平台、测量系统的无线数传单元或信标单元。此时若高能激光强度超过探测器周围区域材料的损伤阈值，或者泄露的激光强度超过辐照区域材料的损伤阈值，将会造成测量系统或升空平台的失效甚至损坏。因此，高能激光参数测试时需要对测量设备及升空平台采取必要的防护措施。
现有技术中，高能激光常用的防护措施为采用独立的防护板进行防护，该防护板通常为具有高热导率或高反射率的金属材料，或者具有超高反射率的镀膜介质材料。金属防护材料的抗激光损伤阈值受限于材料厚度和辐照时间，相对低于其他材料的损伤阈值，通常情况下，为满足更高强度的激光防护，不仅需要增加防护材料的厚度，还需要增加防护部件的重量，进而加大升空平台的负载能力要求，甚至影响飞行特性。虽然镀膜介质材料损伤阈值较高，但在进行大面积或独立的防护时，其损伤阈值、反射率、面型等性能参数指标难以同时保证，不仅实现难度大，而且造价较高，效费比低。
发明内容
本发明的目的是解决激光参数测量时，现有的激光防护装置无法同时保证激光参数测试设备和飞行平台防护安全的技术问题，提供一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
步骤1，确定高能激光的强度分布特征；
步骤2，根据所述强度分布特征将所述高能激光划分为多个光强区域，使得多个光强区域的激光强度阈值，按照大小依次排列后呈阶梯状分布；
根据所述强度分布特征设置与多个光强区域对应的多个防护区域；
步骤3，根据多个光强区域的激光强度阈值，分别确定多个防护区域的抗激光损伤阈值，并根据每个防护区域的抗激光损伤阈值选取对应的防护材料，其中，多个激光强度阈值与多个抗激光损伤阈值一一对应；
步骤4，将所述高能激光的多个光强区域，分别照射至与之对应的防护区域内，即可实现高能激光的分区防护。
进一步地，步骤1中，所述高能激光的强度分布特征为高斯型。
同时，本发明还提供一种基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，用于实现上述方法，其设置在激光参数测试设备上，所述激光参数测试设备设置于飞行平台外侧，且与飞行平台的控制台连接，其特殊之处在于：包括防护基板，所述防护基板包括中空设置的中心区域，以及设置在所述中心区域外围的多个外围区域；
所述中心区域设置有衰减取样镜片，衰减取样镜片与所述激光参数测试设备的测量模块同心设置且能够完全覆盖测量模块；所述衰减取样镜片的外表面镀设有第一高反射介质膜，所述第一高反射介质膜与多个外围区域的抗激光损伤阈值按照大小排列后依次呈阶梯状递减。
进一步地，所述外围区域的数量为两个，包括依次围设在所述中心区域外围的第一区域和第二区域；
所述第一区域的外表面设置有防护镜片，所述防护镜片的外表面镀设有第二高反射介质膜；所述第二区域的外表面设置有金属箔；
所述第一高反射介质膜、第二高反射介质膜及金属箔的抗激光损伤阈值逐次递减。
进一步地，所述衰减取样镜片的厚度不超过其长度的1/10。
进一步地，所述防护镜片的厚度为0.3～1mm，其基底材质为石英或白宝石。
进一步地，所述金属箔的厚度为0.1～1mm，其材质为铝、铜、金的任一种。
进一步地，所述防护基板的厚度为2～3mm，其材质为碳纤维。
进一步地，所述防护镜片、金属箔均与所述防护基板粘接。
进一步地，所述防护基板与所述激光参数测试设备可拆卸连接。
本发明相比现有技术具有的有益效果：
1、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，根据高能激光的强度分布特征采用分区防护，将高能激光划分为多个光强区域，每个光强区域都对应设置有防护区域，并且根据每个光强区域的激光强度阈值设置对应防护区域的抗激光损伤阈值，并根据设置的抗激光损伤阈值选取相应的防护材料，大幅降低了防护难度，并且相较于独立的金属防护板或介质膜防护板的造价低，效费比高。
2、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，可根据高能激光实际的强度分布特征交叉布局多个防护区域，不仅适用于激光强度均匀分布的高能激光，同时还适用于激光强度非均匀分布的高能激光。
3、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置所采用的衰减取样镜片，具有反射率高和损伤阈值高的优点，在对激光参数测试设备进行高能激光防护的同时，也可作为该激光参数测试设备的衰减取样单元，实现高能激光的衰减取样。
4、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，针对强度分布特征为高斯型的高能激光，通过将防护基板根据抗激光损伤阈值划分为多个区域，以此实现高能激光不同光强区域的防护。
5、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，在实现高能激光衰减取样的基础上，还实现了高能激光的大面积遮挡，较好地实现了对激光参数测试设备的无线数传单元、信标单元，以及搭载激光参数测试设备的升空平台的强光防护。
6、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置中，采用的防护镜片和金属箔都比较薄，在满足高能激光防护的同时，大幅降低了防护装置的整体重量，实现了防护装置的轻量化设计，降低了防护成本。
7、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置中的防护基板，采用碳纤维材料制作，具有良好的稳定性和环境适应性，而且相对于传统的金属防护基板密度较低，降低了防护装置的整体重量。
8、本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，将防护基板可拆卸地设置在激光参数测试设备上，可作为激光参数测试设备的单元模块使用，并且拆卸方便。
附图说明
图1为本发明提供的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置实施例的示意图；
图2为本发明图1实施例安装在基于飞行平台搭载的激光参数测试设备上的结构示意图；
附图标记说明：
1-防护基板，2-金属箔，3-防护镜片，4-衰减取样镜片，5-飞行平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
本发明提供一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，包括以下步骤：
步骤1，确定高能激光的强度分布特征；在本实施例中，本发明以光强分布为高斯型的高能激光为例，由高斯分布规律可知，该高能激光的激光强度由内至外依次递减。
步骤2，根据强度分布特征将高能激光划分为多个光强区域，使得多个光强区域的激光强度阈值，按照大小依次排列后呈阶梯状分布；在本实施例中，将强度分布特征为高斯型的高能激光划分为三个区域，激光强度较高的光强区域，激光强度居中的光强区域和激光强度较低的光强区域。
根据强度分布特征设置多个防护区域；在本实施例中，由高斯型强度分布特征可知，多个防护区域包括居中设置的第一防护区域，以及依次围设在第一防护区域外围的第二防护区域、第三防护区域。
步骤3，根据多个光强区域的激光强度阈值，分别确定多个防护区域的抗激光损伤阈值，并根据每个防护区域的抗激光损伤阈值选取对应的防护材料，其中，多个激光强度阈值与多个抗激光损伤阈值一一对应；在本实施例中，由高斯型强度分布特征可知，多个光强区域的激光强度阈值由内至外依次递减，则第一防护区域、第二防护区域及第三防护区域的抗激光损伤阈值也随之依次递减。因此，高能激光中激光强度较高的光强区域对应抗激光损伤阈值较高的第一防护区域，激光强度居中的光强区域对应抗激光损伤阈值居中的第二防护区域，激光强度较低的光强区域对应抗激光损伤阈值较低的第三防护区域，其中，每个防护区域的抗激光损伤阈值取决于其选取的对应防护材料。
步骤4，将高能激光的多个光强区域，分别照射至与之对应的防护区域内，即可实现高能激光的分区防护；在本实施例中，按照上述对应关系，将具有高斯型强度分布特征的高能激光按照激光强度分布，分别照射至第一防护区域、第二防护区域及第三防护区域，使高能激光中激光强度较高的光强区域照射至第一防护区域，激光强度居中的光强区域照射至第二防护区域，激光强度较低的光强区域照射至第三防护区域，进而实现具有高斯型强度分布特征的高能激光的分区防护。
当然，在其它实施例中，基于相同的原理，对于其它均匀或非均匀分布的各种高能激光，其所划分的多个光强区域，以及与之对应多个防护区域，均可根据实际的强度分布特征布局，实现方式灵活可变。
基于上述方法，本发明还提供一种基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，用于实现本实施例中光强分布为高斯型的高能激光测试防护，将防护装置可拆卸地设置在激光参数测试设备上，作为激光参数测试设备的单元模块使用。如图2所示，由于激光参数测试设备设置于飞行平台5外侧，且与飞行平台5的控制台连接，用于实现高能激光参数的测量，而本发明中的防护装置通过安装在激光参数测试设备上，最大程度地实现激光参数测试设备和飞行平台5的安全防护。
该防护装置包括防护基板1，该防护基板包括中空设置的中心区域，以及设置在中心区域外围的多个外围区域，该中心区域设置有衰减取样镜片4，衰减取样镜片4与激光参数测试设备的测量模块同心设置且能够完全覆盖测量模块；衰减取样镜片4的外表面镀设有第一高反射介质膜，所述第一高反射介质膜与多个外围区域的抗激光损伤阈值按照大小排列后依次呈阶梯状递减。在本实施例中，由于本实施例中高能激光的强度分布特征为高斯型，该防护基板包括中空设置的中心区域，以及依次围设在中心区域外围的第一区域和第二区域，该中心区域对应高能激光中激光强度较高的光强区域，第一区域对应高能激光中激光强度居中的光强区域，第二区域对应高能激光中激光强度较低的光强区域，以此实现具有高斯型强度分布特征的高能激光的分区防护。在其它实施例中，基于上述防护原理，对于激光强度非均匀分布的高能激光，该防护基板1也可以根据高能激光实际的强度分布特征划分防护区域，进而实现分区防护。
参照图1，在本实施例中，该防护基板1的中心区域嵌设有衰减取样镜片4，衰减取样镜片4与激光参数测试设备的测量模块同心设置且能够完全覆盖测量模块，并且该衰减取样镜片4的形状和尺寸与激光参数测试设备中测量模块的形状和尺寸均相同。在本实施例中，衰减取样镜片4的外表面镀设有第一高反射介质膜，用于实现高能激光中激光强度较高的光强区域的防护。该防护基板1中第一区域的外表面设置有防护镜片3，其外表面镀设有第二高反射介质膜，用于实现高能激光中激光强度居中的光强区域的防护。该防护基板中第二区域的外表面设置有金属箔2，用于实现高能激光中激光强度较低的光强区域的防护。由上述设定可知，基于本发明实施例中高能激光高斯型的强度分布特征，防护基板的中心区域、第一区域、第二区域的抗激光损伤阈值依次递减。
在本实施例中，高斯型高能激光的光强分布可表示为：
其中I0为光斑中心峰值光强，ω为光斑半径(取峰值光强1/e2位置处的光斑半径)，x和y分别为光斑在直角坐标系中的横向坐标和纵向坐标，本实施例中设I0＝20kW/cm2，ω＝5cm。通常情况下，激光参数测试设备中的测量模块需要覆盖高能激光中激光强度较高的光强区域，该区域内激功率密度高、光斑强度起伏大，需要兼顾高损伤阈值和大倍率定量衰减的性能指标，用于实现激光参数测试设备的防护和精确测量，因此，本实施例采用具有高反射率、高损伤阈值的衰减取样镜片4，根据激光参数测试设备的布局，将衰减取样镜片4按照预设的方式可拆卸地安装在其上，而本实施例中衰减取样镜片4的直径不小于10cm，其抗激光损伤阈值高于10kW/cm2。相较于激光强度较高的光强区域，激光强度居中的光强区域内激光功率密度下降明显，如大于1kW/cm2，此时常用的金属类防护板仍然难以满足重量和抗激光损伤阈值的双重要求，因此本实施例采用轻量化，并且具有高反射率、高损伤阈值的防护镜片3来对激光参数设备中的其它功能模块进行防护，其尺寸可根据高能激光的功率密度确定，而本实施例中防护镜片3的外围直径不小于15cm，且抗激光损伤阈值高于1kW/cm2。由于该激光参数设备搭载于飞行平台5上，而飞行平台5或其关键组件的抗激光损伤阈值较低，因此本实施例采用金属箔2粘贴在防护基板1的第二区域，使抗激光损伤阈值高于0.1kW/cm2，用于对飞行平台5进行防护，粘贴时金属箔2需压平，保证相互之间无缝隙。并且，由于防护基板1的尺寸要大于整体需要防护的尺寸，因此本实施例中防护基板1的外围直径不小于34.6cm，其中心区域、衰减取样镜片4与激光参数测试设备中测量模块的形状和尺寸均相同。在本实施例中，该防护基板1与激光参数测试设备的测量模块同心设置，两者通过螺接或粘接的方式可拆卸连接，拆卸方便。
为了实现轻量化设计，本实施例中的防护基板1的厚度为2～3mm，其材质为碳纤维，衰减取样镜片4的厚度不超过长度的1/10，防护镜片3的厚度为0.3～1mm，其基底材质为石英或白宝石，金属箔2的厚度为0.1～1mm，其材质为铝、铜、金的任一种，而且防护镜片3、金属箔2均与防护基板1粘接。此外，在实际应用中，使用人员可根据高能激光实际的激光强度阈值选择粘贴单块金属箔2，或者叠加粘贴多块金属箔2，以增强防护基板1的抗激光损伤阈值。
最后应说明的是：以上实施例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，可以对前述各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 (10)
1.一种基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，确定高能激光的强度分布特征；
步骤2，根据所述强度分布特征将所述高能激光划分为多个光强区域，使得多个光强区域的激光强度阈值，按照大小依次排列后呈阶梯状分布；
根据所述强度分布特征设置与多个光强区域对应的多个防护区域；
步骤3，根据多个光强区域的激光强度阈值，分别确定多个防护区域的抗激光损伤阈值，并根据每个防护区域的抗激光损伤阈值选取对应的防护材料，其中，多个激光强度阈值与多个抗激光损伤阈值一一对应；
步骤4，将所述高能激光的多个光强区域，分别照射至与之对应的防护区域内，即可实现高能激光的分区防护。
2.根据权利要求1所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，其特征在于：步骤1中，所述高能激光的强度分布特征为高斯型。
3.一种基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，用于实现权利要求1或2所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护方法，其设置在激光参数测试设备上，所述激光参数测试设备设置于飞行平台(5)外侧，且与飞行平台(5)的控制台连接，其特征在于：包括防护基板(1)，所述防护基板(1)包括中空设置的中心区域，以及设置在所述中心区域外围的多个外围区域；
所述中心区域设置有衰减取样镜片(4)，衰减取样镜片(4)与所述激光参数测试设备的测量模块同心设置且能够完全覆盖测量模块；所述衰减取样镜片(4)的外表面镀设有第一高反射介质膜，所述第一高反射介质膜与多个外围区域的抗激光损伤阈值按照大小排列后依次呈阶梯状递减。
4.根据权利要求3所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述外围区域的数量为两个，包括依次围设在所述中心区域外围的第一区域和第二区域；
所述第一区域的外表面设置有防护镜片(3)，所述防护镜片(3)的外表面镀设有第二高反射介质膜；所述第二区域的外表面设置有金属箔(2)；
所述第一高反射介质膜、第二高反射介质膜及金属箔(2)的抗激光损伤阈值逐次递减。
5.根据权利要求4所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述衰减取样镜片(4)的厚度不超过其长度的1/10。
6.根据权利要求5所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述防护镜片(3)的厚度为0.3～1mm，其基底材质为石英或白宝石。
7.根据权利要求6所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述金属箔(2)的厚度为0.1～1mm，其材质为铝、铜、金的任一种。
8.根据权利要求7所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述防护基板(1)的厚度为2～3mm，其材质为碳纤维。
9.根据权利要求4-8任一所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述防护镜片(3)、金属箔(2)均与所述防护基板(1)粘接。
10.根据权利要求9所述的基于强度分布特征的高能激光分区防护装置，其特征在于：所述防护基板(1)与所述激光参数测试设备可拆卸连接。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115165084A (zh) | 2022-10-11 |
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