CN116105543A - 一种360°被动探测与共口径激光发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光防御技术领域,具体涉及一种360°被动探测与共口径激光发射装置。包括多谱段激光器单元、红外探测单元、360°×90°转动单元、共口径中继光学单元和共口径离轴三反光学系统单元;所述多谱段激光器单元,用于将多谱段光束合成,并发射光束;红外探测单元用于探测目标;所述共口径中继光学单元,用于将合成的光束通过360°×90°转动单元,传递到共口径离轴三反光学系统单元内,或传递探测目标发出的光束;所述共口径离轴三反光学系统单元,用于将光束发射出去,同时用于接收探测目标光束,实现目标跟踪。本发明采用单探测通道,使得常用的双探测器复合轴跟踪体制简化为单探测器复合轴跟踪架构,提高了一体化设计集成度。
Description
技术领域
本发明属于激光防御技术领域,具体涉及一种360°被动探测与共口径激光发射装置。
背景技术
具有高光束质量、高亮度和高能量的激光是光电对抗领域应用较广泛的一种兼具软硬杀伤能力的定向能,可用于高能量激光毁伤或低能量激光干扰等。
激光干扰压制手段,能够在不对目标及其光电侦察装置产生毁伤的前提下,起到警示驱离、干扰欺骗和反向压制的作用。已有的激光对抗装备多采用双通道设计思路,目标探测跟踪通道和激光发射通道,在使用之前,均需要通过特定的光轴对准装置对探测通道的视轴和激光发射光轴进行校准,导致设备复杂度增加,使用过程复杂。尤其对于天基装备,人为操控校准的可能性较低,不适合星载等远端平台的使用。常用的复合轴目标跟踪瞄准一般由双探测器完成,设备需在探测捕获探测器和跟踪瞄准探测器之间切换,以完成对目标的持续跟踪瞄准。不同探测器切换,高低帧频的应用导致目标信息容易丢失。此外,双探测器复合轴跟踪架构也增加了使用前视轴校准的复杂度。
发明内容
为解决背景技术中提到的缺陷,本发明展示了一种360°被动探测与共口径激光发射装置。
为实现上述目的,现提供技术方案如下:
一种360°被动探测与共口径激光发射装置,包括多谱段激光器单元、红外探测单元、360°×90°转动单元、共口径中继光学单元和共口径离轴三反光学系统单元;
所述多谱段激光器单元,用于将多谱段光束合成,并发射光束;
红外探测单元,设置在多谱段激光器单元的下部,用于探测目标;
所述共口径中继光学单元,设置在360°×90°转动单元内,用于将合成的光束通过360°×90°转动单元,传递到共口径离轴三反光学系统单元内,或传递探测目标发出的光束;
360°×90°转动单元用于调整共口径离轴三反光学系统单元的转动角度和俯仰角度;
所述共口径离轴三反光学系统单元,用于将光束发射出去,同时用于接收探测目标光束,实现目标跟踪。
进一步的,所述多谱段激光器单元包括合成束镜,合成束镜将长波红外激光支路、可见光、近红外光和中波红外支路合束为平行光束。
进一步的,360°×90°转动单元包括空心转动组件和空心俯仰组件,空心俯仰组件设置在空心转动组件的上部,空心转动组件用于360°转动,空心俯仰组件用于90°俯仰角度的调整。
进一步的,所述共口径中继光学单元,包括精确瞄准快反镜和开孔分光组件;精确瞄准快反镜实现高精度探测捕获、跟踪瞄准和激光发射指向。
进一步的,所述共口径离轴三反光学系统单元是探测跟踪瞄准单元支路的接收窗口和激光发射支路的发射窗口,包括折轴镜、主镜、二镜和三镜。
本发明的有益效果:
本发明采用单探测通道,兼顾探测捕获和跟踪瞄准功能,通过探测传感芯片开窗和光学调焦方式,获取不同探测精度的目标信息,克服了传统复合轴探测跟踪使用双探测通道实现目标跟踪瞄准的缺点,使得常用的双探测器复合轴跟踪体制简化为单探测器复合轴跟踪架构,降低了系统复杂度,提高了一体化设计集成度。
本发明采用转动机构粗跟踪+快反镜精跟踪的大空域目标探测跟踪方法,快反镜置于转动机构旋转臂内部,无需再采取额外的扫描补偿镜,巧妙解决了360°×90°空域探测跟踪与激光指向覆盖问题。
本发明采用模块化设计方案,采用全波段反射光学镜组,可根据需求扩展或缩减必要的激光器光源,使得干扰装置能够用于不同波段的光电对抗。
本发明采用共口径共光路方案,具有开机自校准功能,克服对额外校准机构的依赖,可做到瞄准即命中,系统工作稳定性和可靠度明显提升。
附图说明
图1为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的光路原理示意图;
图2为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的立体结构示意图;
图3为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的的探测目标光束入射路径光路图;
图4为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的发射光束路径示意图;
图5为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的共口径离轴三反光学系统单元结构示意图;
图6为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的共口径离轴三反光学系统单元光路示意图;
图7为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的360°×90°转动单元结构图;
图8为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的合成束镜结构示意图;
图9为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的变焦光学系统结构示意图;
图10为一种360°被动探测与共口径激光发射装置的多谱段激光器单元结构示意图;
图11为合束后的近场光斑分布示意图;
图12为远距离距离处的光斑分布形状图;
图13为精确瞄准快反镜对光束的指向偏转示意图;
其中:1、多谱段激光器单元;11、合成束镜;12、变焦光学系统;2、红外探测单元;3、360°×90°转动单元;31、空心转动组件;32、空心俯仰组件;4、共口径中继光学单元;5、共口径离轴三反光学系统单元;51、折轴镜;52、主镜;53、二镜;54、三镜;
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明技术方案,下面结合附图对本发明技术方案进行详细描述,但本发明的实施方式不限于此。
一种360°被动探测与共口径激光发射装置,包括多谱段激光器单元、红外探测单元、360°×90°转动单元、共口径中继光学单元和共口径离轴三反光学系统单元;
所述多谱段激光器单元,用于将多谱段光束合成,并发射光束;
红外探测单元,设置在多谱段激光器单元的下部,用于探测目标;
所述共口径中继光学单元,设置在360°×90°转动单元内,用于将合成的光束通过360°×90°转动单元,传递到共口径离轴三反光学系统单元内,或传递探测目标发出的光束;
360°×90°转动单元用于调整共口径离轴三反光学系统单元的转动角度和俯仰角度;
所述共口径离轴三反光学系统单元,用于将光束发射出去,同时用于接收探测目标光束,实现目标跟踪。
所述共口径离轴三反光学系统单元是探测跟踪瞄准单元支路的接收窗口和激光发射支路的发射窗口,包括折轴镜、主镜、二镜和三镜。
所述共口径离轴三反系统单元,同时是探测跟踪瞄准单元支路的接收窗口和激光发射支路的发射窗口,离轴三反光学系统单元设置在360°×90°转动单元上。离轴三反系统内部镜片均为全反射镀膜,波长覆盖0.4~11μm,可保证全波段激光反射率不低于96%。如图6,共口径离轴三反系统单元的光路图
所述多谱段激光器单元包括合成束镜,合成束镜将长波红外激光支路、可见光、近红外光和中波红外支路合束为平行光束,保证同轴度。激光发射谱段包含0.4~0.7μm,0.9~1.7μm、2~3.8μm和7.5~10.5μm。所述多谱段激光器的三个激光器各占一个独立模块,包括可见-近红外超连续谱激光器,中波红外超连续谱激光器、长波红外光激光器,由专用光学镜片各自对光束准直和扩束,并汇入中继光学单元。
合成束镜挖孔设计有效屏蔽装置自身的红外激光进入红外探测系统导致的杂散光,规避了回波损耗,避免对红外探测成像的干扰。
如图7,360°×90°转动单元包括空心转动组件和空心俯仰组件,空心俯仰组件设置在空心转动组件的上部,空心转动组件用于360°转动,空心俯仰组件用于90°俯仰角度的调整。360°×90°转动单元内为空心单臂转动结构,结构内部设有多个光学镜片,是共口径中继光学单元的光学折转部分。
所述共口径中继光学单元,包括精确瞄准快反镜和开孔分光组件;精确瞄准快反镜实现高精度探测捕获、跟踪瞄准和激光发射指向。
探测跟踪瞄准,通过“粗跟踪”+“精跟踪”复合跟踪架构完成对目标的高精度高动态跟踪瞄准。由360°×90°转动单元的转动实现360度和90度大范围跟踪,由精确瞄准快反镜偏转实现视轴稳定和高精度高动态跟踪瞄准。
采用共口径方案的光机系统,其跟踪瞄准光学探测分系统获取目标位置和运动信息,激光发射分系统发射多谱段激光,目标辐射信息接收和激光发射镜共光路光学系统实现共口径收发,无需设置提前瞄准量,实现瞄哪打哪。收发一体设计要求共光路部分具有极高的平行度,50μrad以上的同轴度就会产生较大的光束指向偏离,降低作用效率。
一种360°被动探测与共口径激光发射装置中,光源由可见光近红外超连续谱激光、中波红外超连续谱激光和长波红外量子级联激光光源组成,出射激光分别通过光纤准直耦合和空间传输耦合方式进入激光合束光路。
合束后的近场光斑分布示意不同波段的激光光束沿对角分布,且沿对角方向的发散角不高于5mrad,出光口近场光斑直径不超过5mm。依据作用目标距离调整光斑位置,不同光束的激光在远距离位置处的由于光斑尺寸扩散近似合为一束。所有光斑尺寸均参考全光束能量的0.84倍计算,远距离距离处的光斑分布形状如图12所示。
目标跟踪瞄准由长波红外探测器及变焦光学系统组成,长波红外探测器为制冷型探测器,探测器正常工作温度为77K。变焦光学系统为透射式红外光学系统,具备2倍变焦能力,配合红外探测器开窗,获取2种目标探测分辨率和精度,实现目标远距离探测和近距离高精度跟踪瞄准功能。
合束后的多谱段激光与目标跟踪瞄准光路经激光/成像共光路部分合二为一,如图13所示,为避免合束后激光光束散射进入红外成像系统,激光/成像合束共光路采取挖孔设计。合束后激光经中间挖孔部位穿过,红外辐射信息由外侧环形反射镜区域反射进入红外光学系统。挖孔设计有效屏蔽装置自身的红外激光进入红外探测系统导致的杂散光,规避了回波损耗,避免对红外探测成像的干扰。
如图9所示,分别为变焦光学系统和长波红外探测器,两者组成红外探测成像系统。红外探测系统工作在1倍焦距模式下,探测系统具有2.5°×2.0°的较大的视场,成像分辨率低,可完成对目标的探测捕获功能;初步识别目标后,变焦光学系统切换到2倍焦距模式下,此时,探测传感器开启开窗功能,工作模式转为跟踪瞄准模式,视场缩小为原来的四分之一,但分辨率提高为原来的2倍,在此工作模式下,完成对目标的威胁识别和持续跟踪瞄准。
红外探测光学系统的探测能力由其接收通光口径和探测灵敏度决定,最低可探测光照度(镜头前)可以表示为
式中,n为目标在探测器靶面上的成像所占像元数,SNRmin为成像信噪比,工程上一般取值5,Δf为噪声等效带宽,与探测器带宽T成反比Δf=1/2T,τa为大气透过率(天基环境中τa=1),τ0为光学系统透过率,Q为遮拦比,D0为光学系统接收入瞳口径,D*为探测器的比探测率(国产探测器的D*取1×1011cmHz1/2W-1),Ad为单元探测器面积。
中继光学系统由激光/成像共光路光学镜片、空心方位和俯仰轴及快反镜的平面镜片组成,起到承上启下的中继过度作用。中继光学系统采用类似库德光路设计,可保持光源位置不变,光束指向能够随方位和俯仰轴系转动。
合束后的激光光束经中继光学进入离轴三反扩束系统后照射到目标表面。目标辐射经离轴三反光学系统进入中继光学系统,由变焦光学系统聚焦后照射到红外制冷探测器光敏面。
如图5所示,为离轴三反光学系统,5倍光学放大率,起到压缩激光光束发散角和探测视场角作用,是目标探测与激光发射的共口径窗口。离轴三反光学系统由主镜、二镜和三镜共三片全反射镜镜片组成,折轴镜位于离轴三反系统底部,起到光束折转作用。离轴三反光学系统内部的所有镜片表面镀有对可见光、近红外、中波红外和长波红外的全反射膜,在全波段范围内接近衍射极限。光束发散角经离轴三反系统后被5倍压缩,探测视场角也相应压缩为2.5°×2.0°视场。
图5所示,红外被动探测视轴与激光发射在离轴三反光学出口位置共口径,在空心转动方位和俯仰结构内部及激光/成像合束单元位置共光路,系统组成复杂,但采取模块化设计,整个装置最终实现一体化收发共口径设计,完成目标辐射能量收集和高能量激光发射。
图13中精确瞄准快反镜组件置于空心俯仰转动组件内部,用于光束偏转和指向的精确控制,快反镜对光束的指向偏转作用,光束沿与快反镜平面镜成45°入射,且入射空间方向保持不变,快反镜由电机驱动转动角度θ,则出射光束方向由1变化到2,出射空间方向变化角度最大为2θ。由于快反镜处于共光路部分,目标光学信号进入系统后,其随快反镜偏转角度的变化也遵循以上规律。整个系统装置依据目标高精度跟瞄信息,精确调整快反镜角度,使得干扰激光能够精确指向并覆盖目标。
图5为共口径离轴三反光学系统单元,包含箱体组件、主镜组件、次镜组件、三镜组件和遮光罩。各组件统一安装在具有大结构刚度和高强度的箱体,以实现三反光学整体装配和安装。通过抛物面主镜和抛物面次镜将激光光束按照设计的放大倍率进行扩束,压缩激光发散角,使得激光在远距离位置处的功率密度仍能满足功率密度阈值要求。
图7为360°×90°转动单元,俯仰和转动方位轴系均为空心结构,由轴座、编码器、轴承和电机等组成,实现转动和俯仰,内置光学折转镜片和精确瞄准快反镜装置。该单元采用单臂设计,俯仰结构直连离轴三反全反射单元,用于共口径窗口的大空域回转探测与指向覆盖。
图8为探测跟踪支路与激光发射支路的共光路中的中心开孔镜。采用中心挖孔方式,保证多谱段激光无衰减通过中心开孔后进入上方折转光学镜片,传输过程中能量无衰减。上方目标光学探测信息,通过中心开孔镜周边平面折转进入红外探测镜头。
图9为探测跟踪瞄准单元,包括变焦镜头、长波红外探测器,变焦镜头包括前镜组、镜筒、后镜组和变焦驱动电机。采用变焦设计,配合探测传感芯片开窗,获取不同精度的目标位置和运动信息,匹配干扰装置在探测捕获与跟踪瞄准等工作模式之间的切换,所述镜头焦距在f和2f两者间切换。长波红外制冷探测器包含杜瓦、制冷组件和焦平面传感器芯片。采用长波探测器可实现全天候探测能力,优势明显。
图10为多谱段激光合束组件,包含部分激光器组件和多谱段多光束合束发射单元。考虑到模块化设计,组件内部镜片除必要的分光镜外,全部采用全反射式设计,用于后续模块化组装和产品升级。
超连续谱激光器组件,用于出射可见、近红外和中波红外波段的超连续谱激光光源。该组件采用单板设计,结构稳定性高,能够为整机热控提供充足的散热平面。该组件与多谱段激光合束单元并列置于方位俯仰组件底部,有效提高装置的空间利用率。
以上所述,仅是本发明的最佳实施例而已,并非对本发明的任何形式的限制,任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围的情况下利用上述揭示的方法和内容对本发明做出的许多可能的变动和修饰,均属于权利要求书保护的范围。
Claims (5)
1.一种360°被动探测与共口径激光发射装置,其特征在于:包括多谱段激光器单元、红外探测单元、360°×90°转动单元、共口径中继光学单元和共口径离轴三反光学系统单元;
所述多谱段激光器单元,用于将多谱段光束合成,并发射光束;
红外探测单元,设置在多谱段激光器单元的下部,用于探测目标;
所述共口径中继光学单元,设置在360°×90°转动单元内,用于将合成的光束通过360°×90°转动单元,传递到共口径离轴三反光学系统单元内,或传递探测目标发出的光束;
360°×90°转动单元用于调整共口径离轴三反光学系统单元的转动角度和俯仰角度;
所述共口径离轴三反光学系统单元,用于将光束发射出去,同时用于接收探测目标光束,实现目标跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种360°被动探测与共口径激光发射装置,其特征在于:所述多谱段激光器单元包括合成束镜,合成束镜将长波红外激光支路、可见光、近红外光和中波红外支路合束为平行光束。
3.根据权利要求1所述的一种360°被动探测与共口径激光发射装置,其特征在于:360°×90°转动单元包括空心转动组件和空心俯仰组件,空心俯仰组件设置在空心转动组件的上部,空心转动组件用于360°转动,空心俯仰组件用于90°俯仰角度的调整。
4.根据权利要求1所述的一种360°被动探测与共口径激光发射装置,其特征在于:所述共口径中继光学单元,包括精确瞄准快反镜和开孔分光组件;精确瞄准快反镜实现高精度探测捕获、跟踪瞄准和激光发射指向。
5.根据权利要求1所述的一种360°被动探测与共口径激光发射装置,其特征在于:所述共口径离轴三反光学系统单元是探测跟踪瞄准单元支路的接收窗口和激光发射支路的发射窗口,包括折轴镜、主镜、二镜和三镜。
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2022
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