CN117347015A - 高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统，涉及激光光束质量测量技术领域。该测量系统包括高能激光器、靶斑仪和成像系统；成像系统包括沿成像光路依次设置的发射与成像光路单元、分光单元和图像传感器，高能激光器发射的光束依次通过分光单元和发射与成像光路单元传输至靶斑仪，形成高能激光发射光路；分光单元与发射与成像光路单元之间的成像光路与高能激光发射光路共轴设置。基于上述系统，能够利用成像系统采集的实拍图像计算成像系统的外场调质传递函数，并以此计算大气光学传递函数，在此基础上计算出的大气相干长度能够有效反映传输通道上大气湍流的影响，进而高精度地反演出高能激光光束质量。

Description

高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统

技术领域

本发明涉及激光光束质量测量技术领域，尤其涉及一种高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统。

背景技术

光束质量是衡量高能激光系统性能的重要指标之一，光束质量的准确测量和评价对研制高能激光系统有重要的指导意义，尤其是高能激光系统着眼于远场能量集中和聚焦效应，高光束质量相对于高能量或高功率甚至更为重要。

为了有效提升高能激光系统远场聚焦能力，系统发射口径逐渐增大，给内场测量高能激光系统发射光束质量带来难题，外场测量方法逐渐被应用于高能激光光束质量测量领域中。目前，高能激光光束质量外场测量方法主要是通过阵列探测器法测量高能激光系统的远场到靶光束质量。并且，由于高能激光在大气中的传输会受到大气湍流、热晕效应等因素的影响，导致到靶光斑扩展、漂移等，需要采用大气相干长度仪测量高能激光传输通道附近的大气相干长度，再结合远场到靶光束质量便可以反演出高能激光系统发射光束质量。

但是，大气相干长度仪主要是应用于静态靶斑仪测量光束质量试验中，且需要安放在高能激光传输通道附近的地面路径上，导致其无法有效反馈出高能激光热晕效应对传输通道上大气湍流的影响。而且，在外场动态靶斑仪测量远场到靶光束质量试验中，若仍然利用地面固定路径上的大气相干长度反演高能激光光束质量，会导致反演出的结果可信度下降。

有鉴于此，有必要设计一种改进的高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统。本发明通过在高能激光器和靶斑仪之间的高能激光传输通道上设置成像系统，并利用成像系统采集高能激光传输通道上的实拍图像，能够实时计算高能激光传输通道上的大气相干长度，从而以较高的精度准确反演出高能激光光束质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量系统，包括高能激光器、靶斑仪、设置于所述高能激光器和所述靶斑仪之间的成像系统；所述成像系统包括沿成像光路依次设置的发射与成像光路单元、分光单元和图像传感器，所述高能激光器发射的光束依次通过所述分光单元和所述发射与成像光路单元传输至所述靶斑仪，形成高能激光发射光路；所述分光单元与所述发射与成像光路单元之间的成像光路与所述高能激光发射光路共轴设置。

作为本发明的进一步改进，所述高能激光器为光纤激光器；所述光纤激光器的输出光强遵循高斯分布，输出波段为1μm波段。

作为本发明的进一步改进，所述靶斑仪为阵列靶斑仪系统，测量波长为1064nm±50nm。

作为本发明的进一步改进，所述发射与成像光路单元为离轴反射式光路，输出口径为500mm。

作为本发明的进一步改进，所述分光单元为设置有分光膜的平面镜，用于使可见光反射，使高能激光透射；所述平面镜的镜面与所述高能激光发射光路的夹角为45°。

作为本发明的进一步改进，所述图像传感器为CMOS图像传感器，成像波段为0.6~0.9μm。

为实现上述目的，本发明还提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量方法，采用上述技术方案中提供的高能激光光束质量外场高精度测量系统进行测量，包括如下步骤：

S1、利用所述成像系统采集高能激光传输通道上的实拍图像，根据所述实拍图像计算所述成像系统的外场调质传递函数；

S2、根据调质传递函数的级联特性，利用所述成像系统的自身调质传递函数与步骤S1中得到的所述外场调质传递函数计算大气光学传递函数，并反演出高能激光传输通道上的大气相干长度；

S3、利用所述靶斑仪测量到靶光束质量，再结合步骤S2得到的所述大气相干长度计算高能激光光束质量。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述成像系统采集所述靶斑仪的实拍图像，并利用所述实拍图像中靶斑仪的边缘作为靶标，采用刃边法计算所述实拍图像对应的所述外场调质传递函数。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述大气光学传递函数的计算公式如下：

；

其中，MTF_tur为大气光学传递函数，MTF_sys为外场调质传递函数，MTF_odd为自身调质传递函数；

所述大气相干长度根据如下公式进行反演：

；

其中，λ为成像波长，f为成像系统光学焦距，υ为空间频率，L为成像距离，r₀为大气相干长度。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述高能激光光束质量的计算公式如下：

；

其中，β为高能激光光束质量，β_sys为到靶光束质量，D为输出口径。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的高能激光光束质量外场高精度测量方法，通过在高能激光器和靶斑仪之间的高能激光传输路径上设置成像系统，并利用成像系统采集高能激光传输通道上的实拍图像，能够基于实拍图像计算成像系统的外场调质传递函数，再根据级联特性计算大气光学传递函数，便能实时计算出高能激光传输通道上的大气相干长度，有效反映出高能激光长时间传输对传输通道上大气湍流的影响，再结合靶斑仪的到靶光束质量即可高精度地反演出高能激光光束质量。

2、本发明提供的高能激光光束质量外场高精度测量系统结构简单，涉及的测量器件较少，测量精度较高，适用于静态、动态外场高能激光光束质量的高精度测量，具有较高的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的高能激光光束质量外场高精度测量系统的结构示意图。

图2为本发明提供的高能激光光束质量外场高精度测量方法的流程示意图。

附图标记：

1-高能激光器；2-靶斑仪；3-成像系统；31-发射与成像光路单元；32-分光单元；33-图像传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1，本发明提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量系统，包括高能激光器1、靶斑仪2、设置于高能激光器1和靶斑仪2之间的成像系统3；成像系统3包括沿成像光路依次设置的发射与成像光路单元31、分光单元32和图像传感器33，高能激光器1发射的光束依次通过分光单元32和发射与成像光路单元31传输至靶斑仪2，形成高能激光发射光路。其中，分光单元32与发射与成像光路单元31之间的成像光路与高能激光发射光路采用共轴技术进行共轴设置，用于保证成像光轴和高能激光发射光路一致，以便实时测量高能激光对传输通道上大气相干长度的影响。

通过上述方式，能够利用成像系统3采集高能激光传输通道上的实拍图像，以便实时计算高能激光传输通道上的大气相干长度，从而以较高的精度准确反演出高能激光光束质量。

在本发明的一些实施例中，高能激光器1优选为光纤激光器，更优选为连续光纤激光器。更具体地，该光纤激光器的输出光强遵循高斯分布，输出波段为1μm波段。

靶斑仪2优选为阵列靶斑仪系统。在本发明的一些实施例中，该阵列靶斑仪系统的探测器数量 1200个，测量波长为1064nm±50nm，测量区域尺寸为500mm×500mm。在测量过程中，优选将靶斑仪2置于距离发射与成像光路单元31两千米的位置，并略微倾斜靶斑仪2，使靶斑仪2与垂直于成像光轴的平面保持约5°的夹角，以使成像背景更加干净。

发射与成像光路单元31优选为离轴反射式光路。在本发明的一些实施例中，该发射与成像光路单元31的输出口径为500mm，在测量过程中将其放置于水平跟踪架上。

分光单元32优选为镀制有分光膜的平面镜，用于使可见光反射，使高能激光透射。更具体地，该平面镜使用熔石英材料，在测量过程中，将平面镜倾斜放置，使平面镜的镜面与所述高能激光发射光路的夹角为45°。

图像传感器33优选为CMOS图像传感器，成像波段优选为0.6~0.9μm。

请结合参阅图2，本发明还提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量方法，采用上述技术方案中提供的高能激光光束质量外场高精度测量系统进行测量，包括如下步骤：

S1、基于实拍图像的系统MTF自动计算：利用成像系统3采集高能激光传输通道上的实拍图像，根据实拍图像计算成像系统3的外场调质传递函数；

S2、根据调质传递函数的级联特性，利用成像系统3的自身调质传递函数与步骤S1中得到的外场调质传递函数计算大气光学传递函数，并反演出高能激光传输通道上的大气相干长度；其中，成像系统3的自身调质传递函数在成像系统3出厂时便完成标定，为已知参数；

S3、利用靶斑仪2测量到靶光束质量，再结合步骤S2得到的大气相干长度计算高能激光光束质量。

在步骤S1中，成像系统3采集的实拍图像优选为靶斑仪2的实拍图像，在此基础上，优选该实拍图像中靶斑仪2的边缘作为靶标，采用刃边法计算拍摄到的每一帧实拍图像对应的外场调质传递函数。其中，刃边法为计算调质传递函数的常用方法，在此不对其具体计算步骤进行赘述。在本发明的其他实施例中，也可以选择靶斑仪2附近的其他直线作为刃边法中的靶标，或者根据需要选择其他的计算方法对外场调质传递函数进行计算，本发明并不以此为限。

在步骤S2中，大气光学传递函数的计算公式如下：

；

其中，MTF_tur为大气光学传递函数，MTF_sys为外场调质传递函数，MTF_odd为自身调质传递函数。

大气相干长度根据如下公式进行反演：

；

其中，λ为成像波长，f为成像系统光学焦距，υ为空间频率，L为成像距离，r₀为大气相干长度。

在步骤S3中，高能激光光束质量的计算公式如下：

；

其中，β为高能激光光束质量，β_sys为到靶光束质量，D为输出口径。

通过上述方式，本发明能够实时计算出高能激光传输通道上的大气相干长度，有效反映出高能激光长时间传输对传输通道上大气湍流的影响，从而高精度地反演出高能激光光束质量。

下面结合一个具体的实施例对本发明提供的高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量系统，包括高能激光器1、靶斑仪2、设置于高能激光器1和靶斑仪2之间的成像系统3；成像系统3包括沿成像光路依次设置的发射与成像光路单元31、分光单元32和图像传感器33，高能激光器1发射的光束依次通过分光单元32和发射与成像光路单元31传输至靶斑仪2，形成高能激光发射光路。

其中，分光单元32与发射与成像光路单元31之间的成像光路与高能激光发射光路采用共轴技术进行共轴设置，用于保证成像光轴和高能激光发射光路一致，以便实时测量高能激光对传输通道上大气相干长度的影响。

更具体地，本实施例中采用的高能激光器1为连续光纤激光器，其输出光强遵循高斯分布，输出波段为1μm波段。

本实施例中采用的靶斑仪2为阵列靶斑仪系统，其探测器数量 1200个，测量波长为1064nm±50nm，测量区域尺寸为500mm×500mm。在测量过程中，将靶斑仪2置于距离发射与成像光路单元31两千米的位置，并略微倾斜靶斑仪2，使靶斑仪2与垂直于成像光轴的平面保持约5°的夹角，以使成像背景更加干净。

本实施例中采用的发射与成像光路单元31为离轴反射式光路，其输出口径为500mm，在测量过程中将其放置于水平跟踪架上。

本实施例中采用的分光单元32为镀制有分光膜的平面镜，用于使可见光反射，使高能激光透射。该平面镜使用熔石英材料，在测量过程中，将平面镜倾斜放置，使平面镜的镜面与所述高能激光发射光路的夹角为45°。

本实施例中采用的图像传感器33为CMOS图像传感器，成像波段为0.6~0.9μm。

基于上述高能激光光束质量外场高精度测量系统，本实施例还提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量方法，具体包括如下步骤：

S1、基于实拍图像的系统MTF自动计算

利用成像系统3采集高能激光传输通道上靶斑仪2的实拍图像，并以实拍图像中靶斑仪2的边缘作为靶标，采用刃边法计算拍摄到的每一帧实拍图像对应的成像系统3的外场调质传递函数MTF_sys。

S2、大气光学传递函数计算和高能激光传输通道上大气相干长度计算

根据调质传递函数的级联特性，利用成像系统3的自身调质传递函数MTF_odd与步骤S1中得到的外场调质传递函数MTF_sys计算大气光学传递函数MTF_tur，计算公式如下：

；

再根据如下公式反演出高能激光传输通道上的大气相干长度r₀：

；

其中，λ为成像波长，f为成像系统光学焦距，υ为空间频率，L为成像距离，r0为大气相干长度。

S3、高能激光发射光束质量计算

利用靶斑仪2测量到靶光束质量β_sys，再结合步骤S2得到的大气相干长度r₀，按照如下公式计算高能激光光束质量：

；

其中，β为高能激光光束质量，β_sys为到靶光束质量，D为输出口径。

通过上述方式，本实施例能够利用成像系统3采集高能激光传输通道上的实拍图像，基于该实拍图像可以计算成像系统3的外场调质传递函数，再根据级联特性计算大气光学传递函数，便能实时计算出高能激光传输通道上的大气相干长度，有效反映出高能激光长时间传输对传输通道上大气湍流的影响，再此基础上再结合靶斑仪的到靶光束质量即可高精度地反演出高能激光光束质量。该测量方法使用的测量系统结构简单，涉及的测量器件较少，测量精度较高，适用于静态、动态外场高能激光光束质量的高精度测量，具有较高的实际应用价值。

综上所述，本发明提供了一种高能激光光束质量外场高精度测量方法及系统，涉及激光光束质量测量技术领域。该测量系统包括高能激光器1、靶斑仪2和成像系统3；成像系统3包括沿成像光路依次设置的发射与成像光路单元31、分光单元32和图像传感器33，高能激光器1发射的光束依次通过分光单元32和发射与成像光路单元31传输至靶斑仪2，形成高能激光发射光路；分光单元32与发射与成像光路单元31之间的成像光路与高能激光发射光路共轴设置。基于上述系统，能够利用成像系统3采集的实拍图像计算成像系统的外场调质传递函数，并以此计算大气光学传递函数，在此基础上计算出的大气相干长度能够有效反映传输通道上大气湍流的影响，进而高精度地反演出高能激光光束质量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高能激光光束质量外场高精度测量系统，其特征在于：包括高能激光器、靶斑仪、设置于所述高能激光器和所述靶斑仪之间的成像系统；所述成像系统包括沿成像光路依次设置的发射与成像光路单元、分光单元和图像传感器，所述高能激光器发射的光束依次通过所述分光单元和所述发射与成像光路单元传输至所述靶斑仪，形成高能激光发射光路；所述分光单元与所述发射与成像光路单元之间的成像光路与所述高能激光发射光路共轴设置。

2.根据权利要求1所述的高能激光光束质量外场高精度测量系统，其特征在于：所述高能激光器为光纤激光器；所述光纤激光器的输出光强遵循高斯分布，输出波段为1μm波段。

3.根据权利要求1所述的高能激光光束质量外场高精度测量系统，其特征在于：所述靶斑仪为阵列靶斑仪系统，测量波长为1064nm±50nm。

4.根据权利要求1所述的高能激光光束质量外场高精度测量系统，其特征在于：所述发射与成像光路单元为离轴反射式光路，输出口径为500mm。

5.根据权利要求1所述的高能激光光束质量外场高精度测量系统，其特征在于：所述分光单元为设置有分光膜的平面镜，用于使可见光反射，使高能激光透射；所述平面镜的镜面与所述高能激光发射光路的夹角为45°。

6.根据权利要求1所述的高能激光光束质量外场高精度测量系统，其特征在于：所述图像传感器为CMOS图像传感器，成像波段为0.6~0.9μm。

7.一种高能激光光束质量外场高精度测量方法，其特征在于，采用权利要求1~6中任一权利要求所述的高能激光光束质量外场高精度测量系统进行测量，包括如下步骤：

S1、利用所述成像系统采集高能激光传输通道上的实拍图像，根据所述实拍图像计算所述成像系统的外场调质传递函数；

S2、根据调质传递函数的级联特性，利用所述成像系统的自身调质传递函数与步骤S1中得到的所述外场调质传递函数计算大气光学传递函数，并反演出高能激光传输通道上的大气相干长度；

S3、利用所述靶斑仪测量到靶光束质量，再结合步骤S2得到的所述大气相干长度计算高能激光光束质量。

8.根据权利要求7所述的高能激光光束质量外场高精度测量方法，其特征在于：在步骤S1中，所述成像系统采集所述靶斑仪的实拍图像，并利用所述实拍图像中靶斑仪的边缘作为靶标，采用刃边法计算所述实拍图像对应的所述外场调质传递函数。

9.根据权利要求7所述的高能激光光束质量外场高精度测量方法，其特征在于：在步骤S2中，所述大气光学传递函数的计算公式如下：

；

其中，MTF_tur为大气光学传递函数，MTF_sys为外场调质传递函数，MTF_odd为自身调质传递函数；

所述大气相干长度根据如下公式进行反演：

；

其中，λ为成像波长，f为成像系统光学焦距，υ为空间频率，L为成像距离，r₀为大气相干长度。

10.根据权利要求9所述的高能激光光束质量外场高精度测量方法，其特征在于：在步骤S3中，所述高能激光光束质量的计算公式如下：

；

其中，β为高能激光光束质量，β_sys为到靶光束质量，D为输出口径。