CN209462383U - 一种浮空器激光中继镜系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种浮空器激光中继镜系统，包括激光器、光束控制单元、中继镜单元；激光器以及光束控制单元设置在地面，中继镜单元设置在浮空器上；激光器发射出的光束经光束控制单元传输至中继镜单元，光束经中继镜单元聚焦发射到目标。本实用新型具备把地面上的激光能量通过浮空器上的中继镜单元传输至任何海拔高度处的目标上的功能。

Description

一种浮空器激光中继镜系统

技术领域

本实用新型属于激光能量传输技术领域，具体涉及一种浮空器激光中继镜系统。

背景技术

激光中继镜系统是通过放置在中继平台上的中继镜接收地面光源向其发射的激光束，接收光束经系统校正净化后重定向聚焦发射到目标上，从而完成激光能量的远距离传输。

现有的中继平台一般包括起重机、无人机和浮空器。2006年8月，美国空军研究实验室与波音公司在科特兰空军基地进行了中继境系统外场演示试验。实验中，激光中继重定向能量传输装置由起重机吊至距地面在30m处，用一束数十瓦低功率地面激光从5km外射向接收望远镜，发射望远镜成功地将激光射向3km外的地基靶板上。但是起重机中继平台高度有限的缺点，只适合进行激光中继重定向能量传输装置的演示实验。

公开号为CN 108919289，公开日为2018年11月30日的发明专利提出了一种无人机激光中继重定向能量传输装置的方案。但是无人机中继镜系统装置存在滞空时间短、载荷重量和体积相对较小的缺点。

浮空器是一种依靠浮升气体升高的航空飞行器，具有灵活机动、低成本、长期留空和载荷的重量和体积大等优点，所以更适合于激光中继镜系统的中继平台。

实用新型内容

针对现有激光中继镜系统存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种浮空器激光中继镜系统，具备把地面上的激光能量通过浮空器上的中继镜单元传输至任何海拔高度处的目标上的功能。

为实现本实用新型的技术目的，采用以下技术方案：

一种浮空器激光中继镜系统，包括激光器、光束控制单元、中继镜单元；激光器以及光束控制单元放置在地面，中继镜单元放置在浮空器上；激光器发射出的光束经光束控制单元传输至中继镜单元，光束经中继镜单元聚焦发射到目标。

本实用新型中，所述光束控制单元包括1#分光镜、倾斜镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射凹双曲面镜、角锥、聚焦透镜和阵列探测镜；

沿激光器发射出的光束中的大部分光经1#分光镜反射后，依次经倾斜镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射凹双曲面镜反射至中继镜单元；

沿激光器发射出的光束中的其余小部分光经1#分光镜透射至角锥又原路反射回1#分光镜，经1#分光镜反射出的反射光经聚焦透镜后在阵列探测器上成像。

本实用新型中，所述中继镜单元包括信标激光器、2#分光镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射凹双曲面镜、3#全反射凸双曲面镜、3#全反射凹双曲面镜；

光束控制单元发射出的激光光束传输至中继镜单元中的2#全反射凹双曲面镜，依次经2#全反射凹双曲面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、2#分光镜、3#全反射凸双曲面镜、3#全反射凹双曲面镜反射后，聚焦传输至目标；

中继镜单元中的信标激光器发射出的信标光经2#分光镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射凹双曲面镜的反射后，传输至地面上的光束控制单元中的1#全反射凹双曲面镜，依次经1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、倾斜镜反射至1#分光镜，经1#分光镜透射后经聚焦透镜后在阵列探测器上成像。

其中，1#分光镜对激光器发射出的光束高反，对信标激光器发射出的信标光全透。2#分光镜对激光器发射出的光束高反，对信标激光器发射出的信标光全透。

本实用新型中，激光器优选为光纤连续激光器，中心波长为1064nm。中继镜单元中的信标激光器发射出的信标光的波长为532nm，1#分光镜为镀介质膜的45度平面镜，对波长1064nm为激光光束高反，对波长为532nm的信标光光束全透。2#分光镜为镀介质膜的45度平面镜，对波长1064nm为激光光束高反，对波长为532nm的信标光光束全透。

本实用新型中浮空器为平流层浮空器，其包括浮空囊体和吊舱，浮空囊体，用以提供升力；吊舱，与浮空囊体连接，用于安置中继镜单元。进一步地，吊舱上配备有北斗定位仪。

进一步地，所述光束控制单元安装在二轴万向架上，二轴万向架包括竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构，光束控制单元能够在竖直方向旋转机构的带动下实现竖直方向旋转，能够在水平方向旋转机构的带动下实现水平方向的旋转。这样实现光束控制单元对处于不同方向和高度的浮空器上的中继单元的跟踪和瞄准。竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构都采用电机驱动的形式实现旋转，通过控制竖直方向旋转机构以及水平方向旋转机构中的电机就能够实现旋转角度的控制。

进一步地，本实用新型还包括指挥控制单元，激光器与指挥控制单元连接，在指挥控制单元的控制下工作。二轴万向架中的各电机与指挥控制单元连接，指挥控制单元实现对其工作的控制。浮空器与指挥控制单元连接，指挥控制单元能够实时获取浮空器的位置信息以及工作状态，并对浮空器进行控制。

本实用新型的技术效果：

本实用新型提供的光束控制单元是基于发射和接收共光路方式实现跟踪、瞄准中继镜单元。其中中继镜单元其光路设计具有有体积小，对发射的激光没有遮拦的优点。进一步地，本实用新型可以通过调节光束控制单元中的2#全反射凹双曲面镜和2#全反射凸双曲面镜之间的的间距来实现调焦，实现控制传输至中继镜单元处的激光光斑大小，从而提高激光中继传输效率。

本实用新型中的中继镜单元了采用了离轴卡塞格林望远镜结构设计，具有结构相对简单，中继效率高的优点，具备接收地面激光能量后发射至不同海拔高度处的目标上。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例2的结构示意图。

图3是本实用新型实施例3的结构示意图。

图4是本实用新型中的光束控制单元的结构示意图。

图5是本实用新型中的浮空器的结构示意图。

图6是本实用新型中的中继镜单元的结构示意图。

图中标号：

1、激光器；2、光束控制单元；3、二轴万向架；4、中继镜单元；5、浮空器；6、指挥控制单元；7、目标；

21、1#分光镜；22、倾斜镜；23、1#全反射平面镜；24、1#全反射凸双曲面镜；25、1#全反射凹双曲面镜；26、角锥；27、聚焦透镜；28、阵列探测镜；

31、浮空囊体；32、吊舱；321、北斗定位仪；

41、信标激光器；42、2#分光镜；43、2#全反射平面镜；44、2#全反射凸双曲面镜；45、2#全反射凹双曲面镜；46、3#全反射凸双曲面镜；47、3#全反射凹双曲面镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，为本实用新型实施例1的结构示意图。浮空器激光中继镜系统，包括激光器1、光束控制单元2、中继镜单元4和浮空器5；激光器1以及光束控制单元2设置在地面，中继镜单元4设置在浮空器5上；激光器1发射出的光束经光束控制单元2传输至中继镜单元4，光束经中继镜单元4聚焦发射到目标7。

参照图2，为本实用新型实施例2的结构示意图。浮空器激光中继镜系统，包括激光器1、光束控制单元2、二轴万向架3、中继镜单元4和浮空器5。激光器1以及光束控制单元2设置在地面，中继镜单元4设置在浮空器5上；激光器1发射出的光束经光束控制单元2传输至中继镜单元4，光束经中继镜单元4聚焦发射到目标7。所述光束控制单元2安装在二轴万向架3上，二轴万向架3包括竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构，光束控制单元2能够在竖直方向旋转机构的带动下实现竖直方向旋转，能够在水平方向旋转机构的带动下实现水平方向的旋转。这样实现光束控制单元对处于不同方向和高度的浮空器上的中继单元的跟踪和瞄准。竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构都采用电机驱动的形式实现旋转，通过控制竖直方向旋转机构以及水平方向旋转机构中的电机就能够实现旋转角度的控制。

参照图3，为本实用新型实施例3的结构示意图。浮空器激光中继镜系统，包括激光器1、光束控制单元2、二轴万向架3、中继镜单元4、浮空器5、指挥控制单元6。激光器1以及光束控制单元2设置在地面，中继镜单元4设置在浮空器5上；激光器1发射出的光束经光束控制单元2传输至中继镜单元4，光束经中继镜单元4聚焦发射到目标7。所述光束控制单元2安装在二轴万向架3上，二轴万向架3包括竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构，光束控制单元2能够在竖直方向旋转机构的带动下实现竖直方向旋转，能够在水平方向旋转机构的带动下实现水平方向的旋转。这样实现光束控制单元对处于不同方向和高度的浮空器上的中继单元的跟踪和瞄准。竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构都采用电机驱动的形式实现旋转，通过控制竖直方向旋转机构以及水平方向旋转机构中的电机就能够实现旋转角度的控制。激光器1与指挥控制单元6连接，在指挥控制单元6的控制下工作。二轴万向架3中的各电机与指挥控制单元6连接，指挥控制单元6实现对其工作的控制。浮空器5与指挥控制单元6连接，指挥控制单元6能够实时获取浮空器的位置信息以及工作状态，并对浮空器进行控制。

上述各实施例中激光器优选为光纤连续激光器，中心波长为1064nm。中继镜单元4中的信标激光器发射出的信标光的波长为532nm。

本实用新型中的光束控制单元2是基于发射和接收共光路方式实现跟踪、瞄准中继镜单元，其中离轴发射具有体积小，对发射的激光没有遮拦的优点。通过调节1#全反射凸双曲面镜24和1#全反射凹双曲面镜25的间距来实现调焦，从而实现控制传输至中继镜单元处的激光光斑大小，从而提高激光中继传输效率。1#分光镜21为镀介质膜的45度平面镜，对波长1064nm为激光光束高反，对波长为532nm的信标光光束全透。

参照图4，光束控制单元包括1#分光镜21、倾斜镜22、1#全反射平面镜23、1#全反射凸双曲面镜24、1#全反射凹双曲面镜25、角锥26、聚焦透镜27和阵列探测镜28。

参照图5，本实用新型中浮空器3为平流层浮空器，其包括浮空囊体31和吊舱32，浮空囊体31，用以提供升力；吊舱32，与浮空囊体31连接，用于安置中继镜单元4。进一步地，吊舱32上配备有北斗定位仪321。

参照图6，中继镜单元了采用双焦点离轴结构，具有结构相对简单，中继效率高的优点，具备接收地面激光能量后发射至不同海拔高度处的目标上。所述中继镜单元包括信标激光器41、2#分光镜42、2#全反射平面镜43、2#全反射凸双曲面镜44、2#全反射凹双曲面镜45、3#全反射凸双曲面镜46、3#全反射凹双曲面镜47。其中、2#分光镜42为镀介质膜的45度平面镜，对波长1064nm为激光光束高反，对波长为532nm的信标光光束全透。

激光器1发射出的光束中的大部分光依次经1#分光镜21、倾斜镜22、1#全反射平面镜23、1#全反射凸双曲面镜24、1#全反射凹双曲面镜25反射后，发射至中继镜单元4中的2#全反射凹双曲面镜45，依次经2#全反射凹双曲面镜45、2#全反射凸双曲面镜44、2#全反射平面镜43、2#分光镜42、3#全反射凸双曲面镜46、3#全反射凹双曲面镜47反射后，聚焦传输至目标7；2#分光镜42对激光器发射出的光束高反，对信标激光器发射出的信标光全透。

激光器1发射出的光束中其余小部分光经1#分光镜21透射传输至角锥26后又原路反射回1#分光镜21，经1#分光镜21反射出的反射光经聚焦透镜27后在阵列探测器28上成像。

中继镜单元中的信标激光器发射出的信标光经2#分光镜42、2#全反射平面镜43、2#全反射凸双曲面镜44、2#全反射凹双曲面镜45的反射后，传输至地面上的光束控制单元2中的1#全反射凹双曲面镜25，依次经1#全反射凹双曲面镜25、1#全反射凸双曲面镜24、2#全反射平面镜23、倾斜镜22反射至1#分光镜21，经1#分光镜透射后经聚焦透镜27后在阵列探测器上成像。1#分光镜21对激光器发射出的光束高反，对信标激光器发射出的信标光全透。在设计时，可以通过机械设计将倾斜镜设计为其倾斜角度可调节的结构，如将倾斜镜安装在倾斜镜安装架上，倾斜镜安装架连接一电动或者机械旋转机构即可实现倾斜镜倾斜角度的调节。进一步地，如果是电动旋转机构，可以将电动旋转机构的电机与指挥控制单元6连接，通过指挥控制单元6控制电机的运动进而控制倾斜镜6倾斜角度的调整。通过调节倾斜镜22，使得信标光源和地面激光在阵列探测器28重叠在一起，可以实现地面激光准确聚焦传输至中继镜单元4中的2#全反射凹双曲面镜45(即接收主镜)上。

以上所述仅为本实用新型的优选的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浮空器激光中继镜系统，包括激光器、光束控制单元、中继镜单元；其特征在于：激光器以及光束控制单元放置在地面，中继镜单元放置在浮空器上；激光器发射出的光束经光束控制单元传输至中继镜单元，光束经中继镜单元聚焦发射到目标。

2.根据权利要求1所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：所述光束控制单元包括1#分光镜、倾斜镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射凹双曲面镜、角锥、聚焦透镜和阵列探测镜；

沿激光器发射出的光束中的大部分光经1#分光镜反射后，依次经倾斜镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射凹双曲面镜反射至中继镜单元；

沿激光器发射出的光束中的其余小部分光经1#分光镜透射至角锥又原路反射回1#分光镜，经1#分光镜反射出的反射光经聚焦透镜后在阵列探测器上成像。

3.根据权利要求2所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：所述中继镜单元包括信标激光器、2#分光镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射凹双曲面镜、3#全反射凸双曲面镜、3#全反射凹双曲面镜；

光束控制单元发射出的激光光束传输至中继镜单元中的2#全反射凹双曲面镜，依次经2#全反射凹双曲面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、2#分光镜、3#全反射凸双曲面镜、3#全反射凹双曲面镜反射后，聚焦传输至目标；

中继镜单元中的信标激光器发射出的信标光经2#分光镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射凹双曲面镜的反射后，传输至地面上的光束控制单元中的1#全反射凹双曲面镜，依次经1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、倾斜镜反射至1#分光镜，经1#分光镜透射后经聚焦透镜后在阵列探测器上成像。

4.根据权利要求3所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：1#分光镜对激光器发射出的光束高反，对信标激光器发射出的信标光全透；2#分光镜对激光器发射出的光束高反，对信标激光器发射出的信标光全透。

5.根据权利要求4所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：激光器为光纤连续激光器，中心波长为1064nm；中继镜单元中的信标激光器发射出的信标光的波长为532nm。

6.根据权利要求5所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：1#分光镜为镀介质膜的45度平面镜，对波长1064nm为激光光束高反，对波长为532nm的信标光光束全透；2#分光镜为镀介质膜的45度平面镜，对波长1064nm为激光光束高反，对波长为532nm的信标光光束全透。

7.根据权利要求1所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：浮空器为平流层浮空器，其包括浮空囊体和吊舱，浮空囊体，用以提供升力；吊舱，与浮空囊体连接，用于安置中继镜单元。

8.根据权利要求7所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：吊舱上配备有北斗定位仪。

9.根据权利要求1所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：所述光束控制单元安装在二轴万向架上，二轴万向架包括竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构，光束控制单元能够在竖直方向旋转机构的带动下实现竖直方向旋转，能够在水平方向旋转机构的带动下实现水平方向的旋转，其中竖直方向旋转机构和水平方向旋转机构都采用电机驱动的形式实现旋转。

10.根据权利要求9所述的浮空器激光中继镜系统，其特征在于：还包括指挥控制单元，激光器与指挥控制单元连接，在指挥控制单元的控制下工作；二轴万向架中的各电机与指挥控制单元连接，指挥控制单元实现对其工作的控制；浮空器与指挥控制单元连接，指挥控制单元能够实时获取浮空器的位置信息以及工作状态，并对浮空器进行控制。