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中长波激光远场特性测量系统的光学设计与实现

发布时间:2018-08-10 19:05:26 文章来源:未来智库    

[摘 要]为测量中长波激光远场特性,设计了一套基于探测器阵列的激光测量系统。系统包括激光探测器、电视瞄准装置和引导光源。针对中长波激光特性,设计了一套光学接收系统,使中长波激光信号高效率的会聚于光电探测器光敏面上,用于测量远场激光信号的功率密度。电视瞄准装置用于激光探测靶板对准被测激光源。引导光源是激光靶板的附属设备,其主要功能是为激光靶板提供指示方向,使激光靶板法线方向精确对准需要测量的中长波激光光源。

[关键词]中长波激光远场特性光学设计

中图分类号:V441 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)13-0355-02

1 引言

激光对抗装备作战效能取决于发射激光到达目标处光斑的能量密度及分布。激光对抗都是远距离实施,在传输过程中,激光束与大气中的分子、气溶胶粒子等发生相互作用,产生线性与非线性效应。这些因素严重影响激光束的远场聚焦特性,使激光束产生漂移,焦距、焦深、焦点功率密度产生变化,对激光的应用十分不利。通用的激光功率能量检测设备因接收口径有限,只能检测到极小特定区域内的激光能量,不能满足在远场对激光对抗装备光束质量的检测。远场激光的检测必须采用专用的方法和设备。目前,远场激光光斑的测量主要是非接触式摄像法和探测器阵列测量法,本文重点研究探测器阵列测量系统中的光学系统设计。

2 激光测量系统概述

中长波激光的远场特性测量系统包括激光探测器、电视瞄准装置、引导光源、转台、水平导轨、激光探测靶板等部分。激光探测器安装在激光探测靶板上,用于测量激光信号的功率密度;电视瞄准装置用于激光探测靶板对准被测激光源;引导光源用于辅助被测激光源瞄准激光探测靶板;转台、水平导轨用于承载激光探测靶板,以便调整激光探测靶板的姿态角度和水平位置。

3 激光探测器光学接收系统设计

1)光学接收系统工作波长:3.7μm、9.3μm、9.6μm、10.2μm、10.6μm的激光信号。

为了同时兼顾中波和长波两个红外波段,可供选择的红外光学材料有锗和硒化锌。红外光学材料除了必须具有高的红外透射率、低吸收系数等优良特性外,还必须具有高的机械强度、耐磨损、抗风沙雨蚀、抗化学腐蚀等性能,为此本设计考虑采用符合指标要求的锗材料。

2)接收视场:±10°。

本设计拟采用EDMUND公司的锗平凸透镜作为激光探测器接收光学元件,平凸透的特点是焦距为正,对光线具有会聚作用,其中一面为平面,另一面为凸面,应将平面的那一面朝向要处理的焦平面。锗平凸透镜的焦距为25mm,口径为25mm,相对孔径为1。镜头焦距与视场角的关系如图1所示。

(1)

式中:—透镜焦距;—光电探测器靶面尺寸;—光学视场角。

由于透镜焦距f为25mm,探测器靶面尺寸h为0.5mm,可以计算出光学视场角θ仅为±1.146°。但系统指标要求光学视场角应为±10°,所以如果光电探测器安放在焦面处,则无法满足视场角的要求,所以探测器必须离焦使用。具体离焦位置将通过光学设计软件ZEMAX输出获得,将系统指标视场角±10°,波长3~5μm、8~12μm,以及锗平凸透镜的参数输入ZEMAX,根据输出光路图得出探测器设置在距离锗平凸透镜13mm处,视场角可以达到±10°,且接收光能量最强。系统立体光路如下图所示。

因此采用焦距25mm,口径25mm的锗平凸透镜,满足系统指标要求。

4 电视瞄准装置设计

电视瞄准装置用于激光探测靶板对准被测激光源,其观瞄距离应不小于12Km。观瞄距离是指在保证CCD靶面上的目标像具有足够的成像尺寸和能量条件下的可探测的距离。

1)成像尺寸计算

要保证电视瞄准装置发现目标,目标必须在CCD靶面上要有一定的成像尺寸。根据工程经验,当目标在靶面上压2个电视行时,电视瞄准装置即可发现目标。

根据光学系统的成像公式,远距离目标在靶面上成像的尺寸如图3所示。

5 引导光源设计

引导光源是激光靶板的附属设备,其主要功能是为激光靶板提供指示方向,使激光靶板法线方向能够精确对准需要测量的中长波激光光源。为实现精确对准的功能,激光光源需要与电视瞄准装置组成精确对准子系统。其中,激光光源安装于激光靶板上,随靶板移动,平行于激光靶板法线方向;电视瞄准装置安装在激光靶板上,与激光靶板法线方向相同。

引导光源采用人眼和电视都很敏感的532nm绿光激光作为光源。激光器模块主要由激光器驱动电源和激光头等两部分组成。其中,激光器驱动电源主要为激光头提供工作合适的工作电压、电流,并提供驱动电路状态监测和相应的电路保护功能。

6 结束语

基于光敏面探测器阵列的中长波激光远场特性测量系统,其核心技术主要是光学系统及电路的设计开发,尤其是光学系统的设计开发。本文通过对远场中、长波激光信号透射的能力好的锗平凸透镜设计,使中、长波激光信号高效率的会聚于光电探测器光敏面上,成功用于测量远场激光信号的功率密度。并设计电视瞄准装置和引导光源,使用过程中有效将激光探测靶板对准被测激光源。通过系统的设计和开发,实现了中长波激光远场特性的有效测量。该系统在中长波激光远场测量中已经成功运用,满足激光对抗装备的测量需求。

参考文献

[1] 张合勇、郭劲、赵帅、王挺峰、邵俊峰.激光远场聚焦特性实验研究[J].中国激光2011.第3期.

[2] 张海庄,刘志林,薛飞,夏润波,李鹏.激光光斑测量系统的电路设计与实现(J).现代电子技术.2011.第11期.

[3] 王云萍.探测器阵列法测量激光光斑参数关键技术分析[J].激光杂志,2007.第28期.

作者简介

刘硕(1982-)女,工程师。研究方向:光学系统设计。

中国科技博览 2016年13期

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