專利名稱：方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)，屬于激光測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速光探測器技術(shù)中，由于本征光電二極管(簡稱PIN)探測器的制作工藝較為簡單，而且能夠得到非常高的響應(yīng)速度，因此各種不同響應(yīng)速度的PIN光電探測器得到極大的發(fā)展[劉家洲，李愛珍，張永剛.光通信波段超高速PIN光電探測器的新進(jìn)展《半導(dǎo)體光電》· 2001，22 (4) :227-232]。位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD)是能夠連續(xù)檢測光點(diǎn)位置的非分割型元件，基本原理是基于橫向光電效應(yīng)。由于PSD具有較高靈敏度、良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性以及緊湊的結(jié)構(gòu)和簡單的處理電路而備受工程界的青睞，在航空對接、精密對中、振動測量等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。位置靈敏探測器PSD (Position Sensitive Device)屬于半導(dǎo)體器件，一般做成PN結(jié)構(gòu)，具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是基于橫向光電效應(yīng)。作為新型器件，PSD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在位置坐標(biāo)的精確測量上，如兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動控制或位置變化等技術(shù)領(lǐng)域上[張曉芳，俞信，蔣誠志，王寶光.位置敏感探測器PSD特性的試驗(yàn)研究《儀器儀表學(xué)報(bào)》.2003,8 =250-252]。ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是地面跟蹤轉(zhuǎn)臺在天文學(xué)方面的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的捕獲(Acquisition)、跟蹤(Tracking)和瞄準(zhǔn)(Pointing)的重要設(shè)備。其主要完成大范圍、高概率和快速空間捕獲和兩運(yùn)動平臺間高精度視軸對準(zhǔn)和動態(tài)跟蹤[張濤，梁雁冰，許峰，王晨，馮希.星載ATP平臺的建模與仿真.《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》2009，12: 3813-3815]。在測量彈丸發(fā)射軌跡時(shí)，一般采用圓形激光束輻照彈丸目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)信息的測量，回波信息中含地物的雜波信號，該雜波信號對目標(biāo)信息的測量精度存在干擾問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決在測量彈丸發(fā)射軌跡時(shí)的地物干擾問題，本發(fā)明提供了一種方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)。本發(fā)明之方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)，其包括啁啾調(diào)制器、放大器 A、加法器、激光器、激光器驅(qū)動器、方形光闌、望遠(yuǎn)鏡A、望遠(yuǎn)鏡B、探測器、放大器B、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、計(jì)算機(jī)、ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺、位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD)和顯示器；其中，啁啾調(diào)制器、望遠(yuǎn)鏡A、望遠(yuǎn)鏡B、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺和位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD)分別與計(jì)算機(jī)連接；啁啾調(diào)制器還與放大器A連接；加法器與放大器A、激光器驅(qū)動器和激光器連接；激光器在其輸出光束的光軸上依次與方形光闌、望遠(yuǎn)鏡A連接；望遠(yuǎn)鏡B與探測器、放大器B、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D順次連接；計(jì)算機(jī)與顯示器連接；啁啾調(diào)制器、放大器A、加法器、激光器、激光器驅(qū)動器、方形光闌、望遠(yuǎn)鏡A、望遠(yuǎn)鏡B、探測器、放大器B、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD)均固定放置在ATP高速
4二維跟蹤轉(zhuǎn)臺上，上述所有裝置隨ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動；啁啾調(diào)制器為啁啾調(diào)制激光信號發(fā)生器，啁啾信號頻率為200到800兆赫茲；放大器A為功率放大器，增益帶寬為200-800兆赫茲，放大倍率15倍，噪聲系數(shù)小于3分貝，接收增益大于15分貝；方形光闌對激光光束進(jìn)行方形整形；望遠(yuǎn)鏡A和望遠(yuǎn)鏡B相同，均為快速調(diào)焦激光接收光學(xué)系統(tǒng)，鏡頭采用程控方式由計(jì)算機(jī)控制，調(diào)焦速度200毫秒，光學(xué)放大倍率69倍，焦距20-720毫米；快速變焦望遠(yuǎn)鏡調(diào)整激光發(fā)散角，控制激光束直徑；探測器為PIN光電探測器；放大器B為功率放大器，放大倍數(shù)100倍，噪聲系數(shù)小于0.1分貝；計(jì)算機(jī)中存儲有管理及運(yùn)行軟件，因此，使得計(jì)算機(jī)能進(jìn)行人機(jī)交互、信號處理、 控制和數(shù)據(jù)計(jì)算；ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺，角度分辨率5毫弧度，響應(yīng)時(shí)間50毫弧度/秒，承載重量100千克；位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD)，對高速運(yùn)動的空間目標(biāo)方位進(jìn)行探測；啁啾調(diào)制器的信號分為兩路，一路進(jìn)入計(jì)算機(jī)作為時(shí)基信號，同時(shí)另一路經(jīng)放大器A放大，進(jìn)入加法器與激光器驅(qū)動器的信號進(jìn)行疊加，作為激光器的激勵源，激光器產(chǎn)生啁啾調(diào)制式的激光信號，該激光信號通過方形光闌整形成方形光束，再通過望遠(yuǎn)鏡A發(fā)射出去，望遠(yuǎn)鏡A調(diào)整激光發(fā)散角，控制激光束直徑，輻照待測彈丸目標(biāo)；望遠(yuǎn)鏡B接收回波信號，回波信號進(jìn)入探測器轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)放大器B 放大后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D進(jìn)入計(jì)算機(jī)；激光器產(chǎn)生啁啾調(diào)制式的激光信號發(fā)射出去，啁啾信號的相位被距離調(diào)制，回波含有距離信息，探測器采用同時(shí)探測空間位置和回波相位信息，其響應(yīng)送入計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)解調(diào)算法得出測量目標(biāo)的坐標(biāo)和速度；在計(jì)算機(jī)中將回波信號與時(shí)基信號進(jìn)行混頻，再通過數(shù)據(jù)解調(diào)算法從混頻信號中得到相位的改變量，得到測量距離
A χ Δ 爐 4π式中，Δφ為光波往返相位差，λ為光波波長；位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD)實(shí)時(shí)對空間目標(biāo)進(jìn)行探測，在目標(biāo)彈丸飛行過程中的偏移，由位置靈敏探測器(PSD)給出，將信息反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將其方位信號及控制信號送入望遠(yuǎn)鏡Α、望遠(yuǎn)鏡B和ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺，使目標(biāo)始終在望遠(yuǎn)鏡A和望遠(yuǎn)鏡B的視場內(nèi)；目標(biāo)坐標(biāo)由ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺偏移量和探測器響應(yīng)偏移量同時(shí)確定出；采用ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺進(jìn)行周期性掃描的方式測定目標(biāo)的速度，預(yù)先在計(jì)算機(jī)中設(shè)置ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺的掃描范圍w和掃描速度V，掃描一次的時(shí)間是t = w/v ；通過ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺的掃描，第一個(gè)掃描周期得到目標(biāo)的距離R1，并記錄空間位置；第二個(gè)掃描周期得到目標(biāo)的距離R2，并記錄空間位置，則可得到兩次測量中目標(biāo)的轉(zhuǎn)角θ，進(jìn)而得到兩次測量目標(biāo)運(yùn)動的直線距離L= (R2)2+(R1)2-2R1R2cos θ，由轉(zhuǎn)角 θ與掃描速度ν得到目標(biāo)運(yùn)動的時(shí)間T= θ/ν,則可知目標(biāo)速度V = L/T ；
依上述操作步驟，重復(fù)多次掃描，得到目標(biāo)的平均速度；計(jì)算得到測試系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離R和目標(biāo)速度V可以通過顯示器顯示，或者打印出來，并通過記錄彈丸飛行距離隨時(shí)間的變化，實(shí)現(xiàn)彈丸發(fā)射軌跡的測試。所述的在計(jì)算機(jī)中的軟件流程，如圖2所示。結(jié)合硬件介紹軟件流程并說明本發(fā)明的方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡系統(tǒng)的運(yùn)行方法的步驟如下執(zhí)行步驟21，開始，初始化；執(zhí)行步驟22，在計(jì)算機(jī)中設(shè)置ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺的掃描范圍w和掃描速度ν ；執(zhí)行步驟23，啁啾調(diào)制器的信號分為兩路，一路進(jìn)入計(jì)算機(jī)作為時(shí)基信號，同時(shí)另一路經(jīng)放大器A放大，進(jìn)入加法器與激光器驅(qū)動器的信號進(jìn)行疊加，作為激光器的激勵源， 激光器產(chǎn)生啁啾調(diào)制式的激光信號，該激光信號通過方形光闌整形成方形光束；執(zhí)行步驟Μ，再通過望遠(yuǎn)鏡A發(fā)射出去，望遠(yuǎn)鏡A調(diào)整激光發(fā)散角，控制激光束直徑，輻照待測彈丸目標(biāo)；執(zhí)行步驟25，望遠(yuǎn)鏡B接收回波信號，回波信號進(jìn)入探測器后轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)放大器B放大后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D進(jìn)入計(jì)算機(jī)；若在一個(gè)周期內(nèi)，沒有接收到回波信號，則返回步驟22 ；執(zhí)行步驟沈，激光器產(chǎn)生啁啾調(diào)制式的激光信號發(fā)射出去，啁啾信號的相位被距離調(diào)制，回波含有距離信息，探測器采用同時(shí)探測空間位置和回波相位信息，其響應(yīng)送入計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)解調(diào)算法得出測量目標(biāo)的坐標(biāo)和速度；在計(jì)算機(jī)中將回波信號與時(shí)基信號進(jìn)行混頻，再通過數(shù)據(jù)解調(diào)算法從混頻信號中得到相位的改變量，因?yàn)楣獠ㄔ趥鞑ミ^程中每傳播λ的距離，相位就變化2 π，從而得到距 1 η 息
權(quán)利要求
1. 一種方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，其包括啁啾調(diào)制器 (1)、放大器AO)、加法器(3)、激光器(4)、激光器驅(qū)動器(5)、方形光闌(6)、望遠(yuǎn)鏡A(7)、 望遠(yuǎn)鏡B(8)、探測器(9)、放大器B(10)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(ll)、計(jì)算機(jī)(1 、ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(13)、位置靈敏探測系統(tǒng)(14)和顯示器(15)；其中，啁啾調(diào)制器(1)、望遠(yuǎn)鏡A(7)、望遠(yuǎn)鏡B (8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(ll)、ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(1 和位置靈敏探測系統(tǒng)(14)分別與計(jì)算機(jī)(1 連接；啁啾調(diào)制器(1)還與放大器AO)連接；加法器C3)與放大器A O)、激光器驅(qū)動器( 和激光器(4)連接；激光器 (4)在其輸出光束的光軸上依次與方形光闌(6)、望遠(yuǎn)鏡A(7)連接；望遠(yuǎn)鏡B(8)與探測器 (9)、放大器B(10)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(ll)順次連接；計(jì)算機(jī)(12)與顯示器(15)連接；啁啾調(diào)制器(1)、放大器AO)、加法器(3)、激光器0)、激光器驅(qū)動器(5)、方形光闌 (6)、望遠(yuǎn)鏡A(7)、望遠(yuǎn)鏡B(8)、探測器(9)、放大器B(10)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(ll)和位置靈敏探測系統(tǒng)(PSD) (14)均固定放置在ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(1 上，上述所有裝置隨ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(1 一起轉(zhuǎn)動；啁啾調(diào)制器(1)為啁啾調(diào)制激光信號發(fā)生器；放大器AO)為功率放大器；方形光闌 (6)對激光光束進(jìn)行方形整形；望遠(yuǎn)鏡A(7)和望遠(yuǎn)鏡B(8)相同，均為快速調(diào)焦激光接收光學(xué)系統(tǒng)，鏡頭采用程控方式由計(jì)算機(jī)(1 控制；探測器(9)為PIN光電探測器；放大器 B(IO)為功率放大器；計(jì)算機(jī)(1 中存儲有管理及運(yùn)行軟件，因此，使得計(jì)算機(jī)(1 能進(jìn)行人機(jī)交互、信號處理、控制和數(shù)據(jù)計(jì)算；位置靈敏探測系統(tǒng)(14)，對高速運(yùn)動的空間目標(biāo)方位進(jìn)行探測；啁啾調(diào)制器(1)的信號分為兩路，一路進(jìn)入計(jì)算機(jī)(1 作為時(shí)基信號，同時(shí)另一路經(jīng)放大器A(2)放大，進(jìn)入加法器(3)與激光器驅(qū)動器(5)的信號進(jìn)行疊加，作為激光器的激勵源，激光器(4)產(chǎn)生啁啾調(diào)制式的激光信號，該激光信號通過方形光闌(6)整形成方形光束，再通過望遠(yuǎn)鏡A(7)發(fā)射出去，望遠(yuǎn)鏡A(7)調(diào)整激光發(fā)散角，控制激光束直徑，輻照待測彈丸目標(biāo)；望遠(yuǎn)鏡B(8)接收回波信號，回波信號進(jìn)入探測器(9)，轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)放大器B(IO)放大后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(11)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(12)；激光器(4)產(chǎn)生啁啾調(diào)制式的激光信號發(fā)射出去，啁啾信號的相位被距離調(diào)制，回波含有距離信息，探測器(9)采用同時(shí)探測空間位置和回波相位信息，其響應(yīng)送入計(jì)算機(jī) (12)，通過數(shù)據(jù)解調(diào)算法得出測量目標(biāo)的坐標(biāo)和速度；在計(jì)算機(jī)(1 中將回波信號與時(shí)基信號進(jìn)行混頻，再通過數(shù)據(jù)解調(diào)算法從混頻信號中得到相位的改變量，得到測量距離A χ Δ 爐 4π式中，Δφ為光波往返相位差，λ為光波波長；位置靈敏探測系統(tǒng)(14)實(shí)時(shí)對空間目標(biāo)進(jìn)行探測，在目標(biāo)彈丸飛行過程中的偏移，由位置靈敏探測器(14)給出，將信息反饋給計(jì)算機(jī)(1 ，計(jì)算機(jī)(1 將其方位信號及控制信號送入望遠(yuǎn)鏡A(7)、望遠(yuǎn)鏡B (8)和ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(13)，使目標(biāo)始終在望遠(yuǎn)鏡A(7) 和望遠(yuǎn)鏡B(8)的視場內(nèi)；目標(biāo)坐標(biāo)由ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(13)偏移量和探測器(9)響應(yīng)偏移量同時(shí)確定出；采用ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(1 進(jìn)行周期性掃描的方式測定目標(biāo)的速度，預(yù)先在計(jì)算機(jī)(12)中設(shè)置atp高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(13)的掃描范圍w和掃描速度v，掃描一次的時(shí)間是 t = w/v ；通過atp高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(13)的掃描，第一個(gè)掃描周期得到目標(biāo)的距離r1，并記錄空間位置；第二個(gè)掃描周期得到目標(biāo)的距離r2，并記錄空間位置，則可得到兩次測量中目標(biāo)的轉(zhuǎn)角θ，進(jìn)而得到兩次測量目標(biāo)運(yùn)動的直線距離l= (r2)2+(r1)2-2r1r2cos θ，由轉(zhuǎn)角 θ與掃描速度ν得到目標(biāo)運(yùn)動的時(shí)間t= θ/ν,則可知目標(biāo)速度v = l/t ； 依上述操作步驟，重復(fù)多次掃描，得到目標(biāo)的平均速度；計(jì)算得到測試系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離R和目標(biāo)速度V通過顯示器(1 顯示，或者打印出來，并通過記錄彈丸飛行距離隨時(shí)間的變化，實(shí)現(xiàn)彈丸發(fā)射軌跡的測試。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于， 所述的啁啾調(diào)制器(1)的啁啾信號頻率為200到800兆赫茲；放大器A(2)的增益帶寬為200-800兆赫茲，放大倍率15倍，噪聲系數(shù)小于3分貝，接收增益大于15分貝；望遠(yuǎn)鏡 a (7)和望遠(yuǎn)鏡b (8)的調(diào)焦速度200毫秒，光學(xué)放大倍率69倍，焦距20-720毫米；放大器 b(io)的放大倍數(shù)100倍，噪聲系數(shù)小于0. 1分貝；atp高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(13)的角度分辨率5毫弧度，響應(yīng)時(shí)間50毫弧度/秒，承載重量100千克。
全文摘要
本發(fā)明提供了方形輸出激光光束彈丸發(fā)射軌跡測試系統(tǒng)，結(jié)合了啁啾調(diào)制激光信號技術(shù)，位置靈敏探測技術(shù)，高速光電探測技術(shù)，快速調(diào)焦激光接收技術(shù)和ATP高速二維跟蹤轉(zhuǎn)臺技術(shù)。本發(fā)明選用的啁啾調(diào)制式的激光光源，進(jìn)行方形光束發(fā)射，可以有效的消除地面回波對測量結(jié)果的干擾，使其可以測量距地面距離大于0.5米的彈丸發(fā)射軌跡。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，應(yīng)用于近地高速飛行的彈丸軌跡測量。
文檔編號G01S17/58GK102508254SQ20111036414
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者任玉, 劉楊, 宋宛營, 張?zhí)炷? 胡馨月, 蔡紅星, 譚見瑤, 靳美會, 高明希 申請人:長春理工大學(xué)