本發(fā)明屬于光電跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)新型光源發(fā)射系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著光電跟蹤系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，針對(duì)光電系統(tǒng)的偵察與告警技術(shù)也逐步發(fā)展起來。光電系統(tǒng)具有一個(gè)共同的特性，即對(duì)入射光有較強(qiáng)的按原路返回的特性，且回波能量比漫反射目標(biāo)要高出10²～10⁴倍，此即光電系統(tǒng)的貓眼效應(yīng)，運(yùn)用光電系統(tǒng)的貓眼效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方目標(biāo)的有效偵察與探測(cè)，而目標(biāo)回光能力值R_C這是用于評(píng)價(jià)光電系統(tǒng)貓眼效應(yīng)的最主要參數(shù)。

但是，目前國際國內(nèi)對(duì)回光能力值R_C來測(cè)量時(shí)采用的是基于高斯光束的激光，這種光束波前分布不均勻，光強(qiáng)分布呈高斯分布，與實(shí)際目標(biāo)入射光差距較大，不適合作為回光能力值校準(zhǔn)裝置的光源。而且國內(nèi)相似多數(shù)光束控制系統(tǒng)僅能單對(duì)光強(qiáng)分布或者波前分布進(jìn)行控制，不能對(duì)光強(qiáng)和波前進(jìn)行聯(lián)合控制。國內(nèi)國際對(duì)光強(qiáng)分布著勻化處理的過程中，采用別的方法通常會(huì)破壞激光的相干性或者波前分布，難于同時(shí)兼顧光強(qiáng)與波前分布。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)無法科學(xué)的產(chǎn)生能夠用于目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)的光源發(fā)射系統(tǒng)，以及傳統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)不能很好的描述實(shí)際目標(biāo)工作狀態(tài)下的入射光的特性，提出一種新型的目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)的新型光源發(fā)射系統(tǒng)。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)新型光源發(fā)射系統(tǒng)，其包括：光纖激光器1、反射準(zhǔn)直器2、衰減器3、偏振控制器4、偏振分光鏡5同軸布置；偏振分光鏡5的全反射側(cè)布置同軸的第一λ/4波片6和波前控制器7；與第一λ/4波片6和波前控制器7相對(duì)的另一側(cè)同軸布置變倍擴(kuò)束器11、光束整形器12、二級(jí)擴(kuò)束器13；與光纖激光器1、反射準(zhǔn)直器2、衰減器3和偏振控制器4相對(duì)的另一側(cè)布置同軸的第二λ/4波片8、透反射鏡9、波前探測(cè)器10。

其中，所述光纖激光器1放置于一個(gè)端口上，出射多波長激光，光束質(zhì)量M²優(yōu)于1.4、功率100mW、波長0.632um、1.06um和0.808um，功率的穩(wěn)定性優(yōu)于0.5％，波長的半帶寬優(yōu)于5nm。

其中，所述光纖激光器1出射的光束通過發(fā)射準(zhǔn)直器2進(jìn)行擴(kuò)束壓縮發(fā)散角，準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入衰減器3進(jìn)行光強(qiáng)衰減，衰減器3采用可更換式中性衰減片，衰減倍率0dB～100dB變化。

其中，所述衰減后的光束經(jīng)過偏振控制器4進(jìn)行偏振選擇，經(jīng)選擇的偏振光進(jìn)入偏振分光鏡5后被全反射，反射光束通過第一λ/4波片6后入射到波前控制器7。

其中，所述波前控制器7包括液晶調(diào)制器和控制系統(tǒng)，液晶調(diào)制器采用高精度純相位空間光調(diào)制器。

其中，光束通過波前控制器7調(diào)制新的光束波前后被反射，反射光再次經(jīng)過第一λ/4波片6后通過偏振分光鏡5，透射后的光束經(jīng)過第二λ/4波片8后被透反射鏡9部分反射，部分透射。

其中，所述透反射鏡9前表面鍍反射率α₁為90％的反射膜，后表面鍍?chǔ)?sub>2為99.8％的增透膜，透過光束經(jīng)過波前探測(cè)器10進(jìn)行波前探測(cè)。

其中，所述波前探測(cè)器10的前端光學(xué)系統(tǒng)包括雙膠合透鏡16和單透鏡，后端光學(xué)系統(tǒng)包括目鏡18和哈特曼傳感器19；當(dāng)測(cè)量波長為0.632um的光束時(shí)，前端光學(xué)系統(tǒng)和后端光學(xué)系統(tǒng)之間放入補(bǔ)償板17。

其中，所述透反射鏡9的反射光束再次經(jīng)過第二λ/4波片8后改變偏振方向，經(jīng)過偏振分光鏡5反射進(jìn)入變倍擴(kuò)束器11進(jìn)行光束的擴(kuò)展，經(jīng)過變倍率擴(kuò)展的光束進(jìn)入光束整形器12進(jìn)行光強(qiáng)勻化處理，經(jīng)過整形的光束進(jìn)入二級(jí)擴(kuò)束器13，實(shí)現(xiàn)多波長下工作

其中，所述變倍擴(kuò)束器11包括同軸設(shè)置的變倍組透鏡20、固定組透鏡21和補(bǔ)償組透鏡22；光束整形器12采用開普勒型非球面鏡組整形原理，包括第一非球面透鏡14和第二非球面透鏡15；二級(jí)擴(kuò)束器13放大倍率為6^×，主鏡為雙分離透鏡，次鏡為單負(fù)透鏡，次鏡將固定在電動(dòng)步進(jìn)位移臺(tái)上，以實(shí)現(xiàn)精確控制次鏡與主鏡間距離。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)新型光源發(fā)射系統(tǒng)，采用了變倍率光學(xué)設(shè)計(jì)、波前控制設(shè)計(jì)、光束勻化設(shè)計(jì)、多級(jí)放大設(shè)計(jì)和波前閉環(huán)控制設(shè)計(jì)等，使得出射光束到達(dá)波前均勻分布，光強(qiáng)呈平頂高斯分布；通過波前測(cè)量和閉環(huán)控制，不僅可以提高波前均勻的效果，還可以控制面與出射面的共軛關(guān)系。

附圖說明

圖1是本發(fā)明目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)的新型光源發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-光纖激光器，2-反射準(zhǔn)直器，3-衰減器，4-偏振控制器，5-偏振分光鏡，6-第一λ/4波片，7-波前控制器，8-第二λ/4波片，9-透反射鏡，10-波前探測(cè)器，11-變倍擴(kuò)束器，12-光束整形器，13-二級(jí)擴(kuò)束器。

圖2是本發(fā)明光束整形的示意圖。

圖中：14-第一非球面透鏡，15-第二非球面透鏡。

圖3是本發(fā)明波前探測(cè)系統(tǒng)的示意圖。

圖中：16-雙膠合透鏡，17-補(bǔ)償板，18-目鏡，19-哈特曼傳感器。

圖4是本發(fā)明波前探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)波前畸變測(cè)量示意圖。

圖5是本發(fā)明變倍率擴(kuò)束系統(tǒng)光路示意圖。

圖中：20-變倍組透鏡，21-固定組透鏡，22-補(bǔ)償組透鏡。

圖6是本發(fā)明的二級(jí)擴(kuò)束器的光學(xué)示意圖。

圖7是本發(fā)明光強(qiáng)均勻性測(cè)量結(jié)果。

圖8是本發(fā)明光束波前均勻性測(cè)量結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參閱圖1。在以下描述的一個(gè)最佳實(shí)施例中，目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)新型光源發(fā)射系統(tǒng)包括：光纖激光器1、反射準(zhǔn)直器2、衰減器3、偏振控制器4、偏振分光鏡5、2個(gè)λ/4波片6和8、波前控制器7、透反射鏡9、波前探測(cè)器10、變倍擴(kuò)束器11、光束整形器12、二級(jí)擴(kuò)束器13。

具體地，光纖激光器1、反射準(zhǔn)直器2、衰減器3、偏振控制器4、偏振分光鏡5同軸布置；偏振分光鏡5的全反射側(cè)布置同軸的第一λ/4波片6和波前控制器7；與第一λ/4波片6和波前控制器7相對(duì)的另一側(cè)同軸布置變倍擴(kuò)束器11、光束整形器12、二級(jí)擴(kuò)束器13；與光纖激光器1、反射準(zhǔn)直器2、衰減器3和偏振控制器4相對(duì)的另一側(cè)布置同軸的第二λ/4波片8、透反射鏡9、波前探測(cè)器10。

光纖激光器1放置于一個(gè)端口上，出射多波長激光，光束質(zhì)量M²優(yōu)于1.4、功率100mW、波長0.632um、1.06um和0.808um，功率的穩(wěn)定性優(yōu)于0.5％，波長的半帶寬優(yōu)于5nm。

光纖激光器1出射的光束通過發(fā)射準(zhǔn)直器2進(jìn)行擴(kuò)束壓縮發(fā)散角，被擴(kuò)束后口徑為10mm，通光口徑值16mm；反射鏡NA值0.36。光強(qiáng)分布為高斯分布。準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入衰減器進(jìn)行光強(qiáng)衰減，衰減器采用的是可更換式中性衰減片，衰減倍率0dB～100dB變化。

衰減后的光束經(jīng)過偏振控制器4進(jìn)行偏振選擇，經(jīng)選擇的偏振光進(jìn)入偏振分光鏡5后被全反射，反射率大于94％。反射光束通過第一λ/4波片6后入射到波前控制器7。波前控制器7主要是由液晶調(diào)制器和控制系統(tǒng)組成，液晶調(diào)制器采用PLUTO(BB)高精度純相位空間光調(diào)制器，直接通過計(jì)算機(jī)的圖形顯卡的DVI或VGA接口加載波前圖像。有效面積：15.36mm×8.64mm，波前變化頻率：60Hz，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于30ms，相位調(diào)制范圍：2π，空間分辨率8um，初始的波前調(diào)節(jié)量為W₀(x_n,y_n)，此時(shí)的光場分布如公式(1)所示。

A₁(x,y)＝A(x₀,y₀)exp[-ikW₀(x_n,y_n)] (1)

其中為激光器的光場分布，以高斯光束為例，如公式(2)所示。

其中z是傳輸距離，ω₀是束腰半徑，k是波數(shù)，ω₀＝ω₀[1+(z/z₀)]^1/2，R(z)＝z₀×(z/z₀+z₀/z)。

光束通過波前控制器7調(diào)制新的光束波前后被反射，反射光再次經(jīng)過第一λ/4波片6后通過偏振分光鏡5，透射后的光束經(jīng)過第二λ/4波片8后被透反射鏡9部分反射，部分透射。

透反射鏡9前表面鍍反射率α₁為90％的反射膜，后表面鍍?chǔ)?sub>2為99.8％的增透膜，透過光束經(jīng)過波前探測(cè)器10進(jìn)行波前探測(cè)。波前探測(cè)器如圖3所示，前端光學(xué)系統(tǒng)主要由雙膠合透鏡16和單透鏡組成，后端包括目鏡18和哈特曼傳感器19。當(dāng)測(cè)量波長為0.632um的光束時(shí)，放入補(bǔ)償板17。入射有效口徑大于Ф20mm，縮束倍率為2.5x，測(cè)量范圍大于5λ，光學(xué)系統(tǒng)波前畸變優(yōu)于λ/17，如圖4所示。此時(shí)測(cè)量得到的波前相位分布為W_m(x_n,y_n)。

透反射鏡9的反射光束再次經(jīng)過第二λ/4波片8后改變偏振方向，經(jīng)過偏振分光鏡5反射進(jìn)入變倍擴(kuò)束器11進(jìn)行光束的擴(kuò)展，變倍擴(kuò)束器11包括同軸設(shè)置的變倍組透鏡20、固定組透鏡21和補(bǔ)償組透鏡22，如圖5所示。變倍擴(kuò)束器連續(xù)變倍N₁的范圍為1.2^×～2.5^×，不同組態(tài)度波像差均小于λ/4。系統(tǒng)采用多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證在雙波長、不同倍率下都有良好的光學(xué)質(zhì)量。變焦組的焦距為64mm，固定組焦距為-20mm，補(bǔ)償組的焦距為112mm。變焦組與固定組間距離變化范圍為8mm～32mm，固定組與補(bǔ)償組間距離變化范圍為56mm～79mm。此位置的光場分布如公式(3)所示。

A₁(x₁,y₁)＝F^-1{F[A₁(x/N₁,y/N₁)]×H(f_x,f_y,z₁)} (3)

其中F^-1{…}是離散傅立葉逆變換，F(xiàn){…}是離散傅立葉變換。H(..,z₁)是角譜傳遞函數(shù)，z₁是傳輸?shù)木嚯x，如公式(4)所示。

經(jīng)過變倍率擴(kuò)展的光束進(jìn)入光束整形器12進(jìn)行光強(qiáng)勻化處理。光束整形器12采用開普勒型非球面鏡組整形原理，包括第一非球面透鏡14和第二非球面透鏡15，理論主要基于幾何光學(xué)的光線追跡和能量守恒定律。如圖2所示，坐標(biāo)(r,z)與(R,Z)分別為兩凸非球面鏡上的坐標(biāo)，則垂度曲線即為z(r)、z(R)。利用能量守恒定律，還可得到r與R之間另一關(guān)系式，即開普勒型非球面鏡的追跡函數(shù)，如公式(5)所示。

利用公式(5)，可以計(jì)算得到兩個(gè)非球面鏡的面形曲線的數(shù)值計(jì)算表示式(6)和(7)。

利用公式(6)和公式(7)可以計(jì)算得到兩個(gè)分球面的曲率，利用光學(xué)軟件計(jì)算可以得到兩個(gè)非球面鏡的非球面度。兩個(gè)非球面透鏡的曲率半徑均為-56.66mm，第一個(gè)非球面透鏡的Conic為-41.1258，第二個(gè)非球面透鏡的Conic為-452.3604。經(jīng)過理論分析此時(shí)高斯光束變化平頂光束，能量均勻度理論結(jié)果優(yōu)于95％。兩個(gè)非球面引入的波前相位分別為W(Z_r)和W(Z_R)，光束一共傳輸?shù)木嚯x為z₂，此時(shí)光場分布為公式(8)所示。

A₂(x₂,y₂)＝F^-1{F[A₁(x₁,y₁)W(Z_r)]×H(f_x,f_y,z₂)}×W(Z_R) (8)

經(jīng)過整形的光束進(jìn)入二級(jí)擴(kuò)束器13，如圖6所示。擴(kuò)束系統(tǒng)放大倍率為6^×，主鏡為雙分離透鏡，焦距約為1000mm，次鏡為單負(fù)透鏡，焦距約為-167mm。次鏡將固定在電動(dòng)步進(jìn)位移臺(tái)上，通過精確控制次鏡與主鏡間距離來實(shí)現(xiàn)多波長下工作。各個(gè)波長的光學(xué)畸變均優(yōu)于λ/6。此時(shí)的光場分布為公式(9)所示。

A₃(x₃,y₃)＝F^-1{F[A₂(x₂/N₂,y₂/N₂)]H(f_x,f_y,z₃)H(f_x,f_y,z₄)} (9)

光學(xué)畸變小引入的誤差可以在公式(9)忽略不計(jì)，z₃是光束傳輸?shù)木嚯x，z₄是需要出現(xiàn)波前均勻分布的面距離二級(jí)擴(kuò)束器出瞳面的距離。此時(shí)要到達(dá)要求的波前均勻分布，則需要滿足公式(10)，

將公式(1)～(4)、(8)和(9)代入公式(10)，可以得到此時(shí)需要代入的波前畸變量為W_z(x_n,y_n)，則此時(shí)波前控制器8需要進(jìn)行疊加的量如公式(11)所示。

ΔW(x_n,y_n)＝W₀(x_n,y_n)-W_z(x_n,y_n) (11)而此時(shí)波前探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該顯示的波前測(cè)量值應(yīng)該為公式(12)所示。

W_mn(x_n,y_n)＝W_m(x_n,y_n)+ΔW(x_n,y_n) (12)

本發(fā)明根據(jù)以上理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該新型光源發(fā)射系統(tǒng)的出射光口徑達(dá)到Φ72mm～Φ150mm，波前控制范圍為0～5λ，光功率衰減倍率為0～100dB，光強(qiáng)均勻性最優(yōu)能夠到達(dá)87％，如圖7所示。波前均勻性最優(yōu)能夠到達(dá)λ/9，如圖8所示。波前相位分布閉環(huán)控制最大帶寬能夠到達(dá)20Hz以上。

由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下顯著特點(diǎn)：

本發(fā)明通過采用了第一非球面透鏡14和第二非球面透鏡15組成的普勒型形式的光束整形器，生成光強(qiáng)分布為平頂高斯光束，而且在光強(qiáng)勻化的過程中不會(huì)導(dǎo)致波前均勻分布的惡化，以及激光相干性的退化。

本發(fā)明通過使用了采用了聯(lián)合設(shè)計(jì)的波前控制器和波前探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，能夠使得出射光束的波前分布近似均勻分布，更接近實(shí)際使用狀態(tài)。同時(shí)能夠通過波前控制器疊加不同的波前相位，使得均勻分布的波前出現(xiàn)的位置面可以進(jìn)行精確的控制。

本發(fā)明通過對(duì)波前控制器和光束整形器的聯(lián)合設(shè)計(jì)，使得在出瞳面位置能夠同時(shí)滿足光強(qiáng)呈平頂高斯分布，波前呈均勻分布。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)變倍擴(kuò)束器和二級(jí)擴(kuò)束器的兩級(jí)擴(kuò)束，使得光束能夠在72mm～150mm變化，最大程度的對(duì)光束進(jìn)行了有效的利用，避免因?yàn)槭褂霉怅@進(jìn)行光束口徑的變化而導(dǎo)致的衍射效應(yīng)。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)了監(jiān)控的功率計(jì)和回光功率測(cè)量的功率計(jì)，通過計(jì)算兩者的比值獲的回光能力值，降低了因?yàn)槿肷涔夤β势鸱鼘?dǎo)致的誤差，也提高了測(cè)量重復(fù)性。通過該方法可以優(yōu)化因?yàn)閱蝹€(gè)功率計(jì)量值溯源問題而導(dǎo)致的測(cè)量不確定度分量。

本發(fā)明針對(duì)目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)使用的光源光強(qiáng)和波前分布的問題，獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)研制了目標(biāo)回光能力值新型發(fā)射系統(tǒng)。該發(fā)射光源可以閉環(huán)的產(chǎn)生口徑尺寸不同、光強(qiáng)呈高斯平頂分布、波前呈均勻分布的光束。實(shí)現(xiàn)多波長72mm～150mm口徑光束的輸出，光功率衰減范圍0dB～100dB；波前控制范圍到達(dá)2π，閉環(huán)控制精度優(yōu)于λ/6，測(cè)量帶寬優(yōu)于；光強(qiáng)分布呈平頂高斯分布，均勻性優(yōu)于84.5％；該發(fā)射系統(tǒng)自動(dòng)化高，采用閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行光源光強(qiáng)和波前分布設(shè)計(jì)，控制精度高、重復(fù)性好、可靠性高，控制范圍大，可以廣泛用于目標(biāo)回光能力值校準(zhǔn)的光源使用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。