一种高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器
阅读说明：本技术 一种高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器 (High-stability airborne laser illuminator capable of continuously emitting light for long time ) 是由 吴权 李磊 冯新 赵玉倩 李小青 张洪流 王能东 崔家珮 王能礼 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：一种高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器包括：发射光学系统、接收光学系统、电源组件、热控组件、控制组件、出光探测器、回光探测模块和激光器；激光器提供激光测距和目标指示所需的光源；电源组件为机载激光测照器供电；发射光学系统将激光扩束准直到束散角典型值发射出去；接收光学系统收集从目标反射回来的回光信号,使回光信号高质量成像会聚在后端出光探测器的APD的感光面；出光探测器通过探测输出激光的漫反射光触发控制电路开始计时,回光探测模块包括雪崩二极管APD和光电信号处理电路板,用于探测由接收光学系统会聚在APD感光面上的回光信号,经过光电信号转换后,触发控制电路停止计时,借助控制组件通过换算实现测距。(An airborne laser illuminator with high stability and capability of continuously emitting light for a long time comprises: the device comprises a transmitting optical system, a receiving optical system, a power supply assembly, a thermal control assembly, a light-emitting detector, a light-returning detection module and a laser; the laser provides a light source required by laser ranging and target indication; the power supply assembly supplies power to the airborne laser illuminator; the transmitting optical system expands and collimates the laser beam to a beam divergence angle typical value and transmits the beam divergence angle typical value; the receiving optical system collects the return light signals reflected from the target, so that the high-quality images of the return light signals are converged on the photosensitive surface of the APD (avalanche photo diode) of the rear-end light-emitting detector; the light-emitting detector triggers the control circuit to start timing by detecting diffuse reflection light of output laser, the return light detection module comprises an Avalanche Photo Diode (APD) and a photoelectric signal processing circuit board and is used for detecting return light signals converged on a photosensitive surface of the APD by the receiving optical system, the control circuit is triggered to stop timing after photoelectric signal conversion, and distance measurement is realized by conversion through the control assembly.)
技术领域
本发明涉及激光技术应用领域，特别涉及一种用于激光制导机载光电吊舱中实现激光测距和目标指示功能的激光测照器。
背景技术
激光测照器是激光半主动寻的制导系统中的重要组成部分，用于实现激光测距，同时向目标发射激光束，为制导武器指示目标。
在稳定性方面，在激光制导过程中，激光测照器在对目标进行照射时，激光能量稳定性、激光光轴稳定性和激光出光时刻的精确度直接影响对目标的指示跟踪，因此激光器的稳定性对于提高激光制导至关重要。另一方面，装载激光测照器的光电吊舱或导引头在随机飞行时，在高速运动过程中与大气间形成的剧烈振动，使得激光测照器发射光轴存在一定程度的抖动，这就需要激光测照器整机具备足够高的抗振性，以保证整机工作性能不随环境振动而改变，且激光发射光轴与固定基座的机械轴需尽可能保持一致，因此，整机抗振性能的设计也是重点关注的工程化问题。
在工作时间方面，对于某些需要对目标持续跟踪的应用场景，机载激光测照器能否连续长时间工作将直接决定了整套机载系统能否连续作战，因此激光测照器的连续工作时间对实际应用也有相当重要的意义。
基于上述原理和分析，对于机载设备，稳定性和长时间连续工作是两个重要的指标要求。首先，对于空对地能实现300m～20km范围的测距测程、10km目标指示的典型激光测照器，目前国内现有产品通常是将激光驱动电源或测控组件等电控组件与激光器或光学系统等光学组件分离设计，不利于机载设备的高度集成，其稳定性仍有提高的空间。另一方面，国内现有激光测照器产品仅能按照几个循环出光(典型如出光90s，休息60s，4个循环)的工作模式进行目标照射，在某些需要长时间连续工作的作战平台下，现有激光测照器产品并不能满足实际需求。
可见，当激光测照器稳定性较差，或者无法连续长时间工作，都会对激光制导过程造成潜在风险，严重时将会直接影响对目标的测距和跟踪功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器，采用激光脉冲法实现激光测距，激光器采用LD泵浦Nd:YAG晶体和电光调Q技术实现例如1064nm脉冲激光输出，可用于对目标进行照射指示。
根据本发明，提供了一种高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器，包括：发射光学系统、接收光学系统、电源组件、热控组件、控制组件、出光探测器、回光探测模块和激光器；其中，激光器提供激光测距和目标指示所需的光源；电源组件为机载激光测照器供电；发射光学系统用于将激光扩束准直到束散角典型值发射出去；接收光学系统收集从目标反射回来的回光信号，使回光信号高质量成像会聚在后端出光探测器的APD的感光面；出光探测器通过探测输出激光的漫反射光触发控制电路开始计时；回光探测模块包括雪崩二极管APD和光电信号处理电路板，用于探测由接收光学系统会聚在APD感光面上的回光信号，经过光电信号转换后，触发控制电路停止计时，借助控制组件通过换算实现测距；热控组件用于散热。
优选地，激光器包括：输出镜、LD泵浦模块、偏振镜、角锥棱镜、1/4波片、调Q晶体、楔形镜对、全反镜、高压电源模块和腔外楔形镜镜组；输出镜和全反镜构成谐振腔的腔镜，用于实现激光在腔内振荡；LD侧泵模块包括LD靶条阵列、Nd:YAG晶体棒、热沉，作为产生激光的工作物质和泵浦源；偏振镜用于产生线偏光；角锥棱镜用于反射腔内激光；1/4波片用于使线偏光产生π/2的相位延迟，从而配合高压控制腔内Q开关的打开和关闭；调Q晶体用于改变腔内线偏光的偏振特性；高压电源模块用于给调Q晶体提供1/4波电压；楔形镜对由一对楔形镜组成，用于调试腔内光路；激光器的输出镜输出的光经过腔外楔形镜组后进入发射光学系统；腔外楔形镜镜组用于微调激光器出射的激光方向，使得激光出射方向与发射光学系统保持光轴一致性。
优选地，热控组件由散热翅片和半导体制冷片组成，半导体制冷片置于散热翅片底部，热端与散热板焊接，冷端与激光器紧贴，半导体制冷片在通电后将激光器产生的废热传导至热端，由热端传导至散热翅片。
优选地，控制组件用于实现以下功能：与电源组件通信以控制监测LD驱动电流、热控组件的半导体制冷片的驱动电流和风扇工作电压；控制激光器的出光频率；监测电源组件的LD泵浦模块表面温度、热控组件的半导体制冷片的热端温度和环境温度；判定温控电源电流和LD泵浦模块的电流的工作状态；检测出光脉冲和回光脉冲间的时间差，计算测距距离；与用户通信，实现外触发；控制雪崩二极管的高压和工作温度；对回光信号进行阈值检测；与上位机通信，便于系统调试。
优选地，机载激光测照器的整机结构分为上方结构和下方结构，其中上方结构包含：电源组件、热控组件、控制组件；下方结构包含发射光学系统、接收光学系统、出光探测器、回光探测APD模块和激光器。
优选地，电源组件、控制组件，光电探测组件、激光器、发射光学组件、接收光学组件和散热组件设计集成为一体。
优选地，激光测照器整机的全部组件全部安装于结构外框上。
优选地，激光测照器的工作模式包括启动模式、待机模式、测距模式、激光照射模式；激光测照器在加电时进入启动模式，激光测照器执行加电自检，进行预冷或预热，随后进入待机模式；在待机模下，激光器维持温控状态，处于等待状态；在待机模式或照射模式下，激光测照器接收到测距指令后转变为测距模式以执行测距操作；在待机模式或照射模式下，激光测照器接收到照射指令后转变为照射模式以执行照射操作。
本发明的技术效果至少包括：
第一，激光器稳定运行。激光器泵浦源采用LD侧泵模块，LD侧泵模块中LD排列为环形阵列，环绕Nd:YAG晶体棒，使得泵浦光均匀分布，并将LD固定在热沉上，整个热沉结构紧凑，散热性能良好，且具有较高抗振性。相比于常规的端泵方式，省去了泵浦光光纤、光学耦合系统，在减小尺寸的同时也提高了稳定性。谐振腔设计上，采用U型折叠腔，引进角锥棱镜作为腔内光路反射元件，通过设计偏振镜和角锥棱镜向相对位置，使得腔内实现线偏光振荡，大大提高了激光器失谐性，也是激光器稳定性得到保障的一个关键技术。在实现脉冲激光输出上，利用电光调Q技术原理，采用铌酸锂晶体作为调Q晶体，合理设计其纵横比，使得调Q高压在高低温下均能稳定工作，并将调Q高压模块置于激光器内部，可保护其不干扰外接电源组件。
第二，可连续长时间出光。热控系统中散热器基于激光器废热进行设计，在限定尺寸下，增加散热翅片数量以增加散热面积，散热器采用铜质材料，传热快，并且采用高转速、高风量的航空风机，可保证在高温下迅速将激光器中热量抽离出去，使得激光器能在-40℃～60℃温度范围内维持恒温出光，从而保证了整机的长时间连续工作。
第三，整机光电性能稳定可靠。整机结构外框采用一体式设计，在同一个外框上分配各分系统的安装接口，使得各模块可灵活拆装，外框壁厚采用加强筋设计，兼顾了整机重量和抗振动冲击性能，激光器腔内各器件直接集成安装于本结构框，有利于提高激光器稳定性。可容限随机振动谱下加速度7g、半正弦波冲击波形下峰值加速度15g的振动环境。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的正视图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的侧视图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的激光器组成示意图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的结构外框示意图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的正视图，图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的侧视图。
如图1和图2所示，根据本发明优选实施例的高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器包括：发射光学系统1、接收光学系统2、电源组件3、热控组件4、控制组件5、出光探测器6、回光探测模块7和激光器8。
其中，激光器8为激光测照器整机的核心组件，提供激光测距和目标指示所需的光源。
电源组件3为机载激光测照器供电，提供各分系统的供电需求，包括：给激光器中LD泵浦模块提供正常工作所需的电压电流；给控制板、APD组件提供电压电流，保证控制和回光探测部分的稳定工作；给TEC提供必需的电压电流，保证LD泵浦模块的温度恒定；给风扇提供工作所需电压电流，保证风扇可以快速导出热沉上聚集的热量。
发射光学系统1用于将激光扩束准直到一个较小的束散角典型值(为0.3mrad)发射出去。
接收光学系统2的作用是收集从目标反射回来的回光信号，例如通过优化镜头设计，并在镜头后端放置高截至深度的1064nm窄带滤光片，而使回光信号高质量成像会聚在后端出光探测器的APD的感光面上。出光探测器6通过探测输出激光的漫反射光触发控制电路开始计时。
回光探测模块7包括雪崩二极管APD和光电信号处理电路板，用于探测由接收光学系统会聚在APD感光面上的回光信号，经过光电信号转换后，触发控制电路停止计时，即完成激光的飞行时间计时，借助控制组件4通过换算实现测距。
热控组件4用于散热。具体地，例如，热控组件4由散热翅片和半导体制冷片TEC组成，半导体制冷片TEC置于散热翅片底部，热端与散热板焊接，冷端与激光器紧贴，TEC通电后可将激光器产生的废热传导至热端，由热端传导至散热翅片，此时风扇根据热端所探测到的温度启动工作，及时将散热器翅片上的热抽离排出，维持激光器恒温，从而保证整机正常工作。散热器的设计是基于本发明中激光器的产生的废热进行模拟仿真，并结合大量的温控高低温试验摸索调整设计出的，为了加快传热，散热翅片采用热导系数更高的铜质材料，但同时考虑到控制重量，散热底板仍然采用铝质材料，经过整机高低温试验，可满足散热和温控要求。另外，本发明热控系统采用高转速、高风量的航空风机，可瞬间将散热翅片中残余的热量抽离，使得激光器能在60℃高温下仍然能维持恒温工作，达到高温下可连续出光10min、常温条件下可连续出光1h以上。
而且，例如，控制组件5主要用于实现以下功能：
(a)与电源组件通信，控制监测LD驱动电流、TEC驱动电流和风扇工作电压；
(b)控制激光器的出光频率；
(c)监测LD模块表面温度、TEC热端温度和环境温度；
(d)判定温控电源电流和LD电流的工作状态；
(e)检测出光脉冲和回光脉冲间的时间差，计算测距距离；
(f)与用户通信，实现外触发；
(g)与APD通信，控制APD高压和工作温度；
(h)对回光信号进行阈值检测；
(i)与上位机通信，便于系统调试。
优选地，如图3，激光器8包括：输出镜9、LD泵浦模块10、偏振镜11、角锥棱镜12、1/4波片13、调Q晶体14、楔形镜对15、全反镜16、高压电源模块17和楔形镜镜组18。激光器8经过输出镜9后，再经过另一组楔形镜镜组18后进入发射光学系统1。在激光器8中，输出镜9和全反镜16构成谐振腔的腔镜，用于实现激光在腔内振荡，通过镀膜、模式竞争选模作用产生1064nm输出；LD侧泵模块10内部由LD靶条阵列、Nd:YAG晶体棒、热沉组成，作为产生激光的工作物质和泵浦源；偏振镜11是按照布鲁斯特角放置的镜片，用于产生线偏光；角锥棱镜12用于反射腔内激光，可保证两个支臂的光轴一致性，将其安装在专用工装上可提高激光的稳定性；1/4波片13用于使线偏光产生π/2的相位延迟，从而配合高压控制腔内Q开关的打开和关闭；调Q晶体14用于改变腔内线偏光的偏振特性；高压电源模块17用于给调Q晶体提供1/4波电压；楔形镜对15由一对楔形镜组成，用于调试腔内光路，是激光器调试中的重要器件。整个激光器8经过输出镜9后，再经过另一组楔形镜组18后进入发射光学系统1。腔外楔形镜18用于微调激光器出射的激光方向，使得激光出射方向与发射光学系统保持光轴一致性。
优选地，如图4，本发明激光测照器整机的全部组件全部安装于结构外框19上，使得整机结构紧凑。
优选地，高稳定性可连续长时间出光的机载激光测照器的整机结构分为上方结构和下方结构，其中上方结构包含：电源组件3、热控组件4、控制组件5；下方结构包含发射光学系统1、接收光学系统2、出光探测器6、回光探测APD模块7和激光器8。
在具体示例中，整机采用模块化设计，将电源组件、控制组件，光电探测组件、激光器、发射光学组件、接收光学组件和散热组件设计集成为一体，具有高抗振性和高稳定性特点，随机振动谱下振动量级可达7g，半正弦波波形峰值加速度可达15g，实现在常温下连续出光1h以上，在60℃极限温度下连续出光10min以上，可应用于实现空对地目标，目标体积2.3m×2.3m×6.2m下300m～20km范围的测距测程、10km目标指示的技术指标。
本发明激光测照器采用脉冲方式测距，即由激光器出射的一个脉冲激光，触发出光探测器，此时控制系统中的计数器开始工作计时，此脉冲激光经过发射光学系统扩束准直后照射到被测目标，由其表面漫反射形成的回光信号经过接收光学系统聚焦在APD探测器上，探测器探测到光信号后转为电信号，触发计数器停止工作，通过统计计数器内部电路所产生的脉冲个数，即可测出激光往返所用的时间(即飞行时间法)，换算后获得目标距离，从而实现测距功能。
在具体实施例中，激光测照器设计有启动模式、待机模式、测距模式、激光照射模式等4种工作模式。
1)启动模式：加电启动阶段，激光测照器完成加电自检，对主要激光部件进行预冷(或预热)，使之达到正常工作所需的温度。启动阶段所需时间与环境温度有关。在25℃环境温度下，启动时间不超过1分钟。在-40℃或+60℃的极限环境温度条件下，启动时间不超过3分钟。预热(或预冷)完成后，激光器进入待机模式。
2)待机模式：在待机模式下，激光器维持温控状态，处于待测距/照射状态。
3)测距模式：在待机模式(或照射模式)下，激光测照器接收到测距指令后，转变为测距模式。激光器立即按5Hz频率(或其他频率)出光，测距信号探测系统接收目标对激光的反射信号，获取距离信息。测距模式下，上报测距数据频率为5Hz(或其他频率)。
4)激光照射模式：在待机模式(或测距模式)下，激光测照器接收到照射指令后，转变为照射模式，激光器立即按预定频率编码出光，同时给出距离信息。
本发明至少具有如下优点：
1)整机各分系统采用模块化设计，集成在同一个支撑件上，整机结构紧凑，可靠性高；
2)激光器谐振腔采用U型腔，且引进角锥棱镜作为腔内光路反射元件，大大提高了激光器失谐性，采用LD侧泵模块作为泵浦源，结合电光调Q技术实现脉冲激光输出，激光能量稳定性高，激光发射光轴稳定性高，且激光出光时刻精确可控；
3)热控组件中采用特殊结构的TEC制冷技术，根据激光器产生的废热设计高效制冷的散热器，并采用航空风机将激光器产生的废热抽离整机，维持整机恒温工作；
4)整机结构外框采用一体式设计，在同一个外框上分配各分系统的安装接口，使得各模块可灵活拆装，外框壁厚采用加强筋设计，兼顾了整机重量和抗振动冲击性能，激光器腔内各器件直接集成安装于本结构框，有利于提高激光器稳定性。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。