阅读说明：本技术 一种结构紧凑的自适应激光防御系统 (compact structure's self-adaptation laser defense system ) 是由 马晓燠 饶学军 杨奇龙 汪韬 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种结构紧凑的自适应激光防御系统,包括：主镜、变形调焦次镜、倾斜镜、分束镜、哈特曼传感器、激光准直光学系统、激光器、照明系统和控制器。系统中变形调焦次镜主要有校正高阶像差和大范围离焦的功能；哈特曼传感器用于探测波前畸变,测量结果用于倾斜闭环和离焦高阶像差校正。本发明采用哈特曼传感器代替倾斜跟踪传感器探测波前像差,并配合变形调焦次镜进行校正,有效消除了大气湍流对光斑形状的影响,提高了光斑功率密度,提升了主动防御能力。相较于已有的自适应激光防御系统,本发明将调焦次镜与变形镜结合,使得光学系统结构更加紧凑,反射面更少能量损耗更小。(the invention provides a self-adaptive laser defense system with a compact structure, which comprises: the device comprises a primary mirror, a deformed focusing secondary mirror, an inclined mirror, a beam splitter, a Hartmann sensor, a laser collimation optical system, a laser, an illumination system and a controller. The deformed focusing secondary mirror in the system mainly has the functions of correcting high-order aberration and large-range defocusing; the Hartmann sensor is used for detecting wave front distortion, and the measurement result is used for inclined closed loop and defocusing high-order aberration correction. According to the invention, the Hartmann sensor is adopted to replace an inclined tracking sensor to detect the wavefront aberration, and the deformed focusing secondary mirror is matched for correction, so that the influence of atmospheric turbulence on the shape of the light spot is effectively eliminated, the power density of the light spot is improved, and the active defense capability is improved. Compared with the existing self-adaptive laser defense system, the invention combines the focusing secondary mirror and the deformable mirror, so that the optical system has more compact structure and less energy loss of the reflecting surface.)

一种结构紧凑的自适应激光防御系统

技术领域

本发明涉及光学仪器中光束控制技术领域，具体涉及一种结构紧凑的自适应激光防御系统。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操控的不载人飞机。20世纪90年代，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，纷纷采用各种新技术大力发展无人机。如今，无人机己经具有侦查、投弹、干扰等多种功能。随着军用和民用无人机的不断涌现，出于国民安全和国土安全需求，反无人机意识得以不断提升，各国早己开展这方面的研究工作。。但采用传统手段抗击无人机，不仅成功率低，而且还有可能对地面和人群造成附带损伤，而激光防御是比较有效的手段之一。

在激光防御系统中，主激光破坏能力与目标处光斑能量密度成正相关，在同等光功率作用条件下，光斑直径越小，激光破坏能力越强。传统激光防御系统主要通过调焦系统来控制光斑大小，以求最小光斑、最大能量密度。在某些特定情况下，激光在大气中传播会受到湍流和影响使得光斑变得弥散，使得光斑能量不集中降低了激光主动防御效果。而大气湍流产生的像差是不能通过调焦来校正的。

专利“一种近程激光防御系统”(201721280043.5)、“无人机载激光武器反无人机系统”(201811097389.0)、“激光防御系统和高空飞艇”(201710296422.1)、专利“一种基于高精度双波长强激光的要地防御系统”(201820945635.2)都采用了激光防御，但均未采用变形镜校正提高光斑功率密度。文章“自适应光学技术”(doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2006.01.002),文章“基于自适应光学技术控制光束近场场强”(doi:10.3788/HPLPB20102202.0243)采用了变形镜进行光路校正或光束控制，但本发明将变形镜应用在了激光防御系统上，且在一个次镜上实现了高阶像差校正和在范围调焦。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑的自适应激光防御系统，采用哈特曼传感器代替倾斜跟踪传感器探测波前像差，并配合变形调焦次镜进行校正，有效消除了大气湍流对光斑形状的影响，提高了光斑功率密度，提升了主动防御能力。相较于已有的自适应激光防御系统，本发明将调焦次镜与变形镜结合，使得光学系统结构更加紧凑，反射面更少能量损耗更小。

第一方面，本发明实施例提供了一种结构紧凑的自适应激光防御系统，所述系统具体包括：主镜、变形调焦次镜、倾斜镜、分束镜、哈特曼传感器、主激光发射系统、照明系统和控制器接收光依次经过主镜反射、变形调焦次镜反射、倾斜镜反射、分束镜透射至哈特曼传感器；发射激光依次经过分束镜反射、倾斜镜反射、变形调焦次镜反射、主镜反射发射出系统；

所述照明系统，发射激光照明搜索区域为哈特曼传感器提供光信号；

所述主镜为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

所述变形调焦次镜，为光学系统的一部分，与所述主镜组成光学接收和发射光学系统，变形调焦次镜最大可校正100mm大范围离焦和泽尼克像差三阶以上高阶像差；变形调焦次镜包括变形次镜和电动调节机构和电动平移机构；所述变形次镜为若干个单元镜面组成，在自由状态下与其他光学器件组成一个完整的光学发射和接收系统；所述电动调节机构用于调节次镜每一个单元的位置状态，组成镜面用于校正包括离焦及以上阶数的高阶像差；电动平移机构通过带动变形次镜实现最大100mm范围调焦，校正数据由所述哈特曼测得；

所述倾斜镜，在光路中起到光束倾斜校正的作用，由哈特曼给出倾斜误差通过计算得到校正量实时对接收光信号进行倾斜校正，倾斜校正量由所述哈特曼测得；

所述哈特曼传感器，用于探测波前倾斜和离焦及以上阶数的高阶像差，测量结果用于倾斜闭环和自适应校正闭环，经闭环校正后哈特曼接收波前趋近于平面波；

所述主激光发射系统，输出高功率激光作为目标打击的主要手段，主激光发射波段与照明激光不同。工作之前需要将发射波面初始状态校准成平面波或哈特曼标定波面，在经过闭环校正后发射激光将聚焦于目标点；

所述分束镜，用于将主激光发射波段与照明波段区分开，使哈特曼传感器不受到主激光发射光的干扰；

所述控制器，用于接收哈特曼探测器信号，计算波前倾斜和离焦，控制倾斜调焦次镜进行校正，控制照明和主激光发射系统。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述照明系统与主激光发射为不同波段。哈特曼不接收主激光发射波段。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，变形调焦次镜包括变形次镜和电动调节机构和电动平移机构；

所述变形次镜为若干个单元镜面组成，在自由状态下与其他光学器件组成一个完整的光学发射和接收系统；

所述电动调节机构用于调节次镜每一个单元的位置状态，组成镜面用于校正包括离焦及以上阶数的高阶像差；

电动平移机构通过带动变形次镜实现最大100mm范围调焦，校正数据由所述哈特曼测得；

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，系统还包含粗跟踪系统，用于大范围扫描和低精度跟踪，所述粗跟踪系统包含粗跟踪传感器和粗跟踪执行器。所述粗跟踪传感器用于对1-5°视场内目标的搜索和位置反馈；所述粗跟踪执行器通过粗跟踪传感器信号进行控制对目标进行粗跟踪，所述低精度是指跟踪精度优于哈特曼视场1/3，使目标进入哈特曼视场。

所述粗跟踪传感器用于对大范围内目标的搜索和位置反馈；

所述粗跟踪执行器通过粗跟踪传感器信号进行控制对目标进行粗跟踪，使目标进入上述系统探测视场。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统，本发明采用哈特曼传感器代替倾斜跟踪传感器探测波前像差，并配合变形调焦次镜进行校正，有效消除了大气湍流对光斑形状的影响，提高了光斑功率密度，在稠密波动大气中远距离传输，光斑斯特涅尔比可提升3-20倍，提升了主动防御能力。相较于已有的自适应激光防御系统，本发明将调焦次镜与变形镜结合，使得光学系统结构更加紧凑，反射面更少能量损耗更小，可减少2～8％的能量损耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统的第一种原理示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统中变形调焦次镜的原理示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统中变形调焦次镜的镜面与驱动单元的空间布局示意图；其中左图是变形调焦次镜正视图，右图是变形调焦次镜侧视图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统的第二种原理示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统的第二种主镜次镜位置示意图；

主要元件符号说明：

1、主镜；2、变形调焦次镜；3、倾斜镜；4、分束镜；5、哈特曼传感器；6、主激光发射系统；7、照明系统；8、控制器；9、粗跟踪传感器；10、跟踪机架；21、变形次镜镜面；22、变形次镜子单元；23、变形次镜子镜驱动单元；24、变形次镜固定机械件；25、变形次镜连接件；26、电动平移机构；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有激光防御系统采用的对焦方式是通过图像处理的方式进行对焦。图像处理对焦方式易受环境光影响、无法定量计算出对焦偏差和方向、算法计算量大且收敛性差可能导致无法稳定对焦、对焦时间长可能导致目标逃逸。而采用哈特曼传感器代替倾斜跟踪传感器探测波前像差，相比原图像算法计算过程简单、稳定性好，可定量探测波前离焦从而实现快速校正。

如图1所示，本发明实施例提供的一种结构紧凑的自适应激光防御系统包括：主镜1、变形调焦次镜2、倾斜镜3、分束镜4、哈特曼传感器5、主激光发射系统6、照明系统7和控制器8。接收光依次经过主镜1反射、变形调焦次镜2反射、倾斜镜3反射、分束镜4透射至哈特曼传感器5；发射激光依次经过分束镜4反射、倾斜镜3反射、变形调焦次镜2反射、主镜1反射发射出系统；

所述照明系统7，发射激光照明搜索区域为哈特曼传感器提供光信号；

所述主镜1为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

所述变形调焦次镜2，为光学系统的一部分，与所述主镜组成光学接收和发射光学系统，变形调焦次镜最大可校正100mm大范围离焦和泽尼克像差三阶以上高阶像差；

所述倾斜镜3，在光路中起到光束倾斜校正的作用，由哈特曼给出倾斜误差通过计算得到校正量实时对接收光信号进行倾斜校正，倾斜校正量由所述哈特曼测得；

所述哈特曼传感器5，用于探测波前倾斜和离焦及以上阶数的高阶像差，测量结果用于倾斜闭环和自适应校正闭环，经闭环校正后哈特曼接收波前趋近于平面波；

所述主激光发射系统6，输出高功率激光作为目标打击的主要手段，波段与照明激光不同。工作之前需要将发射波面初始状态校准成平面波或哈特曼标定波面，在经过闭环校正后发射激光将聚焦于目标点；

所述分束镜4，用于将主激光发射波段与照明波段区分开，使哈特曼传感器不受到主激光发射光的干扰；

所述控制器8，用于接收哈特曼探测器信号，计算波前倾斜和离焦，控制倾斜调焦次镜进行校正，控制照明和主激光发射系统。

系统工作流程：首先系统校准保证接收系统和和发射系统视场中心对准、无限远处合焦，系统只需要校准一次，之后便可正常工作；校准后通过照明系统7发射照明激光，需要指出的是照明激光与主发射激光为不同波段；目标回波经接收光学系统接收后由哈特曼传感器5测出波前像差；控制器8分别控制倾斜镜3和变形调焦次镜2对倾斜和离焦等高阶像差进行校正；由于接收和发射共光路，经校正后目标点与激光发射点共轭，此时目标处功率密度最高。

其中，哈特曼传感器5探测信号可由波前复原公式计算得到，首先计算哈特曼传感器的光斑斜率矩阵G，通过复原矩阵D-可求得像差的泽尼克系数矩阵。

A＝D^-G

其中G的各元素可以通过每个子孔径的光斑位移计算得。

其中，Δx_i和Δy_i G_x(i)和G_y(i)分别表示第i个子孔径X方向和Y方向的光斑偏移量，G_x(i)和G_y(i)分别表示第i个子孔径X方向和Y方向的斜率，G可表示为：

G＝[G_x(1),G_y(1),G_x(2),G_y(2),....G_x(m),G_y(m)]'

其中，D-复原矩阵为各阶泽尼克波面的斜率矩阵D的逆矩阵，各阶子孔径斜率为：

其中，Z_k(x,y)为第k阶泽尼克波面，S_i为第i个子孔径归一化面积，Z_xk(i)和Z_yk(i)分别表示第k阶泽尼克波面第i个子孔径对应的斜率，n阶泽尼克m有效子孔径斜率矩阵D可表示为：

泽尼克系数的第一、二、三阶分别为波前像差的X方向倾斜、Y方向倾斜和离焦，其中X方向倾斜像差和Y方向倾斜像差可由倾斜镜偏转校正，离焦像差以及更高阶像差可由变形调焦次镜校正。

变形调焦次镜2包括变形次镜和电动调节机构和电动平移机构如图2所示；

所述变形次镜镜面21为若干个变形次镜子单元22组成，在自由状态下与其他光学器件组成一个完整的光学发射和接收系统；当哈特曼传感器5探测到像差去倾斜后经控制器8计算校正电压矩阵通过变形次镜子镜驱动单元23驱动改变变形调焦次镜2面形以校正波前像差。变形调焦次镜的镜面与驱动单元的空间布局如图3所示。

系统中离焦像差可以通过改变次镜面形校正，也可以改变变形调焦次镜2与主镜1的相对距离校正。考虑到大范围调焦的需求，在变形调焦次镜中加入了电动平移机构如电动平移台、滚珠丝杠等调节机构，通过带动变形次镜实现最大100mm范围调焦；

考虑到大视场的扫描和跟踪，本发明实施例还包括粗跟踪系统，可参见图3。系统中的粗跟踪功能具体可以通过粗跟踪传感器9和跟踪机架10实现。

粗跟踪传感器9由成像透镜与光电探测器组成，可通过光电探测器光斑位置得到目标的位置信息，视场可设计为1-5°。

跟踪机架10主要用作系统的承载平台，可进行水平和俯仰旋转。

在无可疑目标时跟踪机架10以一定扫描路径对特定区域进行扫描；发现目标时，跟踪机架10通过粗跟踪传感器9回传信号进行闭环跟踪，使目标进入哈特曼5视场。

另外，本发明实施例还提供了另一种主镜和次镜的空间排布方式，可参见图5。主镜1和变形调焦次镜2光轴重合。此排布方式相比于图1和图4，优点是调焦范围更大、瞳面平移更小。但缺点是光学接收面积更小。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。