阅读说明：本技术 一种基于哈特曼调焦的激光防御系统及方法 (laser defense system and method based on Hartmann focusing ) 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：本发明提供了一种基于哈特曼调焦的激光防御系统及方法,包括：主镜、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；所述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系统,调焦次镜作为调焦的主要执行器件；所述哈特曼传感器用于探测波前倾斜和离焦,测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环。目前常用的图像处理聚焦方式易受环境光影响、无法定量计算出聚焦偏差和方向、算法计算量大且收敛性差可能导致无法稳定聚焦、聚焦时间长可能导致目标逃逸。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,可定量探测波前倾斜和离焦从而实现快速聚焦。(the invention provides a laser defense system and method based on Hartmann focusing, comprising the following steps: the device comprises a main mirror, a focusing secondary mirror, an inclined mirror, a beam splitter, a Hartmann sensor, a main laser emission system, an illumination system and a controller; the focusing secondary mirror is a part of an optical system and forms an optical receiving and transmitting system with the primary mirror, and the focusing secondary mirror is used as a main focusing executing device; the Hartmann sensor is used for detecting wave front inclination and defocusing, and the measurement result is used for an inclination closed loop and a defocusing correction closed loop. The current common image processing focusing mode is easily affected by ambient light, the focusing deviation and direction cannot be calculated quantitatively, the calculation amount of an algorithm is large, the convergence is poor, stable focusing cannot be achieved, and the target can escape due to long focusing time. The Hartmann sensor is adopted to replace an inclination tracking sensor to detect the wave front aberration, compared with an original image algorithm, the wave front aberration detection method is simple in calculation process and good in stability, and can quantitatively detect the wave front inclination and defocusing, so that rapid focusing is realized.)

一种基于哈特曼调焦的激光防御系统及方法

技术领域

本发明涉及光学仪器中光束控制技术领域，具体涉及一种基于哈特曼调焦的激光防御系统及方法。

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。而主激光发射系统聚焦的准确性是影响光斑大小的主要因素。目前激光防御系统采用的聚焦方式是通过图像处理的方式进行聚焦。图像处理聚焦以目标上光斑大小或灰度为依据进行调焦。这种聚焦方式易受环境光影响，在高对比度等复杂光环境下无法准确提取光斑特征；无法定量计算出聚焦偏差和方向，需要进行多次迭代；算法计算量大且收敛性差，可能导致无法稳定聚焦；聚焦时间长，可能导致目标逃逸。所以，在激光防御系统中亟需一种新型的快速聚焦方法。

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)都采用了激光防御，但均未提到聚焦方法。专利“一种基于高精度双波长强激光的要地防御系统”(201820945635.2)中采用激光测距的方法进行聚焦，相比传统图像聚焦的方式快速很多，但系统复杂、激光雷达成本高。国内的未见将哈特曼传感器用于激光防御聚焦案例。本发明采用哈特曼进行聚焦，同时实现了倾斜跟踪，使系统更加紧凑、结构更加简单。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于哈特曼调焦的激光防御系统。因哈特曼可测量波前倾斜离焦等像差，通过引入低阶哈特曼传感器代替传统位置探测传感器，测量目标的倾斜和离焦像差，实现目标跟踪和激光束快速地聚焦和打击。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于哈特曼调焦的激光防御系统，所述系统具体包括：主镜、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、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、调焦次镜反射、主镜反射发射出系统；

所述主镜，为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

所述调焦次镜，为光学系统的一部分，与所述主镜组成光学接收和发射系统，调焦次镜作为调焦的主要执行器件，调焦量由所述哈特曼测得；

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不受到主激光发射光的干扰；

所述哈特曼传感器，用于探测波前倾斜和离焦，测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环，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，发射波面设计为平面波，在经过闭环校正后发射激光将聚焦于目标点；

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，控制倾斜镜和调焦次镜进行校正，控制照明系统和主激光发射。

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，哈特曼只对照明系统波段进行响应。

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，所述主激光发射系统可手动调节光束发散状态和发射角，用于初始状态的校准。

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，所述哈特曼传感器只需达到3×3或以上子孔径便可测出入射波前倾斜和离焦。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，调焦次镜包括次镜和电动调节机构。

所述次镜作为光学系统的一部分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与主镜的相对置，达到调焦的目的。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，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。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于哈特曼调焦的激光防御方法，主要流程如下：

(1)首先进行系统校准，保证哈特曼接收标定目标点处无波前像差，此时主激光发射点聚焦于标定目标点处；

(2)校准后工作状态下通过照明系统发射照明激光，照明激光与主发射激光为不同波段；

(3)目标回波经接收光学系统接收后由哈特曼传感器测出波前像差；

(4)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：

(5)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方向倾斜像差可用于控制倾斜镜偏转，离焦像差可用于控制调焦次镜。

(6)控制器分别控制倾斜镜和调焦次镜对倾斜和离焦像差进行校正，经校正后哈特曼传感器接收波前与标定波前相同。

(7)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。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的一种基于哈特曼调焦的激光防御系统，利用哈特曼传感器探测简单高效的特点，通过哈特曼测出入射波前的倾斜和离焦像差再通过倾斜镜和调焦次镜闭环校正。现有激光防御系统采用的聚焦方式是通过图像处理的方式进行聚焦。图像处理聚焦方式易受环境光影响、无法定量计算出聚焦偏差和方向、算法计算量大且收敛性差可能导致无法稳定聚焦、聚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。

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基于哈特曼调焦的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基于哈特曼调焦的激光防御系统的工作流程图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种基于哈特曼调焦的激光防御系统的第二种原理示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种基于哈特曼调焦的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、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。

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聚焦方式是通过图像处理的方式进行聚焦。图像处理聚焦方式易受环境光影响、无法定量计算出聚焦偏差和方向、算法计算量大且收敛性差可能导致无法稳定聚焦、聚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。

实施例1：如图1所示，本发明实施例提供的基于哈特曼调焦的激光防御系统包括：主镜1、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、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、调焦次镜2反射、主镜1反射发射出系统。

主镜1为光学系统的一部分，对光束起会聚作用；

调焦次镜2为光学系统的一部分，与主镜1组成光学接收和发射系统，系统中调焦次镜作2为调焦的主要执行器件；

倾斜镜3在光路中起到光束倾斜校正的作用，由哈特曼传感器5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；

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5不受到主激光发射不受到主激光发射光的干扰；

哈特曼传感器5用于探测波前倾斜和离焦，测量结果用于倾斜闭环和离焦校正闭环；

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；

照明系统7发射激光照明搜索区域为哈特曼传感器5提供光信号；

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，控制倾斜镜和调焦次镜进行校正，控制照明和主激光发射。

具体的，本发明实施例所提供的基于哈特曼调焦的激光防御系统主要工作流程如图2所示：

(1)首先进行系统校准，保证哈特曼接收标定目标点处无波前像差，此时主激光发射点聚焦于标定目标点处；

(2)校准后工作状态下通过照明系统发射照明激光，照明激光与主发射激光为不同波段；

(3)目标回波经接收光学系统接收后由哈特曼传感器测出波前像差；

(4)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

(5)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方向倾斜像差可用于控制倾斜镜偏转，离焦像差可用于控制调焦次镜。

(6)控制器分别控制倾斜镜和调焦次镜对倾斜和离焦像差进行校正，经校正后哈特曼传感器接收波前与标定波前相同。

(7)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。

实施例2：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。

目标进行哈特曼视场后系统工作流程同实施例1。

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4。主镜1和调焦次镜2光轴重合。此排布方式相比于图1和图3，优点是调焦范围更大、瞳面平移更小。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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。