复合式激光远场光斑分布定量测量技术研究

激光远场光斑分布测量是研究高功率激光大气传输效应的有效方法,同时也是评估强激光武器作战效能的重要手段。设计了一种基于摄像和阵列探测相结合的复合测量方法,实现了强激光远场光斑时空分布的定量测量。该系统可用于波长为(1064±10)nm、功率密度动态范围为2～5000 W/cm2激光的远场光斑分布测量。     

固体激光远场瞬时光斑时空分布测量技术

基于漫透射CCD成像法原理,建立了固体激光瞬时光斑时空分布测量系统。开展了该测量方法的可行性验证实验,能够精确地获得激光远场光斑图像,并运用Matlab软件对测量数据进行处理,得到激光远场光斑半径、光束质量、质心位置、光轴抖动、光强分布以及平均功率密度等参数。实验结果表明:利用漫透射CCD成像法测量固体激光远场瞬时光斑时空分布是可行的,测试系统采集频率可达120 Hz。该方法具有高分辨率、高帧频、低成本、使用方便的突出优点,能同时实现激光强度分布和功率的测量,测量功率误差小于2%。     

脉冲/连续高功率激光光斑分布阵列探测器

通过测量发射到远场的激光功率密度时空分布给出所需要的到靶总功率、光束质量、桶中功率、功率时间曲线等关键指标参数,是目前准确评价激光系统性能的重要技术手段。介绍了一种基于光电探测器阵列实现近红外脉冲激光功率密度时空分布的测量方法,可以实现900~1700 nm波长、动态范围大于2000倍的激光光斑参数测量。该阵列探测器具有测量面积大、单元一致性好、测量精度高等特点,并可同时实现脉冲和连续激光参数测试要求。给出了阵列探测器的总功率测量结果,测量值与激光器输出功率偏差在5%以内,且激光光斑分布测量结果准确可靠。该阵列探测器已在多套激光系统的参数测试中得到成功应用,可以作为响应波段内的脉冲/连续激光光斑参数测试一种有效技术方案。     

成像法中波红外激光远场功率测量系统

设计开发了一套基于成像法的中波红外激光远场功率测量系统,给出了成像法测量远场激光功率密度分布的基本原理。利用漫反射靶板将激光的功率分布信息采集至中波红外热像仪,并在靶板的特征位置上安装功率探测器,将光斑图像灰度信息与激光功率探头所测的实际功率值进行信息融合,得出灰度值与功率密度的映射关系,进而推测激光远场功率密度分布。此系统测量误差小,且系统简单、可靠,适于各种条件下的中波红外激光远场功率密度测量,可满足目前大功率红外激光干扰装备的测量需求。     

探测器阵列靶的激光光斑图像复原方法研究

为了准确地测量激光远场光斑参数,使得阵列探测法的研究逐渐成为热点。而阵列式靶板仪靶面探测器受空间物理限制和研发成本等因素影响均不能均匀紧密的排布,这将造成采样光斑失真。利用已知采样点参数对光斑图像实现高精度复原是利用阵列探测法测量光斑参数必须要解决的问题。因此,提出采用改进型的双三次插值算法对光斑图像进行复原。仿真分析并对比改进型双三次插值算法和其他插值算法,结果表明:运用改进型插值算法计算得到光斑总能量误差为1.7 %,光斑质心坐标偏移量在x轴方向和y轴方向较最邻近插值算法和双线性插值算法相比均能降低7.8 %和3.3 %,处理时间较双三次插值算法至少缩短35 %。该研究为提高阵列探测法测量远场光斑参数精度积累了一定的理论基础和实验数据。     

湍流大气中折返路径激光成像探测实验

采用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD(电荷耦合器件)构建的折返路径激光成像探测系统,进行典型天气条件下湍流大气中1km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,并配备激光闪烁仪和大气相干长度仪实时监测湍流参数。对激光光斑图像的强度进行了统计分析,获得了不同位置、不同光斑孔径范围内的闪烁指数和光强起伏的空间相关系数,并尝试拟合得出了光斑中心点理想的点闪烁指数。将依据该闪烁指数推算出的湍流折射率结构常数与实时监测数据进行对比分析,结果表明:利用该方法所得的湍流折射率结构常数与激光闪烁仪实测值在变化趋势上具有良好的一致性,并且折返路径激光成像探测方法容易确保傍轴近似条件,理论上更符合实际。该系统不仅可用于观测受大气湍流影响的完整的远场激光光斑,通过定量化理论建模,还有望发展成为一种单端的大气光学湍流参数成像探测新技术。     

激光大气传输远场光斑仿真

从衍射、大气湍流对光束漂移和扩展以及激光发射系统的跟瞄精度等方面分析了激光大气传输的远场瞬时光斑分布。用蒙特卡罗方法仿真计算了远场光斑瞬时质心分布,根据光斑的质心分布和瞬时光斑分布计算了长曝光光斑。     

激光远场能量密度分布测试系统的实现

要设计了基于CCD成像法的激光远场能量密度测量系统,给出了CCD成像法测量远场激光能量密度分布的基本原理,并在特定条件下对激光能量测量模型进行简化.利用漫反射靶板将激光的能量分布信息采集至CCD相机,并在靶板的特征位置上安装能量探测器,依据激光能量模型,将激光光斑图像灰度信息与激光能量探头所测的实际能量值进行信息融合,...     

基于单片机的激光远场光斑直接测量系统

激光远场光斑测量对描述激光束的远场性能,评价激光器以及系统的实际工作性能具有重要意义,通过比较激光光斑远场直接测量与间接测量的优缺点,提出使用单片机控制的探测器阵列进行远场光斑直接测量．描述了系统结构,分析了关键技术,给出了主要程序的框图．该系统能够测量激光光斑大小、形状、总能量、能量分布、重心、束散角等参数,可适用于多种重复频率的激光器,测量面积大、精度高,实时性好,为激光束绝对空间能量分布的测量提供了有效手段。     

激光照射系统远距离动态指示精度的测量方法

为了满足实际工程应用对激光照射系统动态指示精度的高精度测量需求,提出一种无参考距离的双透视校正激光远场动态指示精度测量方法。采用同轴异源的设计方法,用可见光和近红外相机分别对靶板和光斑进行成像,通过室内标定获得双成像系统的配准矩阵,在外场测试中根据靶板合作目标获得可见光图像透视校正矩阵,结合两个矩阵推导出双透视校正矩阵,实现激光动态指示精度的测量。室内标定和室外动态指示精度测量实验的结果表明:双成像系统的图像配准标准误差为0.94 mm,动态指示精度的平均误差为2.45 mm,标准差为9.90 mm,可见所提系统可用于激光照射系统指示性能的室外考评。     

云南高美古湍流大气中激光短曝光光斑统计特性研究

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200 m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532 nm固体激光1,2,3,4,4.7 km大气传输光斑成像探测实验。利用4000 frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。     

激光定距引信远场光斑的压缩整形

针对激光定距引信的小型化激光发射系统远场光斑过大、探测距离偏近的问题展开研究。利用几何光学原理对激光定距引信的发射光学系统进行设计,采用非球面透镜与变形棱镜组合实现引信远场光斑的压缩整形,并通过ZEMAX 光学软件仿真优化和光斑试验。仿真试验结果表明,发射光束经过光学系统后,500m处的激光光斑直径被压缩到10 mm 且呈圆对称形状,准直效果显著优于柱透镜光学系统,使原有小型化、低功耗的激光定距引信探测距离明显增大。     

探测器阵列靶散射取样衰减单元设计

探测器阵列靶是测量激光强度时空分布的常用设备,为实现到靶激光参数高精度测量,取样衰减方式是其关键。针对探测器阵列靶散射取样衰减技术,基于双向透射分布函数对毛玻璃等材料透射散射光特性进行研究,推导出散射到探测器感光面激光强度衰减倍率的计算公式。设计了毛玻璃与工程漫射体组合的散射取样衰减单元,结合ABg散射模型,利用TracePro建立仿真模型。结果表明,设计的取样衰减结构可以承受功率密度2 000 W/cm2激光辐照20 s;散射出射角在±5.44°范围内,探测面取样不均匀性约为3.34%;衰减倍率仿真设计结果与实验测量误差约为0.805%。该种散射取样衰减方式具有抗激光损伤能力强、光斑匀化效果好、光强定量衰减及宽光谱响应等优点,具有很好的应用前景。     

超声多重深度相控聚焦发射设计与仿真

为解决动态孔径发射检测效率低而动态深度聚焦成像技术不同深度检测分辨率不均匀的问题,结合两种技术的优点,设计了一种多重深度聚焦发射方案。通过对超声相控阵成像空间分辨力与线性阵列结构参数关系的分析,确定了分区对称发射方式。并在标定横向焦宽7 mm,纵向焦深50 mm条件下,得到探测深度最大为110mm。经仿真成像对比,证明了该发射方法可有效改善分辨率不均和动态范围随探测深度降低的问题,且有效提高了超声相控阵检测效率。     

激光辐照条件下光学相机像质评价方法研究

倾斜刃边像分析法是调制传递函数评价方法中最常用的方法之一,该方法成像过程中光束透过能量高、实用性强,具有广泛的应用前景。将倾斜刃边像分析法应用于激光辐照条件下相机成像质量评价系统,分析方法可信有效,但需综合考虑刃边倾角度、刃边两侧灰度对比度和背景噪声等影响因素。采用倾斜刃边像分析法计算不同功率密度和光斑位置下系统不同的 MTF 曲线和 MTFA 值,结果表明:当激光功率密度偏小或光斑位置距刃边较远时,刃边对比度和MTF值影响较小;当激光功率密度逐步增大或光斑位置向刃边靠近时,局部MTF呈降低趋势变化,刃边对比度和MTF值影响逐渐增大,干扰效果也逐渐明显,尤其是在光斑覆盖目标时,MTF值无法计算,干扰效果达到最佳。因此,基于倾斜刃边像分析法可实现定性和定量评价光学相机成像质量。基于该仿真结果,建立相应的激光辐照条件下光学相机成像质量测评系统,可为光学相机激光辐照效应实验及其激光干扰效果评估提供技术支持。     

基于CCD的远场激光光斑测量系统开发与应用

针对被测激光器的特点,设计了基于CCD的远场激光光斑测量系统,通过设置CCD摄像机的控制参数,确保正确采集光斑图像,实现了图像的采集、显示、存储功能,并编写光斑图像分析软件,实现了光斑图像处理、参数计算、能量三维娃示等功能。     

激光束质量实时测量技术

提出一种新型光束质量实时测量技术,该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统,一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上,用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。     

线阵扫描三维成像激光雷达系统

针对小型智能机动平台对三维成像激光雷达小型化、低功耗、高精度、快速成像的特定应用要求,基于集成激光器阵列和APD探测阵列设计并实现了12元线阵扫描三维成像激光雷达系统;基于高速数字处理芯片和高精度时间间隔测量芯片实现了并行高精度激光脉冲飞行时间测量和实时数据处理和传输。详细描述了系统原理、组成部分以及实验结果。实验验证该系统激光脉冲重复频率大于10 kHz,垂直方向激光单元角度间隔小于2.5 mrad,近距离距离分辨率优于2.4 cm,测量数据统计标准差小于1,各通道一致性良好。在高速水平扫描转动平台驱动下实现了室内三维场景重构以及高塔大视场远距离目标探测成像实验。