一种利用单探测器合成远场提高双光束合成精度和指向精度的标定方法

摘要

本发明公开了一种利用单探测器合成远场提高双光束合成精度和指向精度的标定方法，该标定方法对同一个探测器探测靶面进行区域划分，把四路测量信息分别调至四个不同的区域中，四个区域分别对应合束光瞳、合束光轴、A路激光光轴和B路激光光轴的实时状态信息。标定时采用A路和B路激光分别出光，先利用合束光轴A1′和B1′分别闭环在该区域中心决对零点处，再分别计算出A2′和B2′激光光轴坐标作，后再以A2′和B2′为零点闭环工作。本发明可大幅度降低标定成本、简化了标定结构和有效消除设备环境温度、震动等带来的误差，保证了双光束在探测器靶面的合成精度和稳定精度，从而提高了输出激光光束的合成精度和指向精度。

说明书

技术领域

本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种利用单探测器合成远场提高双光束合 成精度和指向精度的标定方法。

背景技术

对于N路不同波长的非相干光束合成后，虽然光束能量密度最大只能达到原来的N 倍，但由于它无需对每路光束进行相位控制，只需要对每路光进行整体方向的调节和控 制，故在工程中我们常常对N路不同波长的非相干光束进行合成，其技术难度小，在工 作中易于实现。在专利号为ZL201210152113.4(基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径 功率合成系统)中提出了采用光束稳定闭环控制的原理，利用光束合成传感器实时提取光 轴误差，采用高速处理机实时处理光轴误差，再经过高压驱动器输出光电信号反馈倾斜 镜对参与合束的单路光束实施光束稳定控制，以实时消除各路光束的光束指向误差，实现各 路光束的高精度合成。

本发明提出了针对两路光束的非相干功率合成，通过一定的方法，把光束稳定控制系统 中的探测器靶面分成四个区域，使单一探测器同时对单路远场(作为闭环控制时的光束指向 误差提取)、合束远场(作为光轴合成的判据)、合束近场(作为光瞳合成的判据)进行探测， 并分别对单路远场、合束远场进行标定。根据几何光学原理，测量光束聚焦成像像点与主光 束聚焦发射到目标点时的聚焦光斑互为共轭，故当两测量光束经聚焦镜组成像的像点重合 时，主光束经发射聚焦系统作用于目标点的光斑也重合。

在探测器工作前我们首先分别对每一个单路远场光进行标定，以往我们采用的是标准光 源标定法，通过修正单路远场光与标准光位置偏差，使合束远场光与标准光重合。其缺点是 必需做一个加工精度和调试精度都非常高的光学系统作为标准光源，每次工作前都需要将探 测器搬运到标准光源前进行标定，由于探测器外形尺寸比较大，每一次标定都要把它运到标 准光源前的专门光学系统前是非常不现实的，因此有必要发明一种新的光束合成精度和指向 精度的标定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在光束稳定闭环控制的不同波长脉冲激光光束功率合 成系统的指向误差中克服现有的不足，提供一种利用单探测器合成远场提高双光束合成 精度和指向精度的标定方法，其为用于两路不同波长的激光束共孔径、功率合成的合束 探测器中对合束光位置标定的方法，通过对光路的特殊设计，使单探测器对两路甚至更 多单路光束远场，合束远场和合束近场同时成像，通过调整单路光束远场的光轴误差， 从而实现了提高光束稳定闭环控制的不同波长脉冲激光功率合成系统的合成精度指向 精度。

本发明解决其技术问题所采用的解决方案：一种利用单探测器合成远场提高双光束 合成精度和指向精度的标定方法，采用的标定装置包括激光器入射光束、光束传输合成 系统、以及光束稳定控制系统。以两路合成为例光束传输合成系统它包括：第一可调镜 1-1，第二可调镜1-5，第一传输镜1-2，第二传输镜1-3，第三传输镜1-6，合成分光组 合镜1-4，聚焦系统1-7，目标1-8，第一激光器1-9，第二激光器1-10。第一激光器1-9 发出的光束经过第一可调镜1-1和第一传输镜1-2，第二传输镜1-3到合成分光组合镜 1-4。第二激光器1-10发出的光束经过第二可调镜1-5和第三传输镜1-6进入合成分光组 合镜1-4。第一激光器1-9发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4 反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4透射进入合成传感器 1-11；第二激光器1-10发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4透射 出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4反射进入合成传感器1-11； 所述的合成传感器1-11采用的是单探测器合束系统，它包括：共光路缩束模块2-1，第 一分光镜2-2，第二分光镜2-3，第三分光镜2-4，第四分光镜2-5，第五分光镜2-6， 第一反射镜2-7，成像模块2-8，第二反射镜2-9，聚焦模块2-10，第六分光镜2-11，第 三反射镜2-12，探测器2-13和第四反射镜2-14。第一激光器1-9和第二激光器1-10所 发出的双波长光束A和B通过共有的光路缩束模块2-1缩束后，到达第一分光镜2-2， 此时共有四种不同的传输路径。第一种传输路径为一部分能量的双波长光束A和B经过 第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5反射、第五分光镜2-6透射、聚焦模块2-10透射 并聚焦、第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-16的位置 上，为合束以后的光轴图像；第二种传输路径为一部分能量的双波长光束A和B经过第 一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5透射、第一反射镜2-7反射、成像模块2-8透射、第 二反射镜2-9反射、第六分光镜2-11透射后，到达探测器2-13，并成像于探测器靶面 2-17的位置，为合束以后的光瞳图像；第三种传输路径为一部分能量的其中波长A的 光束经过第一分光镜2-2反射、第二分光镜2-3透射、第四反射镜2-14和第三反光镜2-12 反射、第三分光镜2-4和第五2-6反射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11 反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-18的位置，为A路光轴信息；第四 种传输路径为一部分能量的波长为B光束经过分光镜1-2和1-3反射、分光镜1-4透射、 分光镜1-6反射、分光镜1-11反射后，到达探测器1-13，并聚焦于探测器靶面1-15的 位置，为B路光轴信息。

所述的利用单探测器合成远场提高双光束合成精度和指向精度的标定方法，利用分 光镜和反射镜进行光束方向的偏转和重组，实现探测器靶面分区域成像。标定第一步： 打开第一激光器1-9，其发出的光束波长为A，关闭第二激光器1-10；第一激光器1-9 发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4反射出去，极小部分能量作 为测量光束经过合成分光组合镜1-4透射进入合成传感器1-11；这部分能量的一部分光 束经过第一种传输路径：第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5反射、第五分光镜2-6 透射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后、到达探测器2-13，并聚焦 于探测器靶面2-16的位置A1点；另一部分能量光束经过第三种传输路径：第一分光镜 2-2反射、第二分光镜2-3透射、第四反射镜2-14和第三反光镜2-12反射、第三分光镜 2-4和第五2-6反射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后，到达探测器 2-13，并聚焦于探测器靶面2-18的A2位置上。此时光束A的光轴质心A1点并没有聚 焦到探测器靶面2-16的标定零点位置上，计算机运用PID算法将误差传给高压放大器， 高压放大器把误差信号放大并驱动倾斜镜1-1向误差小的方向旋转，最终将光束A在靶 面2-16上的质心A1闭环到标定零点A1`位置上，与此同时聚焦在探测器靶面2-18的光 轴质心A2也有个相对移动，光束A在靶面2-18的质心由A2移到了A2`的位置上，A2` 就作为光束A在探测器靶面2-18的标定零点。

标定第二步：打开第二激光器1-10，其发出的光束波长为B，关闭第一激光器1-9； 第二激光器1-10发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4透射出去， 极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4反射进入合成传感器1-11；这部分 能量的一部分光束经过第一种传输路径：第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5反射、 第五分光镜2-6透射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后、到达探测 器2-13，并聚焦于探测器靶面2-16的位置B1点。波长为B的另一部分能量光束经过第 四种传输路径：第一分光镜2-2和第二分光镜2-3反射、第三分光镜2-4透射、第五分 光镜2-6反射、第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-15 的B2位置上。此时光束B的光轴质心B1点并没有聚焦到探测器靶面2-18的标定零点 位置上，计算机运用PID算法将误差传给高压放大器，高压放大器把误差信号放大并驱 动倾斜镜1-5向误差小的方向旋转，最终将光束B在靶面2-16上的质心B1闭环到标定 零点的B1`位置上，与此同时聚焦在探测器靶面2-15的光轴质心B2也有个相对的移动， 光束B在靶面2-15的质心由B2移到了B2`的位置上，B2`就作为光束B在探测器靶面 2-15的标定零点。

标定第三步：将第一激光器1-9、第二激光器1-10同时打开，波长为A和波长为B 的光束同时放出，第一激光器1-9发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合 镜1-4反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4透射进入合成传 感器1-11；第二激光器1-10发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4 透射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4反射进入合成传感器 1-11；波长为A和B的双波长光束的一部分能量光束经过第一种传输路径：第一分光镜 2-2透射、第四分光镜2-5反射、第五分光镜2-6透射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第 六分光镜2-11反射后、到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-16的位置A1点和B1 点。波长为A的另一部分能量光束经过第三种传输路径：第一分光镜2-2反射、第二分 光镜2-3透射、第四反射镜2-14和第三反光镜2-12反射、第三分光镜2-4和第五2-6反 射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于 探测器靶面2-18的A2位置上。波长为B的另一部分能量光束经过第四种传输路径：第 一分光镜2-2和第二分光镜2-3反射、第三分光镜2-4透射、第五分光镜2-6反射、第六 分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-15的B2位置上。通过 驱动倾斜镜调整光束A质心A2和光束B质心B2，将探测器靶面2-18上的A2和探测 器靶面上的2-15上的B2拉向A2`和B2`，相应的靶面2-16的位置上的A1点和B1点必 重合，且没有漂移，此方法在探测器靶面2-18，、2-15上提高了指向精度，消除了激光 光束指向误差，保证了双光束在探测器靶面2-16的合成稳定。

本发明的原理在于：

一种利用单探测器合成远场提高双光束合成精度和指向精度的标定方法，采用的标 定装置包括激光器入射光束、光束传输合成系统、以及光束稳定控制系统；光束传输合 成系统包括：第一可调镜，第一传输镜，第二传输镜，合成分光组合镜，第二可调镜， 第三传输镜，聚焦系统，目标，第一激光器，第二激光器；第一激光器发出的激光光束 经过第一可调镜和第一传输镜，第二传输镜到合成分光组合镜，第二激光器发出的激光 光束经过第二可调镜和第三传输镜进入合成分光组合镜，第一激光器发出的第一激光光 束的大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜反射出去，极小部分能量作为测量光束 经过合成分光组合镜透射进入合成传感器；第二激光器发出的第二激光光束的大部分能 量作为主光束经过合成分光组合镜透射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光 组合镜反射进入合成传感器；光束稳定控制系统执行光束指向信息探测、处理及控制功 能，它包括合成传感器、计算机、高压驱动器、第一可调镜、第二可调镜。在合成传感 器中利用单探测器对光瞳光轴同时成像的合束探测装置，提高了多光束合成指向精度的 标定方法。所述的利用单探测器提高双光束合成精度和指向精度的标定，首先必须对探 测器探测靶面行政区域划分。我们把探测器探测靶面划分成四个区域，在工作时把四路 测量信号分别调在四个不同的区域中。如探测器全靶面有效区域为n×n像素，则需要分 别从n/2行和n/2列的位置划分出两根十字形相交的区域分割线，所划分的四个区域分 别对应到合束光瞳、合束光轴、A路光轴和B路光轴四路信号的实时状态。

以两路光束合成为例，单探测器合束系统它包括：共光路缩束模块，第一分光镜， 第二分光镜，第三分光镜，第四分光镜，第五分光镜，第一反射镜，成像模块，第二反 射镜，聚焦模块，第六分光镜，第三反射镜，探测器和第四反射镜。由第一激光器和第 二激光器分别发出的双波长光束A和B通过共有的光路缩束模块缩束后，到达第一分光 镜，此时共有四种不同的传输路径。第一种传输路径为一部分能量的双波长光束A和B 经过第一分光镜透射、第四分光镜反射、第五分光镜透射、聚焦模块透射并聚焦、第六 分光镜反射后，到达探测器，并聚焦于探测器靶面的右上位置，为合束以后的光轴图像； 第二种传输路径为一部分能量的双波长光束经过第一分光镜透射、第四分光镜透射、第 一反射镜反射、成像模块透射、第二反射镜反射、第六分光镜透射后，到达探测器，并 成像于探测器靶面的左上位置，为合束以后的光瞳图像；第三种传输路径为一部分能量 波长为A的光束经过第一分光镜反射、第二分光镜透射、第四反射镜和第三反射镜反射、 第三分光镜和第五分光镜反射、聚焦模块透射并聚焦、第六分光镜反射后，到达探测器， 并聚焦于探测器靶面的左下位置，为A路光轴信息；第四种传输路径为第二激光器发出 的一部分能量波长为B的光束经过第一分光镜和第二分光镜反射、第三分光镜透射、第 五分光镜反射、聚焦模块透射并聚焦，第六分光镜反射后，到达探测器，并聚焦于探测 器靶面的右下位置，为B路光轴信息。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

(1)、本发明采用单一探测器进行两路光的光轴、合束以后的光轴和合束以后的光 瞳信息探测，保证了基准的同一性，避免了不同探测器之间的热漂移；

(2)、本发明在两束光单独实施实时闭环控制从而保证闭环精度的情况下，可以实 时观测两束光的合束状态，包括光瞳合束状态和光轴合束状态；

(3)、本发明采用单一探测器进行两路光的光轴、合束以后的光轴合成精度和指向 精度的标定，取代了标准光源的制造困难，光学调试复杂，研制成本高，并只能在恒温 条件下使用的苛刻条件；

(4)、本发明采用单一探测器进行两路光的光轴、合束以后的光轴合成指向精度的 标定，简化了测量结构，节省了标准光源和探测传感器间的耦合装置；

(5)、本发明在两束光单独实施实时闭环控制从而保证闭环精度的情况下，采用此 标定方法，可以消除因环境变化(温度所带来的热漂移，震动和冲击所带来的光学系统 位移)而产生的误差。

附图说明：

图1为本发明一种利用单探测器提高双光束合成精度和指向精度的标定装置结构 图；

图2为合成传感器合束探测装置光路传输路径图；

图3波长为A的光束在探测器靶面上质心的零点标定；

图4波长为B的光束在探测器靶面上质心的零点标定；

图5为波长为A和B的双波长光束同时在探测器靶面上的标定；

图中：1-1为第一可调镜，1-2为第一传输镜，1-3为第二传输镜，1-4为合成分光组 合镜，1-5为第二可调镜，1-6为第三传输镜，1-7为聚焦系统，1-8为目标，1-9为第一 激光，1-10为第二激光。

2-1为共光路缩束模块，2-2为第一分光镜，2-3为第二分光镜，2-4为第三分光镜， 2-5为第四分光镜，2-6为第五分光镜，2-7为第一反射镜，2-8为成像模块，2-9为第二 反射镜，2-10为聚焦模块，2-11为第六分光镜，2-12为第三反射镜，2-13为探测器，2-14 第四反射镜，2-15为波长为B的光束聚焦在探测器靶面的位置，2-16为波长A和波长B 的双光束聚焦在探测器靶面的位置，2-17为合束以后的光瞳图像，2-18为波长为A光 束聚焦在探测器靶面的位置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示第一激光器1-9发出的第一束光经过第一可调镜1-1和第一传输镜1-2， 第二传输镜1-3到合成分光组合镜1-4。第二激光器1-10发出的第二束光经过第二可调 镜1-5和第三传输镜1-6进入合成分光组合镜1-4。第一束光的大部分能量作为主光束经 过合成分光组合镜1-4反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4 透射进入合成传感器1-11；第二束光的大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4 透射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4反射进入合成传感器 1-11。两路主光束合成后对接反射聚焦系统1-7作用于目标1-8上。

如图2所示所述的合成传感器1-11采用的是单探测器合束系统，第一激光器1-9和 第二激光器1-10所发出的双波长光束A和B通过共有的光路缩束模块2-1缩束后，到 达第一分光镜2-2，此时共有四种不同的传输路径。第一种传输路径为一部分能量的双 波长光束A和B经过第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5反射、第五分光镜2-6透射、 聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测 器靶面2-16的位置上，为合束以后的光轴图像；第二种传输路径为一部分能量的双波长 光束A和B经过第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5透射、第一反射镜2-7反射、成 像模块2-8透射、第二反射镜2-9反射、第六分光镜2-11透射后，到达探测器2-13，并 成像于探测器靶面2-17的位置，为合束以后的光瞳图像；第三种传输路径为一部分能量 的其中波长A的光束经过第一分光镜2-2反射、第二分光镜2-3透射、第四反射镜2-14 和第三反光镜2-12反射、第三分光镜2-4和第五2-6反射、聚焦模块2-10透射并聚焦、 第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-18的位置，为A路 光轴信息；第四种传输路径为一部分能量的波长为B光束经过分光镜1-2和1-3反射、 分光镜1-4透射、分光镜1-6反射、分光镜1-11反射后，到达探测器1-13，并聚焦于探 测器靶面1-15的位置，为B路光轴信息。

如图3所示打开第一激光器1-9，其发出的光束波长为A，关闭第二激光器1-10； 第一激光器1-9发出的光束大部分能量作为主光束合成分光组合镜1-4反射出去，极小 部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4透射进入合成传感器1-11；这部分能量 的一部分光束经过第一种传输路径：第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5反射、第五 分光镜2-6透射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后、到达探测器2-13， 并聚焦于探测器靶面2-16的位置A1点；另一部分能量光束经过第三种传输路径：第一 分光镜2-2反射、第二分光镜2-3透射、第四反射镜2-14和第三反光镜2-12反射、第三 分光镜2-4和第五2-6反射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后，到达 探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-18的A2位置上。此时光束A的光轴质心A1点并 没有聚焦到探测器靶面2-16的标定零点位置上，计算机运用PID算法将误差传给高压 放大器，高压放大器把误差信号放大并驱动倾斜镜1-1向误差小的方向旋转，最终将光 束A在靶面2-16上的质心A1闭环到标定零点A1`位置上，与此同时聚焦在探测器靶面 2-18的光轴质心A2也有个相对移动，光束A在靶面2-18的质心由A2移到了A2`的位 置上，A2`就作为光束A在探测器靶面2-18的标定零点。

如图4所示打开第二激光器1-10，其发出的光束波长为B，关闭第一激光器1-9； 第二激光器1-10发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4透射出去， 极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4反射进入合成传感器1-11；这部分 能量的一部分光束经过第一种传输路径：第一分光镜2-2透射、第四分光镜2-5反射、 第五分光镜2-6透射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后、到达探测 器2-13，并聚焦于探测器靶面2-16的位置B1点。波长为B的另一部分能量光束经过第 四种传输路径：第一分光镜2-2和第二分光镜2-3反射、第三分光镜2-4透射、第五分 光镜2-6反射、第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-15 的B2位置上。此时光束B的光轴质心B1点并没有聚焦到探测器靶面2-18的标定零点 位置上，计算机运用PID算法将误差传给高压放大器，高压放大器把误差信号放大并驱 动倾斜镜1-5向误差小的方向旋转，最终将光束B在靶面2-16上的质心B1闭环到标定 零点的B1`位置上，与此同时聚焦在探测器靶面2-15的光轴质心B2也有个相对的移动， 光束B在靶面2-15的质心由B2移到了B2`的位置上，B2`就作为光束B在探测器靶面 2-15的标定零点。

如图5所示将第一激光器1-9、第二激光器1-10同时打开，波长为A和波长为B的 光束同时放出，第一激光器1-9发出的光束大部分能量作为主光束合成分光组合镜1-4 反射标定第三步：将第一激光器1-9、第二激光器1-10同时打开，波长为A和波长为B 的光束同时放出，第一激光器1-9发出的光束大部分能量作为主光束合成分光组合镜1-4 反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4透射进入合成传感器 1-11；第二激光器1-10发出的光束大部分能量作为主光束经过合成分光组合镜1-4透射 出去，极小部分能量作为测量光束经过合成分光组合镜1-4反射进入合成传感器1-11； 波长为A和B的双波长光束的一部分能量光束经过第一种传输路径：第一分光镜2-2透 射、第四分光镜2-5反射、第五分光镜2-6透射、聚焦模块2-10透射并聚焦、第六分光 镜2-11反射后、到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-16的位置A1点和B1点。波 长为A的另一部分能量光束经过第三种传输路径：第一分光镜2-2反射、第二分光镜2-3 透射、第四反射镜2-14和第三反光镜2-12反射、第三分光镜2-4和第五2-6反射、聚焦 模块2-10透射并聚焦、第六分光镜2-11反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶 面2-18的A2位置上。波长为B的另一部分能量光束经过第四种传输路径：第一分光镜 2-2和第二分光镜2-3反射、第三分光镜2-4透射、第五分光镜2-6反射、第六分光镜2-11 反射后，到达探测器2-13，并聚焦于探测器靶面2-15的B2位置上。通过驱动倾斜镜调 整光束A质心A2和光束B质心B2，将探测器靶面2-18上的A2和探测器靶面上的2-15 上的B2拉向A2`和B2`，相应的靶面2-16的位置上的A1点和B1点必重合，且没有漂 移，此方法在探测器靶面2-18，、2-15上提高了指向精度，消除了激光光束指向误差， 保证了双光束在探测器靶面2-16的合成稳定。