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高精度激光合束及光轴指向控制技术研究

夏蕾  
【摘要】:激光有源干扰技术作为激光对抗的重要组成部分,一直是各国科技领域的热点和前沿问题。激光合束和控制系统作为激光有源干扰系统的输入端,其合束效果对激光干扰有重大影响。本文针对激光合束与控制系统,主要对激光合束方案、合束系统的监测和校正,合束光的传播特性以及合束精度分析和检测进行研究。本文采用的是非相干合束中的波长合束,相比于相干合束和其他非相干合束,它能完成多波长的合束,具有合束效率高、结构简单、元件价格低、抗热损伤能力高、易于工程实现的优点。合束系统通过镀膜干涉滤光片将三束不同波长的可见光激光分别进行透射或反射,从而将其合成一束,再通过CCD和二维快反镜来完成合束光的精度监测与校正的闭环控制。同时对激光合束精度和激光器的功率指标做了一定分析和计算,最后对合束的关键元件镀膜滤光片进行了材料和参数的选取。合束监测与校正系统选取的是漏光透镜法的直接监测方案。通过分束镜将合束光分为两部分,反射光进入发射系统,透射的漏光进入监测系统。监测系统里的切换转轮能够对合束光进行波长选择,结合消色差透镜,完成多光束实时角度监测。根据工程需求,确定反射镜的尺寸和三点夹持的压脚法安装固定方式,并选取柔性轴结构的压电陶瓷二维偏转台和CCD图像传感器分别作为快速反射镜驱动机构和角度测量元件。分析了常用的光斑中心亚像素定位算法,最后采用迭代阈值分割的图像预处理技术和二元线性插值的重心法进行光斑中心定位并分析了其测量误差。对倾斜光束进行准确的描述,创立了虚拟光学系统处理倾斜光束的技术方法,从而解决了一阶近似的小角度倾斜光束通过轴对称元件传播问题。应用多体运动学中的基矢量列阵方法来分析非轴对称元件的位姿变换,并结合虚拟光学系统和失调非轴对称系统理论,解决了一阶近似的小角度倾斜光束通过非轴对称元件的传播变换问题。最后应用ZEMAX光学软件仿真对倾斜光束进行仿真,仿真结果与虚拟光学系统的理论计算误差小于2‰。应用倾斜光束通过非轴对称元件的相关方法和结果,得出了倾斜基模高斯光束通过倾斜滤光片仍可以视为倾斜基模高斯光束的结论。根据这个特性,给出了以(a0,b0,θx,θy)即离轴量和倾斜角为参数来的倾斜光束合束精度分析模型,并将合束元件分为-45°透射镜、45°反射镜、-45°反射镜三种作用元件。根据合束作用元件对倾斜光束参数的变换,分析了合束精度监测的合理性并从误差分析的角度得到了合束精度优于9.136″的结论。分析了透镜法检测合束精度的原理误差,得出可以通过提高透镜焦距f,减小离焦量δz,来准确测量合束精度的结论。设计了对合束精度的检测实验,且实验数据与理论数据误差小于7.55%,说明了合束精度透镜法监测的准确性。


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