激光辐射及应用课件：激光传输与控制

激光传输与控制6.1激光大气传输6.2大气热晕效应6.3斜程衰减6.4光束控制系统习题

6.1激光大气传输

6.1.1大气湍流效应

大气不是均匀的光学介质,其温度、湿度和压力在小范围和短时间内是快速随机变化的,因而大气折射率也随机变化,使得通过大气传输的光束产生一系列湍流效应。对于空间有限光束而言,光束扩展、光斑抖动和相干性退化是限制强激光系统充分发挥其效能的重要因素。光束扩展是湍流强度、工作波长和传输距离的函数。

6.1.2大气湍流特性

大气温度的不均匀,导致压力的不均匀,任意一点空气运动速度的方向和大小都有不规则的变化,造成气流强烈混合,形成湍流。通常用雷诺数(ReynoldNumber)来判断黏滞流体的流动特性:

式中,ρ为密度,v为特征速度,

L

为气流特征尺度,

η为黏滞系数,um为运动黏性。当大气的Re<2000时为层流,

Re>3000时为湍流。地面大气的典型值是:v=1~5m/s,L=2m,um=0.15cm2/s,可得

大气雷诺数很大时,形成强湍流。大气湍流由不同大小的涡流(湍涡)组成:湍流外尺度L0为最大涡流特征尺度(整个气流尺度),约为观测点高度;湍流内尺度l0为最小涡流特征尺度,地面为1~10mm。大涡流具有大的动能,惯性力使大涡流破碎到小涡流l0,对应Re为1,而不损耗能量,然后进入黏性耗散区,动能耗散为热能。L与l0间为惯性区,对激光传输起主要作用。

下面讨论大气湍流基本参数的定义。大气折射率的变化会引起激光束波前相位的起伏。

(1)Cn2——大气湍流折射率结构常数。

折射率的变化是由温度变化引起的,空气温度变化1℃,折射率变化1×10-6。Cn2(h)是随高度h与水平方向以及时间变化的,这反映了风速和温度的时空梯度的不均匀性。

(2)r0——大气湍流相干长度。

湍流对激光传输的影响是沿光束路径上Cn2(h)的积分效应:

式中,un称为湍流的n阶矩。Freid引入大气相干长度r0描述大气对光束传输的积分效应,在r0尺度内波阵面相位差小于π,再增大便无同相位性,将产生相干相消。即大气相干长度给出了一个空间尺度,在该空间尺度下的相位误差能被测量和修正。

(3)θ0——大气湍流等晕角。等晕角的意义是,两个测量点间对观测点张开的角度小于θ0时,大气湍流引起的波阵面相位差小于π,角度再增大便无同相位性,将产生相干相消。即在等晕角范围内大气路径上湍流造成的畸变基本相同。

(4)τ0——大气湍流特征时间常数。湍流的时间特性用Greenwood常数τ0来表示,其含义为在该时间范围内大气湍流保持基本不变,即可用冻结的湍流模型描述湍流。

6.1.3大气湍流的激光传输效应

激光束在大气传输过程中,由于大气湍流(大气折射率起伏)的影响,传输光束的波前将随机起伏,引起光束抖动、光斑漂移、强度起伏(闪烁)和光束扩展。

1.光斑漂移

在物理图像上,可以把大气湍流效应看做在光束路径上有许多尺度为r0的角度不同且随时间变化的楔镜,使子光束偏折,在远场叠加。子光束偏折的平均结果,相当一面大楔镜,使光斑质心偏离瞄准点,即产生光束的整体倾斜。光束倾斜随时间变化形成光斑漂移。

湍流引起的倾斜方差为

由于r0∝λ6/5,倾斜方差与波长无关。例,r0=5cm,D=0.5cm,则σt=2.9μrad。倾斜的最大动态范围约为标准方差的5倍,则最大倾斜量为±7.25μrad。接收孔径与r0相近时,光斑的随机偏转又叫做到达角起伏,有时对任何尺度接收孔径的随机偏转也叫做到达角起伏。

2.光束扩展

所谓光束扩展,是指接受到的光斑半径或面积的增大。一般来说,当光束通过尺度大于光束尺寸的湍涡传播时光束将产生偏折,而通过半径较小的湍涡时,将产生光束扩展,较小湍涡对光束的偏折作用较小。例如,由于湍流使光束破碎,远场光斑扩展,由大望远镜对恒星等点光源产生的长期曝光像的角半径,对应λ/r0大小的视宁度(seeing),定义为

实际上从总体上看仍然有整孔径聚焦效果,焦斑是湍流效应和望远镜聚焦的综合结果。在讨论湍流大气中传输光束扩展时,应区分短期或瞬时光束扩展和长期光束扩展。长期光束扩展是瞬时光束扩展和光束漂移的综合结果。长期曝光点光源图像的角半径为

式中,D为发射口径,σtilt为整体倾斜均方根值。湍流下的点扩展函数可以表征为直径为λ/r0的角度范围内随机分布的衍射极限光斑,如图6-1所示。图6-1湍流作用下长时间积分光斑

3.光斑闪烁(强度起伏)

光斑闪烁是大气湍流导致的常见且明显的光传输效应。它是由于同一光源发出的光通过不同路径的光线之间随机干涉的结果。大气折射率起伏引起光束波前相位起伏,波面各处前进方向不同的光发生干涉,产生强度的涨落且随时间变化,形成了光强闪烁。星光闪烁的原因就是恒星作为点光源发出的光,由于大气闪烁效应产生的亮区和暗区交替落入眼中,看起来星光一亮一暗。由于闪烁效应,对远处的物体的观察会看到物体不同部分有明暗的变化。

由计算结果得到,在大气条件较差(大气湍流折射率结构常数较大)及传输距离很长的情况下,高斯光束经大气传输的闪烁效应最强,球面光束次之,平面光束最小;而在大气条件良好(大气湍流折射率结构常数较小)及传输距离很长的情况下,平面光束经大气传输的闪烁效应最强,高斯光束次之,球面光束最小。随着湍流折射率结构常数的增大或传输距离的增大,闪烁率会随之增大并达到一个饱和点,随后开始下降。高斯光束的光强闪烁率随束径的增大而呈指数下降。

基于实际主动照明跟踪的需要,有关实验室开展了一系列单、多束激光照明的大气闪烁效应的实验研究和理论模拟研究工作,结果表明,在多束激光束的并合光束照明时,光斑的强度分布均匀性较单束照明时显著提高,可降低大气闪烁效应的影响。这是由于非相干束的强度叠加,平滑掉了部分湍流引起的强度起伏。由此可以推断,在相同的湍流强度下,照明激光的光强均匀度将会由于相干性的下降而有所提高。

6.2大气热晕效应当强激光通过大气时,大气中的分子及气溶胶粒子由于吸收激光辐射能量而导致自身加热,这样,大气就存在局部的温度升高,介质以声速膨胀,密度减小,如此就导致了相应的局部折射率的减小。对于初始强度为高斯分布的激光束,此时光轴上介质的受热处于极大值,因而其局部折射率处于一个极小值。按折射定律,光束中心附近的光线将向着气体稠密区域折射,这时,空气类似于一个负透镜的作用,当激光束连续通过时,光束将发散。这种大气和激光束的非线性作用所造成的激光束的扩展、畸变等现象,人们通常称为热晕。

当有切向风,即介质相对于激光束的传播方向做横向流动时,由于吸收介质的横向运动,不断地有未被加热的介质取代已被激光束加热的部分介质,因而光束的上风区比已经历了更长时间的下风区要冷且稠密些,折射率也就更大些。同样,按折射定律,光束会向折射率大即冷的方向偏移和扩展。光线会向着那些冷些的区域折射,这样,光束就会向来风方向偏移。图6-2所示为有横向风时热晕效应原理示意图。图6-2热晕效应原理示意图

当激光系统跟踪运动目标时,激光光束做扫描运动,相当于有等效横向旋转风。当目标运动方向与大气风速方向相同即顺风向时,在激光传输方向某一区域内,垂直光束传输方向的大气风速与跟踪运动目标的光束扫描运动速度的合速度很小,甚至接近于0,光束与大气之间相对静止,这就是所谓的驻止区。目标逆风运动时不存在驻止区,因此目标逆风运动总是可减小热晕效应;而顺风运动时,原则上讲总是存在驻止区。在驻止区内,主要通过热传导转移大气吸收的激光辐射能量。

由于大气热传导系数很小,因此在驻止区内必将产生严重的热晕效应。对聚焦光束而言,热晕效应的影响主要集中在接近目标端,因此,如果驻止区位置接近于目标端,驻止区热晕效应的影响将非常严重。激光在大气中传输时,同时受到热晕和湍流的影响。湍流对热晕的影响有两个方面:第一为湍流对光束的扩展效应导致强度分布的变化,从而直接影响热晕的生成;第二为大气湍流的运动影响了温度梯度从而影响热晕。当湍流的扰动频率远高于热晕稳态建立时间时,热晕的计算应基于被湍流扩展了的激光束;相反,在低频情况,湍流导致的扩展效应的计算应基于热晕畸变束。在中间情况,其综合效应是一个瞬态问题,不存在解析解。

6.3斜程衰减

前几节讨论仅限于激光束水平传输的情况。然而在实际工程应用中,尤其是机载激光器在飞机进行对地攻击过程当中,常常遇到的是斜程传输问题,如图6-3所示。图6-3斜程传输等效示意图

1.等效水平距离法

等效水平距离法是利用地面水平衰减资料,把斜程问题等效为水平问题,求出水平等效距离,则斜程衰减就等于地面水平衰减乘以等效水平距离。在此略去各种等效水平距离解析计算公式的推导过程,只给出它们所对应的图解曲线(见图6-4)。这些图具有共同的特点:在相同作用距离下,仰角愈大,等效水平距离就愈小,但当作用距离达到一定值时,等效水平距离几乎不变,这称为饱和作用距离;仰角愈大,饱和作用距离就愈短。

可见,提高系统的仰角或抬高系统的位置,一般总可以减小其大气衰减,除CO2分子线中心吸收和分子散射之外,在相同作用距离下,水汽吸收和气溶胶散射的等效水平距离差别不大,这就意味着只要其他衰减因子的权重数一定时,互换水汽吸收和气溶胶散射的权重数不会严重影响其等效水平距离。至此,剩下的问题是如何确定权重数。这在实际使用中很重要。确定权重数即确定各种衰减因子在总的水平衰减中所占的比例大小,将通过具体实例予以说明。图6-4等效水平距离解析计算对应的图解曲线

2.主要激光波长的等效水平距离方程

(1)10.6μm波长的CO2激光。对10.6μm波长,分子散射与其他衰减因子相比一般总是很小的,可忽略不计,即gm=0。对能见度大于30km的睛朗天气,气溶胶浓度小,其衰减可忽略不计,即gα

=0。但当能见度小于30km时,则必须考虑gα

的作用。对10.6μm的吸收主要有大气CO2分子的弱线中心吸收和水汽分子0.3μm的振转带翼以及14μm的纯转动线的线翼共振吸收,两者对衰减的贡献都相当大。故10.6μm的等效水平距离方程为

(2)1.06μm激光波长。对1.06μm激光波长,分子散射较之气溶胶散射一般可忽略不计,即gm=0。根据大量观测,1.06μm波长没有发现有严重的分子吸收,即gi=0。故1.06μm的等效水平距离方程为

(3)0.6328μm、0.844μm、0.91μm激光波长。对于这些激光波长,由于波长较短,分子散射与气溶胶散射在一般天气下所引起的衰减几乎是同一个数量级,故两个因子均须考虑。根据观测,三个波长都发现有少量的水汽吸收,一般属于弱线吸收。故它们的等效水平距离方程为

(4)0.6943μm、0.4880μm、0.53μm激光波长。根据观测,这三个波长没有发现有任何吸收,经光谱分析在大气中似乎也没有吸收气体对它们有严重吸收,即gi=0。在一般情况下,须同时考虑分子散射和气溶胶敏射。这三个波长的等效水平距离方程为

6.4光束控制系统6.4.1概述

鉴于以上大气对激光的影响,在大气中依靠激光束工作的设备均设有光束控制系统。光束控制的目的是使高能激光束精确、集中、稳定地击中目标上的瞄准点,即激光以最小光斑、最大功率密度、最大能量集中度会聚在瞄准点上。要击中目标,首先要捕获到目标,精确跟踪目标,对目标瞄准,然后发射高能激光束(又称为主激光),使激光束稳定地聚焦在目标上。图6-5是美国空军机械激光ABL计划的波前控制系统,其中最重要的就是光束控制和发射系统。

光束控制和发射系统的主要功能包括:

(1)目标捕获、跟踪、瞄准(AcquisitionTrackingPointing,ATP),精确锁定目标;

(2)经导光光路、光束变换完成各激光束(主激光、信标激光、照明激光)的扩束、对准、调焦和发射;

(3)用自适应光学(AdaptiveOptics,AO)系统实现高能激光器输出的主激光的光束稳定和净化;

(4)实现对由光路中光学器件和大气引起的激光束波前畸变的自适应光学校正。

1.波前传感

波前控制起源于波前变化,图6-6表示了经过透镜的波前变化。光波经过传输,理想情况下应该不改变形状。但是在经过诸如大气、光学器件之后会发生波前畸变。为了监测这种变化,就要用波前传感器。在自适应光学中所用的波前传感器技术从数学模型上看主要可分为两大类,一类是通过测量波前斜率获得波前相位信息,另一类是通过测量波前曲率获得波前相位信息。属于第一类的较典型的有剪切干涉法、夏克哈特曼(ShackHartmann,SH)法,以及由这些方法派生出来的其他类似方法。属于第二类的有波前曲率传感法,新近发展起来的利用神经网络新技术实现由像面光强分布反演出光瞳面相位分布的方法也可归入此类。图6-6-平面波由于经过透镜而产生的波前变化

一个点,经过大气成像后,会对原来的辐射产生影响,即光波通过湍流大气而发生畸变,就好像经过透镜一样,只是其波前变化更加不规则。如果事先掌握大气对波前的影响,在发射激光时,利用某种装置发射相反形式的波前,在传输过程中抵消世纪大气的影响,则当波前到达了预定目标时,正好是所希望的形式,这就是波前控制技术的核心。

针对上述方法,就需要几个设备来完成各个功能。这些设备有波前传感器、变形反射镜(DeformableMirror)等,其中波前传感器最常用的就是夏克哈特曼波前传感器。

波前传感器就是要感受波前的变化,它由许多小的透镜阵列组成。如果波前是平面波,经过这些透镜成像,就会产生分布均匀的像点;如果波前不是平面,在透镜阵列的作用下,像点就会不均匀。根据像点的不均匀程度和位置,就可以相应地反推出波前畸变的位置并将这个位置信息记录下来,送给变形反射镜(DeformableMirror)。下面简述其原理。

在光学测量中,有一种根据几何光学原理测定物镜几何像差或反射镜面形误差的所谓哈特曼法。如图6-7所示,在被检物镜(或反射镜)前放一块开有许多按一定规律排列的小孔构成的光阑,通常称为哈特曼光阑。

光束通过此光阑后被分割成许多细光束,只要在被测物镜焦面前后两垂直光轴的截面上测出各细光束中心坐标,根据简单的几何关系就可以求得被检物镜的几何像差或被检反射镜的面形误差。这一经典方法是由德国的哈特曼于1900年首先提出的,直到现在,在大型天文望远镜主反射镜面形误差的检验中仍常采用。由于经典哈特曼法中焦面前后截得的光斑直径较大,光斑中心坐标的测量精度较低,而且只利用了光阑上开孔部分的光线,光能损失较大。

夏克(R.K.Shack)于1971年对此方法作了改进,把哈特曼光阑换成一阵列透镜,这样既提高了光斑中心坐标的测量精度,又大大提高了光能利用率。这种改进后的哈特曼法称为夏克哈特曼法,或简称SH法。根据SH原理设计制造的波前传感器就称为夏克哈特曼波前传感器。通过在阵列透镜的焦面上测出畸变波前所成像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差,根据简单的几何关系就可以求出畸变波前上被各阵列透镜分割的子孔径范围内波前的平均斜率,继而可以求得全孔径波前的光程差或相位分布。夏克哈特曼波前传感器的结构如图6-8所示。

图6.7经典哈特曼法原理图6-8夏克哈特曼波前传感器及波前传感器感受波前变化

2.波前重构

光波波前误差是影响发射激光束的质量或光学成像质量的最主要因素,但在自适应光学系统中,一般不能直接获得光波波前误差的数据,以进行直接校正,而只能测得离散的波前斜率或离焦面上的光强分布,这就需要从上述离散数据中恢复出连续的波前形状。同时,测得的波前数据中通常还包含有测量误差,也需要利用波前上的全部数据来平滑个别测量点的误差。这两方面的工作,都属于波前重构的内容。最普遍的重构波前的方法是区域法和模型法,二者均利用波前的斜率。不过近年来又发展了从光强分布重构波前的方法。

波前重构工作运算量很大,而允许的运算时间却很短。波前重构问题可以归结为解最小二乘问题或解线性代数方程组。

1)波前估计方程

波前上任意两点间的相位存在下面的关系:

其中,∇是哈密顿算子,c是积分路径,此积分与路径无关。但是,在存在测量噪声的情况下,上一积分是与路径有关的,这就需要寻找更合适的关系式。

在斯特列尔比式中,A为波前振幅,α为束腰,ρ、φ为波前参数,如图6-9所示,光场为

式(6-11)可以离散化,可以用N个点取代连续面问题。这样,一个完整的波前被细分成(N-1)2子区间(子孔径)。然后,利用在孔径边界上测量的波前梯度或相位差数据来重构整个波前相位,这一方法称为区域法估计波前相位。图6-9光波波前

根据测量参数的性质(梯度或相位差)和要求重构波前相位的位置以及重构的算法的不同,可以有许多具体的重构波前的方法。其中按照相位测量点与重构点相对位置的不同,有三种重要的重构模型,见图6-10。

(1)休晋(Hudgin)模型(见图6-10(a)和图6-11)。测量数据是栅格点间的相位差,重构相位的点在栅格点上。对于任一子区域来说,因为h很小,可以认为

(2)弗雷德(Fried)模型(见图6-10(b)和图6-12)。设待定相位的位置在栅格点上,测量斜率的位置在区域的中央(见图6-10(b))。在计算区域中央的斜率时,取边界相位的平均值,即

这一模型的波前斜率在区域内部也是连续的,相位仍是线性变化的,在边界上也同样不连续。

(3)绍契威尔(Shothwell)模型(见图6-10(c)和图6-13)。此时,测量数据和待估计的相位均在栅格点上,可以认为,相邻栅格点的相位差是与相邻栅格点间中点的斜率对应的,即图6-11休晋模型图6-12弗雷德模型图6-13绍契威尔模型

除去以上三个方程外,还可以用样条函数内插,获得更精确的结果。上述三个方程可用如下矩阵表示:

其中,G是M

维梯度矢量,Φ是K维相位矢量。A是M×K矩阵。在归一化情况下,A是由+1、0和-1等元素组成的,由于计算区域的相位只利用了子孔径边界上的测量数据,所以矩阵A是稀疏矩阵。

2)波前重构算法

直接求解各个模型的矩阵计算量和存储量均很大,为此可以考虑采用分块矩阵算法。若假设子孔径阵列适当分块后,邻域效应可近似忽略,则各块独立进行波前重构并附加特定修正值就可等效于通常算法。这样既能减少计算量,又不会对估计精度带来大的影响。这就是分块波前重构的基本思想。

设现有一正方形子孔径阵列,它有N×N个子孔径。令k、n分别表示径向分块数和每块内径向子孔径数,显然有N=nk。

根据式(6-18),分块后的波前重构方程可写为

由式(6-18)和式(6-20)得出的相位并非一致,这是因为二者方程解都具有最小范数特点,即相位的平均值为零。分块后必然导致各块重构相位与通常算法重构相位各相差一数值。因此为保证波前的连续性,需在计算过程中附加一修正值。此修正值应为某特定点的通常算法重构相位值与该点的分块重构相位值的差值,即

对于采用区域法的自适应光学系统,由于子孔径与驱动器是一一对应的,所以φ不必算出,而只需在算出dij后,在对应子块内给所有驱动器加一直流偏置电压即可。

3.光学移相与变形反射镜

光学移相技术在自适应光学中主要用以构成各种类型的波前校正器。波前位相校正可通过改变折射率或光路长度实现。改变折射率的装置,如利用普克尔效应的空间光调制器,通过对铌酸锂和氧化硅铋等电光晶体施加适当的外电场,改变晶体的双折射率,达到位相校正的目的。这些装置由于晶体透射光谱受限,承受功率低及校正动态范围小,在自适应光学中仅获得了有限应用。利用反射表面变形或位移改变光路长度的波前校正器,由于具有高的时间—空间带宽积、大的校正动态范围、高达数千的自由度、校正性能与波长无关以及在很宽的谱段均具有高反射率而在自适应光学系统中得到广泛应用。

变形反射镜根据波前传感器送来的位置信息,调整反射角度就可以在发射的波中产生共轭波前,以抵消大气传输对波前的影响。

自适应光学系统所完成最简单的波前校正是对光束到达方向变化的校正,即波前畸变的整体倾斜模校正。倾斜模校正对波前校正动态范围最大,其工作方式又极简单,通常用单独的快速扫描倾斜反射镜完成。快速倾斜反射镜还广泛用于目标指向、跟踪捕获、稳定空间或机载光学系统视线、激光雷达、激光束调整及光通信等。

自适应光学系统需校正的畸变波前可用泽尼克正交多项式分解为不同阶次项。波前畸变的整体倾斜项可用快速倾斜反射镜单独校正,除倾斜项以外的高阶项均可用反射镜面面形可主动控制的多道变形反射镜校正。常用多道变形反射镜可分为分立表面多道变形镜与连续表面多道变形镜两类,对变形反射镜的主要技术要求为:镜面与待校正畸变波面间适配误差小、变形镜工作带宽高、自然谐振频率高以及有一定要求的波前校正动态范围。此外,抗疲劳、低工作电压、低能耗、高致动单元密度及小型化也往往是变形反射镜的重要设计要求,对应用于高能激光的自适应光学系统,还必须考虑变形反射镜的致冷要求。

图6-14是变形反射镜的侧视结构图,图6-15为几种实际变形反射镜。变形反射镜镜面由许多独立的制动器控制。图6-14变形反射镜侧视结构图图6-15几种实际变形反射镜

图6-16为常用的压电(PZT)、磁致伸缩(MAG)、电磁(EM)和液压(HYDR)致动器的截面图。

其他用于自适应光学系统的致动器类型有形状记忆合金热致动器、双金属热致动器、石蜡热致动器和丝杠—弹簧致动器等。图6-16-几种常用制动器

总体上,光束控制系统由跟踪发射望远镜、光束变换和导光光路组成。光束控制还包括对主激光进行稳定和光束净化的系统,以及对大气和光路元件引起的激光束波前畸变进行校正的自适应光学系统。在高能激光系统内,导光通道中的介质为空气时,空气吸收高能激光而被加热,产生温度梯度,使激光波面发生畸变,光束质量下降。为此,需要对高能激光导光通道采取吹风、抽真空或充低吸收率气体等措施抑制光束畸变。

图6-17所示为美国机载激光(ABL)的光束控制系统构成示意图。其中,FSM为快速控制反射镜,DM为变形反射镜。

通常光束控制系统采用双用途的光机结构,一方面用作观测目标的望远镜并实现对目标的跟踪,同时作为主激光的发射器,又叫做激光光束定向器。图6-17ABL光束控制系统构成示意图

光束定向器采用卡塞格林望远镜结构,把准直的高能激光束经次镜扩束到主镜上,根据测距激光测得的目标距离,调节主、次镜间距把激光束聚焦到目标上。望远镜的主、次镜系统也称为主孔径。望远镜装在一个有两个轴的万向架上,称为主机架。望远镜可以绕垂直轴(方位轴)和水平轴(俯仰轴)旋转,实现对不同方向和高度的目标的跟踪。

激光束通过发射望远镜的主孔径发射,需要先把激光器输出的激光束扩展到主孔径。主激光经过万向架进入主孔径,采用库德(Coude)折转光路。主激光器放置在固定光学平台上,当主机架转动时,经过库德折转光路的光束不随之转动,保持与望远镜同轴。

对目标的跟踪过程包括捕获、粗跟踪和精跟踪。先由大视场捕获传感器发现目标后转入跟踪,使目标进入跟踪视场;跟踪传感器测出目标位置信息,不断地计算脱靶量驱动机架使目标落在跟踪视场的中心,形成闭环控制过程,叫做粗跟踪。然后切换到较小视场的精跟踪,精跟踪探测器抓住目标,测量脱靶量控制精跟踪快速控制反射镜,可以快速改变视轴方向,把目标拉到其视场中心,实现对目标的精确跟踪。预先已使精跟踪轴和激光发射轴同轴,跟踪锁定目标后就可发射激光击中目标,对远距离运动目标还需对激光发射轴附加瞄准提前量。

6.4.2捕获、跟踪、瞄准的基本概念和工作过程

1.基本概念的定义

下面给出光束控制系统中对捕获、跟踪、瞄准等基本概念的定义。图6-18所示为瞄准误差,即瞄准点和跟踪轴间的关系。图6-18瞄准误差

(1)捕获:用较大视场(雷达或光电探测器)对责任空域进行监视、搜索并发现目标,获得目标的大致运动特性、轨迹和辐射特性,对目标初步识别,为跟踪提供引导信息。

(2)跟踪:利用闭环控制光电系统的运动,使目标保持在传感器视场中心,实时测量目标视轴与系统视轴(跟踪轴)的偏差,自动控制跟踪轴追随目标。

(3)跟踪误差:从望远镜光学跟踪出发,定义为跟踪轴与目标视轴偏差围绕其平均值变化的均方根值(rms),即望远镜感知的跟踪误差;从发射激光打靶角度出发,定义为靶斑瞬时质心围绕其平均质心位置变化的均方根值,即激光打到目标上的实际跟踪误差。

(4)瞄准:从望远镜光学跟踪出发,瞄准方向即为系统视轴的平均方向;从发射激光打靶角度出发,瞄准就是将发射轴对准目标,并计及目标运动和光束传输速度、蒙气差等设置提前量,使光束聚焦到目标上所设定的打击点。图6-19示出瞄准误差、漂移和抖动的概念。

图6-19瞄准误差、飘移及抖动

(5)瞄准误差:从望远镜出发,定义为激光发射轴与瞄准点视轴间偏差的平均值,即望远镜感知的瞄准误差;从打靶角度出发,定义为靶斑平均质心位置与设定的瞄准点的偏差,即目标上的实际激光束瞄准误差。因此,跟踪误差是视轴误差的时变量,瞄准误差是视轴误差的直流分量。对瞄准误差ΔθP的要求,取决于目标上有效杀伤区域的尺度,应保证光斑超过杀伤阈值的部分始终能落在有效杀伤区内。通常要求瞄准误差与跟踪误差相近。

(6)瞄准漂移:是指靶斑质心位置随时间变化的最大值,是由闭环跟踪控制量之外的因素引起的。它主要取决于主激光和发射轴的稳定性以及瞄准偏置精度的变化,通常显现为光斑向一个方向的线性漂移。要求瞄准漂移仍然在允许瞄准误差的范围内。

(7)瞄准抖动:是指叠加在瞄准漂移量上的靶斑质心位置变化的高频分量,其频率高于跟踪闭环带宽,频率高而变化量较小。

2.跟踪系统工作过程

跟踪最初要有大的视场才容易使目标进入跟踪视场,但由于跟踪传感器分辨力有限,因而探测精度不高。为解决视场与探测精度之间的矛盾,在实际的捕获跟踪瞄准系统中往往有几个不同视场的跟踪器,以进行视场切换。捕获目标后切换到粗跟踪视场,再由粗跟踪切换到精跟踪视场,最后用视场最小的高精跟踪器跟踪,同时可加上自适应光学系统校正光路像差。在视场自动切换中,要求前一级的均方根残差小于后一级视场的1/4~1/5,保证在峰值偏差下也能为下一级视场捕获。图6-20示出了各视场间的关系。

图6-20各视场间的关系

1)粗跟踪

目标捕获和粗跟踪采用单独的较小孔径、大视场望远镜,一般装在主机架上,与主孔径同步运动。在目标预警等信息引导下,转动望远镜使目标进入捕获视场。用CCD或焦平面阵列(FPA)成像传感器探测目标。用目标成像对视场中心的脱靶量控制主机架绕方位和俯仰轴运动,实现主孔径视轴的闭环跟踪控制,使目标落在粗跟踪视场的中心。通常粗跟踪精度可以达到数秒级。图6-21所示为粗跟踪器探测伺服系统方框图。图6-21粗跟踪器探测伺服系统方框图

2)精跟踪

精跟踪是用望远镜主孔径接收目标光,具有较小视场,仅为粗跟踪残差的4~5倍。采用四象限探测器或高帧频、高空间分辨力CCD等焦平面阵列传感器探测目标位置。用脱靶量控制接收光路上的快速倾斜控制反射镜的倾斜量,执行精跟踪闭环控制,使精跟踪视轴与目标光轴一致。快速倾斜反射镜的镜面背后装有可以伸缩的致动器,通常采用压电陶瓷或音圈致动器。为了获得高的工作带宽,要求整镜具有