自适应激光远场功率密度控制装置的制作方法

本发明属于自适应激光束远场精确聚焦控制技术领域，具体涉及一种自适应激光远场功率密度控制装置。

背景技术：

激光束远场聚焦，一般是通过光束控制系统改变系统焦距，将激光束输出的功率最大限度地集中到远场目标上。目前的控制方式主要通过逆伽利略望远镜系统和逆卡赛格林系统对激光束控制。逆伽利略望远镜系统由凸、凹两片透镜组成，通过改变两透镜之间的距离，从而控制系统的焦距，将激光束在远场进行聚焦。该系统的不足是随着远场距离的增大，聚焦光斑尺寸偏大，光斑能量的相对强度较弱，而且聚焦精度不易控制。逆卡赛格林系统由由凹非球面主镜和凸球面次镜组成，通过改变主、次镜之间的距离，实现激光束在远场聚焦。该系统的不足是光束控制系统体积较大、不易系统集成。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应激光远场功率密度控制装置，本装置具有结构简单、便于集成、聚焦精度高且能够自适应控制等优点。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：一种自适应激光远场功率密度控制装置，本装置包括沿着激光发射方向依次排布的光束准直组件、带有调焦透镜的调焦组件、固定凹面镜、组合透镜、快反镜和用于把激光平行发射出去的离轴抛物面反射镜；所述组合透镜由弯月透镜和平凸透镜沿着激光发射方向顺序胶合在一起构成，且弯月透镜的凸面与平凸透镜的平面相互靠近设置。

优选的，本装置还包括测距单元以及视频采集单元，所述测距单元以及视频采集单元的输出端均与控制器相连，所述调焦组件的驱动器与控制器的输出端相连。

优选的，所述调焦组件为直线移动组件，其包括直线电机、直线电机驱动器、导轨丝杠以及通过滑块固定在导轨丝杠上的调焦透镜；所述直线电机的输出轴通过联轴器与导轨丝杠相连；所述调焦透镜为固定在滑块上并跟随滑块前后移动的移动凹面镜；所述直线电机驱动器与控制器的输出端相连。

优选的，所述快反镜包括可调节反射镜、X向调节机构和Y向调节机构，所述X向调节机构用于对可调节反射镜在X轴方向上的俯仰角度进行调节，所述Y向调节机构用于对可调节反射镜在Y轴方向上的俯仰角度进行调节；所述可调节反射镜上设置有与综合控制显示装置构成电连接的位移传感器。

优选的，所述调焦透镜的直径为16mm，固定凹面镜透镜的直径为30mm，组合透镜中弯月透镜和平凸透镜的直径均为110mm；所述固定凹面镜与组合透镜在调焦过程中均位置固定；调焦透镜可调节范围为10mm，调焦透镜最近距固定凹面镜为73mm，最远距固定凹面镜为83mm；固定凹面镜至组合透镜距离为180mm，组合透镜中弯月透镜与平凸透镜之间的间隙为1mm。

优选的，所述光束准直组件包括沿着激光发射方向依次排布的准直镜和扩束镜，所述准直镜与所述光纤的输出端相连接。

优选的，所述X向调节机构包括两个X向音圈电机、两个X向柔性铰链和X向基座，两个X向音圈电机彼此相对设置，两个X向柔性铰链也彼此相对设置，且两个X向音圈电机的设置方向与两个X向柔性铰链的设置方向正向交叉；所述可调节反射镜固定设置在两个X向柔性铰链的顶部，且可调节反射镜与两个X向音圈电机构成铰接连接；

所述Y向调节机构包括两个Y向音圈电机、两个Y向柔性铰链和Y向基座，两个Y向音圈电机彼此相对设置，两个Y向柔性铰链也彼此相对设置，且两个Y向音圈电机的设置方向与两个Y向柔性铰链的设置方向正向交叉,两个Y向音圈电机的设置方向与两个X向音圈电机的设置方向也正向交叉；所述X向基座固定设置在两个Y向柔性铰链的顶部，且X向基座与两个Y向音圈电机构成铰接连接。

优选的，本装置还包括设置在扩束镜和调焦组件之间的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜彼此配合使得激光反射180°。

优选的，本装置还包括设置在组合透镜与快反镜之间的半透半反镜，所述半透半反镜的设有反光膜的一侧设置有用于接收外界入射光的CCD成像模块，所述CCD成像模块的输出端与视频采集模块相连；所述视频采集模块的输出端与图像处理模块的输入端相连，所述图像处理模块的输出端与控制器的输入端相连，所述控制器的输出端与显示器的输入端相连；所述离轴抛物面反射镜、快反镜和半透半反镜构成外界入射光的入射通道。

优选的，本装置的调校过程为通过视频采集单元和移动调焦透镜，得到不同距离处的激光光斑的聚焦点，具体过程为首先装置加电、直线电机自动归零位，打开激光光源触发开关，采用测距单元测距并设置目标位置基准点，然后通过控制器前后调整直线电机的移动位置，找出所设定的基准点处的激光光斑的聚焦点，标定出基准点处对应的直线电机的移动位置；设定增量改变目标位置，重复上述标校过程，直至完成全部目标位置的标定，将标校的结果拟合得到位移－距离函数，并将得到的位移－距离函数写入控制器中的主控制单元程序。

本发明的有益效果在于：

1)本发明中的自适应激光远场功率密度控制装置采用单个移动凹面镜作为目镜组，固定凹面镜以及由弯月透镜和平凸透镜组成的组合透镜共同构成物镜组。激光调焦过程中，保持物镜组位置固定不变，仅仅需要移动安装在精密导轨上作为目镜组的单个移动凹面镜即可。这种构成方式的光学调焦组件不但结构紧凑，而且反应灵敏，控制精度高。

2)本发明中还设置有测距单元，通过直线电机和测距单元的彼此配合，采用目标测距信息和目标上的激光光斑大小变化信息相结合的方式，通过解析得到激光在远场目标上聚焦的系统焦距参数。所述解析即将目标距离信息作为系统焦距调节的基本参数；在此基础上，通过视频采集单元检测CCD成像模块获取的激光光斑大小变化，实时细微调整系统焦距(即前后移动调焦透镜)，直至检测得到的激光光斑能量中心区域直径在图像中最小。本发明中的这种解析方式即自适应调节激光束远场聚焦的方式，不仅调焦过程快速，而且在很大程度上提高了激光束远场聚焦精度。

3)本发明中的视频采集单元包括离轴抛物面反射镜、快反镜和半透半反镜、CCD成像模块以及视频采集模块相连；外界入射光依次通过离轴抛物面反射镜、快反镜并穿射至半透半反镜处，然后经半透半反镜上的反光膜反射进入CCD成像模块，经CCD成像模块得到的成像信息进入视频采集模块采集处理后输送至图像处理模块，图像处理模块将接收到的信息处理后发送至控制器中，最终由控制器控制在显示器中完成目标信息的显示。本发明的这种视频成像的入射通道与激光发射通道共用了离轴抛物面反射镜和快反镜，并通过半透半反镜将激光和外界入射光分离开来，结构紧凑巧妙，而且降低了整个系统的制造成本。

4)本发明中通过精跟踪系统实现了对目标的精确跟踪。所述精跟踪系统包括快反镜以及由CMOS面阵构成的视频采集模块，所述快反镜包括可调节反射镜、X向调节机构和Y向调节机构，通过X向调节机构和Y向调节机构能够实现对可调节反射镜的俯仰调节；由CMOS面阵构成的视频采集模块则主要实现对目标细部构造(如犯罪分子的手部)的稳定精确的跟踪。

5)本发明中的快反镜由可调节反射镜、音圈电机、柔性铰链和位移传感器构成，所述位移传感器用于检测可调节反射镜的偏转角度，而音圈电机和柔性铰链彼此配合以实现可调节反射镜的偏转或俯仰，不但结构简单，而且可调性好，跟踪快速，反应灵敏。

附图说明

图1为含有本装置的一种激光主动拒止系统的结构示意图。

图2为本发明的一种实施例的结构示意图。

图3为本发明的另一种实施例的结构示意图。

图4为移动凹面镜、固定凹面镜和组合透镜的位置状态图。

图5为自适应激光远场功率密度控制装置中的光路系统图。

图6为快反镜的结构示意图。

图7为图6的侧视图。

图8为图6的另一个方向的侧视图。

图9为自适应激光远场功率密度控制装置的调试过程示意图。

图10为视频采集单元的结构示意图。

图中标记的含义如下：

1-激光产生和发射装置 2-旋转支架 3-激光发射窗口

4-视频采集窗口 5-激光测距窗口 51-激光测距机 6-壳体

7-综合控制显示装置 8-光纤 9-准直镜 10-扩束镜

11-第一反射镜 12-第二反射镜 13-直线电机

131-直线电机驱动器 14-导轨丝杠 151-调焦透镜

152-固定凹面镜 153-组合透镜 16-快反镜 161-可调节反射镜

162-X向音圈电机 163-X向柔性铰链 164-X向基座

165-Y向音圈电机 166-Y向柔性铰链 167-Y向基座

17-离轴抛物面反射镜 18-半透半反镜 181-CCD成像模块

182-视频采集模块

A-物镜组 B-光束准直组件

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

如图1所示实施例中的激光主动拒止系统，本系统包括激光产生与发射装置1和远场精确聚焦装置，所述激光产生与发射装置1通过光纤8与自适应激光远场功率密度控制装置相连；所述远场精确聚焦装置设置在旋转支架2上；所述旋转支架2上还设置有测距单元和视频采集单元；所述测距单元通过激光测距窗口5进行测量，所述视频采集单元通过视频采集窗口4采集外界视频或图像信息。本系统还包括与激光产生与发射装置1、自适应激光远场功率密度控制装置、旋转支架2、测距单元4和视频采集单元均构成电连接的综合控制显示装置7。

前述激光主动拒止系统中的远场精确聚焦装置、测距单元以及视频采集单元与控制器则构成了本发明中的自适应激光远场功率密度控制装置。

下面对本实施例中的主要构成部件分别进行详细说明。

1.远场精确聚焦装置

如图3所示，所述远场精确聚焦装置为本发明中自适应激光远场功率密度控制装置的一部分，其包括沿着激光发射方向依次排布的光束准直组件B、带有调焦透镜151的调焦组件、固定凹面镜152、组合透镜153、快反镜16和用于把激光平行发射出去的离轴抛物面反射镜17；所述组合透镜153由弯月透镜和平凸透镜沿着激光发射方向顺序胶合在一起构成，且弯月透镜的凸面与平凸透镜的平面相互靠近设置。如图3所示，其中弯月透镜的凹面一侧与所述固定凹面镜152相对设置，即组合透镜153中的弯月透镜相对于平凸透镜更靠近所述固定凹面镜152。

如图3、5所示，自组合透镜153发射出来的激光依次经快反镜16、离轴抛物面反射镜17反射后出射至目标处。

如图3所示，所述自适应激光远场功率密度控制装置中的调焦组件为直线移动组件，其包括直线电机13、直线电机驱动器131、导轨丝杠14以及通过滑块固定在导轨丝杠14上的调焦透镜151；所述直线电机13的输出轴通过联轴器与导轨丝杠14相连；所述调焦透镜151为固定在滑块上并跟随滑块前后移动的移动凹面镜。所述直线电机驱动器131与综合控制显示装置7中的控制器电连接，所述综合控制显示装置7中的控制器发出指令使直线电机驱动器131动作，直线电机驱动器131则使直线电机13正反转，从而使调焦透镜151沿着导轨丝杠14限定的方向前进或者后退，以实现对不同距离外的目标的瞄准和聚焦。

如图4所示，所述调焦透镜151即移动凹面镜的直径为16mm，固定凹面镜152透镜的直径为30mm，组合透镜153中弯月透镜和平凸透镜的直径均为110mm；所述固定凹面镜152与组合透镜153构成的物镜组在调焦过程中均位置固定；调焦透镜151所构成的目镜组的可调节范围为10mm，调焦透镜151最近距固定凹面镜152为73mm，最远距固定凹面镜152为83mm；固定凹面镜152至组合透镜距离为180mm，组合透镜153中弯月透镜与平凸透镜之间的间隙为1mm。

如图2所示，所述光束准直组件包括沿着激光发射方向依次排布的准直镜9和扩束镜10，所述准直镜9与所述光纤8的输出端相连接。光纤连接器将激光产生和发射装置1通过光纤与准直镜9相连并对激光准直，准直后的激光再通过扩束镜10将激光扩束并进一步减小发散角。

如图2所示，所述自适应激光远场功率密度控制装置还可以在扩束镜10和调焦组件之间设置第一反射镜11和第二反射镜12，所述第一反射镜11和第二反射镜12彼此配合使得激光反射180°。第一反射镜11和第二反射镜12的设置可以尽可能的减少整个聚焦装置的体积，从而使得系统结构紧凑，便于运输和使用。

2.视频采集单元

本发明中的视频采集单元主要用于实现目标的粗跟踪和精跟踪，以及获取激光光斑的大小变化信息。

如图3所示，所述视频采集单元包括设置在组合透镜153与快反镜16之间的半透半反镜17，所述半透半反镜17的设有反光膜的一侧设置有用于接收外界入射光的CCD成像模块171，所述CCD成像模块171的输出端与视频采集模块172相连；所述离轴抛物面反射镜17、快反镜16和半透半反镜17构成外界入射光的入射通道。本发明中通过增设半透半反镜17实现了结构紧凑的设计目的，当然也可以设计使用一套完全独立于激光发射光学系统的视频采集单元。

对于目标(如犯罪分子)的粗跟踪，所使用的粗跟踪系统包括由双轴伺服转台构成的旋转支架2、快反镜16以及由CCD面阵构成的视频采集模块，所述双轴伺服转台由运动控制器、电机驱动器、执行电机、转台执行机构组成；所述双轴伺服转台的运动控制器与综合控制显示装置7中的控制器电连接，以实现双轴伺服转台的二维转动和粗跟踪。在粗跟踪过程中，快反镜16中的可调节反射镜161的位置保持不动。

对于目标(如犯罪份子的手部)的精跟踪，所使用的精跟踪系统包括快反镜16以及由CMOS面阵构成的视频采集模块。为了能够及时快速的跟踪较小目标的动作，如图3、5所示，所述快反镜16包括可调节反射镜161、X向调节机构和Y向调节机构，所述X向调节机构用于对可调节反射镜161在X轴方向上的俯仰角度进行调节，所述Y向调节机构用于对可调节反射镜161在Y轴方向上的俯仰角度进行调节；所述可调节反射镜161上设置有与综合控制显示装置7构成电连接的位移传感器。在精跟踪过程中，通过位移传感器可以实施得到可调节反射镜161的俯仰状态，并可通过X向调节机构和Y向调节机构对可调节反射镜161的俯仰角度进行精细调节。

如图6-8所示，所述X向调节机构包括两个X向音圈电机162、两个X向柔性铰链163和X向基座164，两个X向音圈电机162彼此相对设置，两个X向柔性铰链163也彼此相对设置，且两个X向音圈电机162的设置方向与两个X向柔性铰链163的设置方向正向交叉；所述可调节反射镜161固定设置在两个X向柔性铰链163的顶部，且可调节反射镜161与两个X向音圈电机162构成铰接连接；所述Y向调节机构包括两个Y向音圈电机165、两个Y向柔性铰链166和Y向基座167，两个Y向音圈电机165彼此相对设置，两个Y向柔性铰链166也彼此相对设置，且两个Y向音圈电机165的设置方向与两个Y向柔性铰链166的设置方向正向交叉,两个Y向音圈电机165的设置方向与两个X向音圈电机162的设置方向也正向交叉；所述X向基座164固定设置在两个Y向柔性铰链163的顶部，且X向基座164与两个Y向音圈电机162构成铰接连接。

快反镜16的调节过程如下：两个X向音圈电机162一组作为X轴驱动机构，两个Y向音圈电机165一组作为Y轴驱动机构。以绕_y轴转动为例，工作时，一个Y向音圈电机伸长、另一个Y向音圈电机缩短，两个Y向音圈电机彼此配合使得X向基座164绕两个Y向柔性铰链166顶部构成的轴线进行旋转，从而通过两个Y向柔性铰链166，将两个Y向音圈电机165各自的直线运动转化为X向基座164的旋转运动，由于可调节反射镜161设置在X向基座164上，因此可调节反射镜161也绕两个Y向柔性铰链166顶部构成的轴线进行旋转，最终实现了以推拉方式驱动可调节反射镜161绕_y轴转动。绕x轴转动的原理与此类似，此处不在赘述。所述反射镜可调节反射镜161具有方位和俯仰两个自由度。

3.测距单元

测距单元用于完成对跟踪目标的测距，迅速准确地测定目标的距离参数，将目标的距离信息发送给综合控制显示装置7中的控制器。

如图10所示，测距单元可以采用激光测距机，其主要负责在跟踪器稳定状态下，对目标进行测距，实时提供目标距离。从功能模块上划分，该激光测距机分为激光器、发射光学系统、接收光学系统、光电探测及前放组件、接收机、终端机、激光激励源(激光电源)、瞄准望远镜及低压电源组成。

下面结合附图对整个激光主动拒止系统的工作过程进行详细描述。

S1，首先按照附图将各个部件安装组装完毕，从而得到所述激光主动拒止系统。

S2，然后对自适应激光远场功率密度控制装置进行调校，即通过视频采集单元和移动调焦透镜151，得到不同距离处的激光光斑的聚焦点。

具体说来，如图9所示，对整个系统进行目标距离与电机移动位移标校。首先系统加电、直线电机13自动归零位，打开激光光源触发开关，采用测距单元(即附图9中的测距模块)测距并设置目标位置基准点(此基准点可以为设定打击距离范围内的任意一点)，然后通过控制器前后调整直线电机13的移动位置，找出所设定的基准点处的激光光斑的聚焦点，标定出基准点处对应的直线电机13的移动位置。设定增量改变目标位置，重复上述标校过程，直至完成全部目标位置的标定，将标校的结果拟合得到位移－距离函数，并将得到的位移－距离函数写入控制器中的主控制单元程序。

S3，完成调校后的系统处于待机状态时，通过综合显示控制装置7的控制面板对旋转支架2进行控制转动，完成打击目标的选取，设定对打击目标的使用方式和使用强度(如衣物致燃或皮肤灼热等)。

激光产生和发射装置中含有激光输出功率控制模块，利用控制器控制数字电位器DS1867的输出电阻，使开关电源控制端的电压改变，从而控制了开关电源的输出电流，改变光纤激光器功率的输出。根据不同使用环境和打击目标的要求，即用户对光纤激光器的输出功率性能的要求，针对不同打击目标和使用种类预先标定好输出功率。在综合控制显示装置7的控制面板上设置手动激光功率调节旋钮，对输出激光功率可实施人工干预以调节激光输出功率大小。

S4，通过综合显示控制装置7的控制面板完成对目标细部构造(比如犯罪分子的手部)的选取，综合控制显示装置7中的图像处理模块采用图像光流场计算法，首先计算出图像各像素的光流值，然后进行图像分割处理，按照图像的某些特性将图像信息分割若干个不同区域，在这些不同的每个区域内的图像像素信息都存在着相同或相近的某些图像信息特性，但是分割出来的相邻区域有着特性不同图像信息，继而提取特征物体，并找到物体形心位置，从而完成目标位置控制(此部分图像处理方法具体可参见现有技术)。通过这种方法，系统根据打击目标的移动信息产生控制信号，控制旋转支架将激光发射窗口始终对准打击目标。

S5，利用激光测距机完成对打击目标的测距，迅速准确地测定目标的距离参数，将目标的距离信息呈现在综合控制显示装置7的显示器上，系统操作人员根据该距离信息，选择系统的激光聚焦档位，等待拒止命令。

S6，可人工设定或自动选择使用开始信号，当接收到拒止命令后，系统发射的激光通过自适应激光远场功率密度控制装置汇聚于打击目标表面，完成主动拒止动作。

S7，根据综合控制显示装置7显示的目标状态判断拒止行动效果，若达到效果则系统进入待机状态，若效果不理想则再次发射激光。