用于跟踪目标和补偿大气湍流的系统和方法与流程

本发明涉及激光瞄准装置领域，并且更具体地涉及一种用于跟踪目标和补偿大气湍流的系统。

背景技术：

控制激光束或任何其他定向光束的参数是一个重要问题。下面，在描述中，术语“束”或“光束”将用于表示激光束或任何其他定向光束。

发射光束以指定目标的光源与目标之间的距离可以非常大。通常，使用单光束不足以接触目标，这是由于单光束的功率被光束源和目标之间的路径大大减弱。因此，通常，组合使用数个基本光束；这使得可以获得由所有基本光束形成的非常大功率的光束。

当使用大量基本光束时，必须分别知道每个光束的配置，以便调节每个光束的参数来保持由所有基本光束形成的光束的最大功率。然而，难以确定哪个基本光束具有使由所有基本光束形成的光束的功率减小的操作配置，以便调节所述光束的配置。

存在可以解决此问题的装置。但是，这些装置实施复杂的自适应光学环路或实施需要大量计算的装置。因此，这些装置不适用于包括大量基本光束的系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过提出一种系统来克服这些缺点，该系统使得可以跟踪目标和补偿由大气产生的湍流。

为了这种效果，本发明涉及一种用于跟踪目标和补偿大气湍流的系统。

根据本发明，该系统包括：

-至少两个光源，每个光源配置为沿传播轴线沿发射方向向目标发射光束，

-至少两个准直器，其中，每个准直器分别与光源中的一个相关联，其中，每个准直器配置为对相关联的光源的光束进行准直，

-参比装置，该参比装置沿发射方向布置在所有准直器的下游，参比装置包括反射平面，该反射平面配置为反射从所有准直器出射的光束的部分光束，

-至少两个瞄准模块，其中，每个瞄准模块分别且整体与光源中的一个相关联，其中，每个瞄准模块配置为引导来自光源的光束以到达目标的预定区域。

-至少两个检测模块，其中，每个检测模块分别且整体与光源中的一个相关联，其中，每个检测模块包括第一检测表面，该第一检测表面配置为接收由参比装置反射的部分光束，由参比装置的反射平面反射的部分光束在第一检测表面上在当前位置处被接收和检测，

-至少两个用于确定偏差角度的模块，至少两个该用于确定偏差角度的模块配置为根据在第一检测表面上的在第一检测表面上的参比位置与当前位置之间的空间位移分别确定偏差角度，偏差角度在每个瞄准模块引导每个光束以到达目标的预定区域之后被确定，其中，偏差角度对应于由参比装置的反射平面反射的部分光束与传播轴线之间的角度。

-用于确定相位偏差的模块，该模块配置为根据由至少两个用于确定偏差角度的模块确定的偏差角度确定相位偏差，其中，用于确定相位偏差的模块配置为根据偏差角度确定经重组的波前，相位偏差由用于确定相位偏差的模块通过将经重组的波前和与参比装置的反射平面平行的平面波前来确定；

-至少两个调节模块，该至少两个调节模块配置为根据由用于确定波前的模块确定的波前调节每个光源，以补偿大气湍流。

因此，根据本发明，既可以跟踪要到达的目标，又可以补偿由大气产生的湍流的影响而不使用复杂光学环路或大量计算。

有利地，每个准直器包括至少一个出射光瞳，其中，每个准直器具有光学轴线，其中，光学轴线与传播轴线形成非零角度，使得传播轴线与光学轴线在每个准直器的出射光瞳上相交。

以非限制性方式，非零角度具有大于0°且小于或等于5°的值。

根据第一实施例，每个瞄准模块包括：

-第二检测表面，该第二检测表面配置为接收表示目标的图像，

-用于定位的单元，该用于定位的单元配置为在由第二检测表面接收的目标图像上定位光束在目标上要到达的预定区域的位置和光束已到达的区域的当前位置，

-用于计算的单元，该用于计算的单元配置为计算在光束已到达的区域的当前位置与目标上的要到达的预定区域的位置之间进行的移动，

-移动单元，该移动单元配置为根据由用于计算的单元计算出的要进行的移动来移动光源，使得光束已到达的区域的当前位置与要达到的预定区域的位置重叠。

根据第一实施例的第一替代方案，该系统还包括布置在传播轴线中的板，其中，该板具有如下表面，该表面配置为接收来自光源的光束并接收表示目标的图像。

该表面能够透射来自光源的光束并朝向第二检测表面反射表示目标的图像。

根据第一实施例的第二替代方案，该系统还包括布置在传播轴线中的板，其中，该板具有如下表面，该表面配置为接收来自光源的光束并接收表示目标的图像。

该表面能够反射来自光源的光束并朝向第二检测表面透射表示目标的图像。

根据第二实施例，该系统还包括瞄准激光装置，该瞄准激光装置配置为将瞄准激光束发射到目标上的要到达的预定区域上。

每个瞄准模块包括：

-第二检测表面，该第二检测表面配置为接收表示瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的位置的图像，

-用于定位的单元，该用于定位的单元配置为在由第二检测表面接收的图像上定位瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的当前位置，

-用于计算的单元，该用于计算的单元配置为计算光束在目标上的当前位置与瞄准激光束在目标上的位置之间要进行的移动，

-移动单元，该移动单元配置为根据由用于计算的单元计算出的要进行的移动来移动光源，使得光束在目标上的当前位置与瞄准激光束在目标上的位置重叠。

根据第二实施例的第一替代方案，该系统还包括布置在传播轴线上的板，其中，该板具有如下表面，该表面配置为接收来自光源的光束并接收表示瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的位置的图像。

该表面能够透射来自光源的光束并且朝向第二检测表面反射表示瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的位置的图像。

根据第二实施例的第二替代方案，该系统还包括布置在传播轴线上的板，该板具有如下表面，该表面配置为接收来自光源的光束并接收表示瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的位置的图像。

该表面能够反射来自光源的光束并朝向第二检测表面透射表示瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的位置的图像。

本发明还涉及一种使用该用于跟踪目标和补偿大气湍流的系统的方法。

根据本发明，该方法包括以下被循环重复的步骤：

-由每个光源实施的发射步骤，该发射步骤包括沿传播轴线沿发射方向向目标发射光束，

-由每个准直器实施的对光束进行准直的步骤，该对光束进行准直的步骤包括对由每个光源发射的每个光束进行准直，

-由每个瞄准模块实施的瞄准步骤，该瞄准步骤包括引导来自光源的光束以到达目标的预定区域，

-由每个检测模块实施的检测步骤，该检测步骤包括在第一检测表面上接收和检测在当前位置由参比装置的反射平面反射的部分光束，

-由每个用于确定偏差角度的模块实施的确定偏差角度的步骤，该确定偏差角度的步骤包括根据在第一检测表面上的在第一检测表面上的参比位置与当前位置之间的空间位移来确定偏差角度，偏差角度在每个瞄准模块引导每个光束以到达目标的预定区域之后被确定，其中，偏差角度对应于由参比装置的反射平面反射的部分光束与传播轴线之间的角度，

-由用于确定相位偏差的模块实施的确定相位偏差的步骤，该确定相位偏差的步骤包括根据在确定偏差角度的步骤中确定的偏差角度确定相位偏差，该确定相位偏差的步骤包括根据偏差角度确定经重组的波前，其中，相位偏差在确定相位偏差的步骤中通过将经重组的波前和与参比装置的反射平面平行的平面波前进行比较来确定，

-由每个调节模块实施的调节步骤，该调节步骤包括根据在确定相位偏差的步骤中确定的相位偏差调节每个光源，以补偿大气湍流。

根据第一实施例，瞄准步骤包括以下子步骤：

-由第二检测表面实施的接收子步骤，该接收子步骤包括在第二检测表面上接收表示目标的图像，

-由用于定位的单元实施的定位子步骤，该定位子步骤包括在由第二检测表面接收的目标图像上定位光束在目标上要到达的预定区域的位置和光束已到达的区域的当前位置，

-由用于计算的单元实施的计算子步骤，该计算子步骤包括计算在光束已到达的区域的当前位置与在目标上要到达的预定区域的位置之间要进行的移动，

-由移动单元实施的移动子步骤，该移动子步骤包括根据由用于计算的单元计算出的要进行的移动来移动光源，使得光束已到达的区域的当前位置与要到达的预定区域的位置重叠。

根据第二实施例，瞄准步骤包括以下子步骤：

-由瞄准激光装置实施的发射子步骤，该发射子步骤包括将瞄准激光束发射到在目标上要到达的预定区域上，

-由第二检测表面实施的接收子步骤，该接收子步骤包括接收表示瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的位置的图像，

-由用于定位的单元实施的定位子步骤，该定位子步骤包括在由第二检测表面接收的图像上定位瞄准激光束在目标上的位置和光束在目标上的当前位置，

-由用于计算的单元实施的计算子步骤，该计算子步骤包括计算在光束在目标上的当前位置与瞄准激光束在目标上的位置之间要进行的移动，

-由移动单元实施的移动子步骤，该移动子步骤包括根据由用于计算的单元计算出的要进行的移动来移动光源，使得光束在目标上的当前位置与瞄准激光束在目标上的位置重叠。

附图说明

在阅读参照附图所作的描述时，本发明及其特征和优点将更加清楚地显现，其中：

图1示出了跟踪系统的整体透视图，

图2示出了跟踪系统的示意横截面，

图3示出了根据第一实施例的跟踪系统的一部分，

图4示出了根据第二实施例的跟踪系统的相同的部分，

图5示意性地示出了使用根据第一实施例的跟踪系统的方法的步骤，

图6示意性地示出了使用根据第二实施例的跟踪系统的方法的步骤。

具体实施方式

描述的其余部分将参照上面提到的附图。

本发明涉及一种用于跟踪目标4和用于补偿大气湍流的系统1。在下面的描述中，“该用于跟踪目标和补偿大气湍流的系统”应称为“跟踪系统”。

目标4可以是移动目标或静止目标。例如，目标可以是战斗机或建筑物。在图1和图3中，目标4对应于树。

如图1和图2所示，跟踪系统1包括至少两个光源2，优选地包括多个光源2。例如，跟踪系统1包括几十个光源2。光源2各自配置为沿传播轴线5的方向沿由标记为e的箭头所示的发射方向向目标4发射光束3。

以非限制性方式，每个光源2可以是激光器、或定向光的发射器、或传输激光器的光或定向光的光纤的端部。

跟踪系统1还包括至少两个准直器6。每个准直器6分别与光源2中的一个相关联。每个准直器6配置为对相关联的光源2的光束3进行准直。

优选地，每个光源2布置在与该光源2相关联的准直器6的聚焦平面中。

有利地，每个准直器6包括至少一个出射光瞳并且具有光学轴线17。光学轴线17与传播轴线5形成非零角度α，使得传播轴线5与光学轴线17在每个准直器6的出射光瞳上相交。

以非限制性方式，传播轴线5与光学轴线17之间的角度α具有大于0°且小于或等于5°的值。优选地，所述角度α介于2°至3°之间。

跟踪系统1还包括参比装置7，该参比装置7沿发射方向e布置在所有准直器6的下游。参比装置7包括反射平面29，该反射平面29配置为反射从所有准直器6出射的光束3的一部分8。参比装置7的反射平面29用作所有准直器6的共同参比。

根据一个实施例，反射平面29包括平板，该平板包括至少一个分离表面，该分离表面能够将从每个准直器6出射的每个光束3分成两个部分。一个或多个分离表面能够反射每个准直器6的光束3的一部分8并且能够透射光束3的其余部分。

以非限制性方式，一个或多个分离表面具有光束3的99％至99.9％之间的透射率。

跟踪系统1还包括至少两个瞄准模块9。每个瞄准模块9分别且整体与光源2中的一个相关联。每个瞄准模块9配置为引导来自光源2的光束3以到达目标4的预定区域10。

跟踪系统1还包括至少两个检测模块11。每个检测模块11分别且整体与光源2中的一个相关联。每个检测模块11包括检测表面12，检测表面12配置为接收由参比装置7的反射平面29反射的光束3部分8。由反射平面29反射的光束部分8在检测表面12上在当前位置被接收和检测。

针对瞄准模块9和检测模块11的表述“整体与光源中的一个相关联”是指这些模块9和11通过跟随与这些模块9和11的相应光源2相同的移动而移动。例如，对于每个光源2，光源2、相关联的瞄准模块9和相关联的检测模块11固定在同一支撑件上以形成单个光电组件27。然后光源2配置为通过其上固定有相关联的瞄准模块9和相关联的检测模块11的支撑件的移动而移动。然后，相关联的目瞄准模块9和相关联的检测模块11跟随与光源2相同的移动。

不管环境条件如何，光源2与相关联的检测模块11的检测表面12之间的相应距离随时间是稳定的。优选地，由于光源2与每个检测模块11的检测表面12之间的距离很小，因此确保了这种需要。通常，该距离为约几毫米。以非限制性方式，该距离在3mm至10mm之间。

根据一个实施例，为了具有可靠且恒定的距离值，每个检测模块11的检测表面12可以直接整合到激光束出射穿过的激光器壳体的玻璃中。

跟踪系统1还包括至少两个用于确定作为绝对值的偏差角度的模块13。每个用于确定偏差角度的模块13分别与光源2中的一个相关联。每个用于确定偏差角度的模块13配置为根据在检测表面12上的在检测表面12上的参比位置和当前位置之间的空间位移分别确定偏差角度β1、β2、β3。在每个瞄准模块9引导每个光束3以到达目标4的预定区域10之后，由每个检测模块11分别确定偏差角度β1、β2、β3。

偏差角度β1、β2、β3对应于由参比装置7的反射平面29反射的光束部分8与传播轴线5之间的角度。

跟踪系统1还包括用于确定相位偏差的模块28，该用于确定相位偏差的模块28配置为根据由至少两个用于确定偏差角度的模块13确定的偏差角度β1、β2、β3来确定相位偏差。因此，每个用于确定偏差角度的模块13向确定相位偏差的模块28发送表示该模块13已确定的偏差角度的信号。

为此，用于确定相位偏差的模块28配置为根据偏差角度β1、β2、β3来确定经重组的波前。相位偏差由用于确定相位偏差的模块28通过将经重组的波前和与参比装置7的反射平面29平行的平面波前进行比较来确定。该比较包括确定经重组的波前与平面波前的与每个准直器6成直线的前部之间的距离。因此，所有用于确定偏差角度的模块13使得用于确定相位偏差的模块28可以重组由光束3形成的波前15。

因此，跟踪系统1的目的在于一方面确保来自目标4携带关于大气湍流(或失真)的信息的波前15与另一方面再现大气湍流的从准直器6出射的波前16始终为相同的波前。换句话说，跟踪系统1使得从准直器6出射的波前16可以始终控制在来自目标4的波前15上。

因此，跟踪系统1使用shackhartmann波前分析器的原理，其中光束的参比位置和光束的当前位置之间的位移表示与到达参比位置的光束的相位对应的参比相位和与到达当前位置的光束的相位对应的当前相位之间的相位偏差。

至少两个调节模块14形成跟踪系统1的一部分。每个调节模块14分别与光源2中的一个相关联。每个调节模块14配置为根据由用于确定相位偏差的模块28确定的相位偏差来调节每个光源2，以便补偿大气湍流。因此，用于确定相位偏差的模块28向每个调节模块14发送表示相位偏差的信号，使得每个调节模块14调节光源2的相位。因此，每个调节模块14根据其从确定相位偏差的模块28接收的相位偏差的表示信号来计算每个调节模块14的相关光源2要进行的移动。表述“补偿大气湍流”是指在一个或多个光束传播期间消除大气湍流的影响。

在图2中，波前15表示其形状由用于根据变化角度β1、β2、β3确定相位偏差的模块确定的波前。波前16(也在图2中示出)表示在调节光源2之后的波前。

根据第一配置(图2)，每个瞄准模块9包括：

-检测表面18，该检测表面18配置为接收表示目标4的图像19，

-用于定位的单元20，该用于定位的单元20配置为在由检测表面18接收的目标4的图像19上定位光束3在目标4上要到达的预定区域10的位置和光束3已到达的区域的当前位置，

-用于计算的单元21，该用于计算的单元21配置为计算在光束3已到达的区域的当前位置与在目标4上要到达的预定区域10的位置之间要进行的移动，

-移动单元22，该移动单元22配置为根据由用于计算的单元21计算出的要进行的移动来移动光源2，使得光束3已到达的区域的当前位置与要到达的预定区域10的位置重叠。

为了清楚起见，图2示出了仅用于一个瞄准模块9的单元20、单元21和单元22。然而，应理解的是，每个瞄准模块9均包括这些单元20、单元21和单元22。

根据第一实施例的第一替代方案，跟踪系统1还包括布置在传播轴线5中的板23。板23具有如下表面，该表面配置为接收来自光源2的光束3并接收表示目标4的图像19。所述表面能够透射来自光源2的光束3并朝向检测表面18反射表示目标4的图像19。

根据第一实施例的第二替代方案，板23具有如下表面，该表面能够反射来自光源2的光束3并且朝向检测表面18透射/传输(transmit)表示目标4的图像19。

根据第二实施例(图4)，跟踪系统1还包括瞄准激光装置24，该瞄准激光装置24配置为将瞄准激光束25发射到在目标4上要到达的预定区域10上。瞄准激光束25可以从布置在地面上或飞机上的激光源发射。

在该第二实施例中，每个瞄准模块9包括：

-检测表面18，该检测表面18配置为接收表示瞄准激光束25在目标4上的位置和光束3在目标4上的位置的图像26，

-用于定位的单元20，该用于定位的单元20配置为在由检测表面18接收的图像26上定位瞄准激光束在目标4上的位置和光束3在目标4上的当前位置，

-用于计算的单元21，该用于计算的单元21配置为计算在光束3在目标4上的当前位置与瞄准激光束25在目标4上的位置之间要进行的移动，

-移动单元22，该移动单元22配置为根据由用于计算的单元21计算出的要进行的移动来移动光源2，使得光束3在目标4上的当前位置与瞄准激光束25在目标4上的位置重叠。

根据第二实施例的第一替代方案，跟踪系统1还包括布置在传播轴线5中的板23。板23具有如下表面，该表面配置为接收来自光源2的光束3并接收表示瞄准激光束25在目标4上的位置和光束3在目标4上的位置的图像26。所述表面能够透射来自光源2的光束3并朝向检测表面18反射表示瞄准激光束25在目标4上的位置和光束3在目标4上的位置的图像26。

根据第二实施例的第二替代方案，所述表面能够反射来自光源2的光束3并朝向检测表面18透射/传输表示瞄准激光束25在目标4上的位置和光束3在目标4上的位置的图像26。

检测表面12和检测表面18可以对应于阵列表面。例如，这些阵列表面包括ccd传感器或cmos阵列和处理模块。处理模块能够检索由ccd传感器或cmos产生并发送的信号，以产生表示上述位置的信号。

根据一个实施例，阵列表面包括能够将图像19、26和位置传输到阵列传感器的光纤束。每根光纤的一个端部形成阵列表面的一部分。信号的处理模块配置为检索由阵列传感器产生并发送的信号。然后，信号的处理模块可以发送表示位置的信号。该实施例使得可以克服例如阵列传感器可能经受的由电线引起的电磁干扰。

根据一种配置，位置对应于相对于在检测表面12、18中限定的虚拟标记确定的坐标。例如，标记的原点位于检测表面12、18的中心。

ccd或cmos的像素可以对应于坐标单元。

对于第一实施例(图3)和第二实施例(图4)，以与检测表面12的方式相同的方式，不管环境条件如何，光源2和相关联的瞄准模块9的检测表面18之间的相应距离随时间是稳定的。优选地，由于光源2和每个瞄准模块9的检测表面18之间的距离很小，因此确保了这种需要。通常，该距离为约几毫米。以非限制性方式，该距离介于3mm至10mm之间。

本发明还涉及一种使用跟踪系统1的方法(图5和图6)。

使用方法包括以下被循环重复的步骤：

-由每个光源2实施的发射步骤e1，该发射步骤e1包括沿传播轴线5沿发射方向e向目标4发射光束3，

-由每个准直器6实施的对光源2进行准直的步骤e2，该对光源2进行准直的步骤e2包括对由每个光源2发射的每个光束3进行准直，

-由每个瞄准模块9实施的瞄准步骤e3，该瞄准步骤e3包括引导来自光源2的光束3以到达目标4的预定区域10，

-由每个检测模块11实施的检测步骤e4，该检测步骤e4包括在第一检测表面12上接收和检测在当前位置由参比装置7的反射平面29反射的光束部分8，

-由每个用于确定偏差角度的模块13实施的确定偏差角度的步骤e5，该确定偏差角度的步骤e5包括根据在第一检测表面12上的第一检测表面12上的参比位置与当前位置之间的空间位移来确定偏差角度β1、β2、β3。偏差角度β1、β2、β3在每个瞄准模块9引导每个光束3以到达目标4的预定区域10之后被确定，偏差角度β1、β2、β3对应于由参比装置7的反射平面29反射的光束部分8与传播轴线5之间的角度，

-由用于确定相位偏差的模块28实施的确定相位偏差的步骤e6，该确定相位偏差的步骤e6包括根据在确定偏差角度的步骤e5中确定的偏差角度β1、β2、β3来确定相位偏差，

-由每个调节模块14实施的调节步骤e7，该调节步骤e7包括根据在确定相位偏差的步骤e6中确定的相位偏差来调节每个光源2，以补偿大气湍流。

为此，确定相位偏差的步骤e6包括根据偏差角度β1、β2、β3来确定经重组的波前。相位偏差在确定相位偏差的步骤e6中通过将经重组的波前和与参比装置7的反射平面29平行的平面波前进行比较来确定。

根据第一实施例(图5)，瞄准步骤e3包括以下子步骤：

-由检测表面18实施的接收子步骤e31，该接收子步骤e31包括在检测表面18上接收表示目标4的图像19，

-由用于定位的单元20实施的定位子步骤e32，该定位子步骤e32包括在由检测表面18接收的目标4的图像19上定位光束3在目标4上要到达的预定区域10的位置和光束3已到达的区域的当前位置，

-由用于计算的单元21实施的计算子步骤e33，该计算子步骤e33包括计算在光束3已到达的区域的当前位置和在目标4上要到达的预定区域10的位置之间要进行的移动，

-由移动单元22实施的移动子步骤e34，该移动子步骤e34包括根据由用于计算的单元21计算出的要进行的移动来移动光源2，使得光束3已到达的区域的当前位置与要到达的预定区域10的位置重叠。

根据第二实施例(图6)，瞄准步骤e3包括以下子步骤：

-由瞄准激光装置24实施的发射子步骤e35，该发射子步骤e35包括将瞄准激光束25发射到在目标4上要到达的预定区域10上，

-由检测表面18实施的接收子步骤e36，该接收子步骤e36包括接收表示瞄准激光束25在目标4上的位置和光束3在目标4上的位置的图像26，

-由用于定位的单元20实施的定位子步骤e37，该定位子步骤e37包括在由检测表面18接收的图像26上定位瞄准激光束25在目标4上的位置和光束3在目标4上的当前位置，

-由用于计算的单元21实施的计算子步骤e38，该计算子步骤e38包括计算在光束3在目标4上的当前位置与瞄准激光束25在目标4上的位置之间要进行的移动，

-由移动单元22实施的移动子步骤e39，该移动子步骤e39包括根据由用于计算的单元21计算出的要进行的移动来移动光源2，使得光束3在目标4上的当前位置与瞄准激光束25在目标4上的位置重叠。