用于激光器的瞄准系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种瞄准系统，其具有可旋转壳体、相对于壳体的视轴、可旋转镜子和发出光束的激光器，其中光束被从镜子重定向至瞄准目标。当可旋转镜子旋转时，光束相对于视轴运动。系统操作为使得光束通过可旋转镜子的旋转大于视轴通过可旋转壳体的旋转。
【专利说明】用于激光器的瞄准系统
[0001]政府许可权
[0002]本发明在由空军部、空军科学实验室授予的合同N0.FA8650-10-C-1745下通过政府支持完成。政府在本发明中具有特定权利。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种瞄准系统。
【背景技术】
[0004]提供了用于光束比如激光的瞄准系统，用于控制光束的方向以控制光束照射的对象。这种瞄准系统具有许多应用并且非常适于测距(range-finding)应用或用于指示或突出物体的目标系统。光束可被安装在旋转地支承以辅助光束的瞄准的壳体中。瞄准系统和被突出的(being highlighted)物体两者均可以是静止的或运动的。在飞行器中，瞄准系统一般容置在具有激光器的万向架装置内，其中，通过万向架围绕其轴线中的一个或更多个的旋转来实现运动、追踪或可变瞄准。
【发明内容】
[0005]一种瞄准系统，具有可旋转壳体、相对于壳体的视轴(boresight)、可旋转镜子和发出光束的激光器，其中光束被从镜子重定向至瞄准目标。当可旋转镜子旋转时，光束相对于视轴运动。系统操作为使得光束通过可旋转镜子的旋转大于视轴通过可旋转壳体的旋转。
[0006]在一个方面，一种猫准系统，包括:壳体，所述壳体具有限定视轴的开口 ；可移动架，所述可移动架旋转地支承所述壳体，以围绕至少一个旋转轴旋转；第一驱动器，所述第一驱动器操作地联接至所述可移动架，以使所述壳体围绕所述至少一个旋转轴旋转；激光器，所述激光器设置在所述壳体内并且构造成发出光束；镜子，所述镜子可移动地安装在所述壳体内以引导所述光束穿过所述开口 ；以及第二驱动器，所述第二驱动器操作地联接至所述镜子以实现所述镜子的运动；所述镜子的运动使所述光束相对于所述视轴运动。
[0007]作为优选，所述第一驱动器以第一速率操作，所述第二驱动器以比所述第一速率快的第二速率操作。
[0008]作为优选，所述第一速率是用于所述第一驱动器的最大速率。
[0009]作为优选，所述镜子可移动地安装成围绕所述至少一个旋转轴旋转。
[0010]作为优选，所述第一驱动器以第一速率操作，所述第二驱动器以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率时比在所述第一速率时以更快的旋转速率旋转。
[0011]作为优选，所述可移动架旋转地支承所述壳体，以围绕两个旋转轴旋转。
[0012]作为优选，所述可移动架旋转地支承所述壳体，以围绕三个旋转轴旋转。
[0013]作为优选，所述可移动架包括支承所述壳体的万向架。
[0014]作为优选，所述镜子包括安装在铰链上的镜子。[0015]作为优选，所述第二驱动器包括支承所述铰链的半导体芯片。
[0016]作为优选，所述镜子包括安装在铰链上的镜子。
[0017]作为优选，所述第二驱动器包括支承所述铰链的半导体芯片。
[0018]作为优选，所述光束是脉冲和调制中的至少一种。
[0019]在另一方面，一种猫准系统，包括:壳体，所述壳体具有限定视轴的开口 ；可旋转架，所述可旋转架旋转地支承所述壳体，以围绕至少两个旋转轴旋转；激光器，所述激光器设置在所述壳体内并且构造成发出光束；可旋转镜子，所述可旋转镜子定位在所述壳体内以引导所述光束穿过所述开口，所述可旋转镜子能够围绕所述至少两个旋转轴中的至少一个旋转，所述镜子的运动使得所述光束相对于所述视轴运动。
[0020]作为优选，支承所述壳体的所述可旋转架以第一速率操作，所述可旋转镜子以比所述第一速率快的第二速率操作。
[0021]作为优选，所述第一速率是用于所述第一驱动器的最大速率。
[0022]作为优选，支承所述壳体的所述可旋转架以第一速率操作，所述可旋转镜子以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率时比在所述第一速率时以更快的旋转速率旋转。
[0023]作为优选，所述可旋转架旋转地支承所述壳体，以围绕三个旋转轴旋转。
[0024]作为优选，所述壳体架包括支承所述壳体的万向架。
[0025]作为优选，所述光束是脉冲和调制中的至少一种。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]在附图中:
[0027]图1是具有激光瞄准系统的飞行器形式的平台的透视图，激光瞄准系统使激光器瞄准示出为汽车的目标。
[0028]图2是图1的激光瞄准系统的透视图并且示出相应的运动和视轴特性。
[0029]图3是激光瞄准系统的示意性视图，包括用于重定向激光瞄准具的镜子和电机。
【具体实施方式】
[0030]本发明的实施例与用于使安装在壳体内的激光束瞄准的装置有关，激光束可被用于照射目标。在图1的实施例中，飞行飞行器10承载这种瞄准系统，如图所示，示出瞄准系统从可移动架比如万向架14发出激光束12。示出激光束12照射目标，即标示为在道路上行驶的汽车18。
[0031]虽然图1的实施例是空对地的实施例，但是本发明的其他实施例也是可能的，包括使用其他类型的车辆、飞行器或其他，可以设想地面车辆或水栖车辆。另外，该系统可用于空对空、空对水、地对空、地对地、地对水、水对空、水对水和水对地的目标或瞄准系统。
[0032]此外，虽然图1的实施例作为万向架14的一部分示出，但也可以使用其他类型的架。架可以具有一个、两个或三个旋转自由度。架还可以具有一个、两个或三个平移自由度。
[0033]瞄准系统可预期与构造成用于基于方向的目标或追踪动作的任何装置一起使用。基于方向的目标或追踪动作的另外的示例包括通信、成像、测距和其他传感器测量或有效载荷功能。尽管描述了激光束12，但是可以设想另外的电磁信号和指示器，比如红外光、雷达、和其他光学装置。
[0034]参照图2，万向架14包括激光壳体20、孔24和用于将万向架14附连至飞行器机身16的万向架结构26。激光壳体20包括可以比如通过透明或半透明的窗口打开或关闭的孔24的侧壁22，窗口允许激光束12在不发生扭曲的情况下的传输。从激光壳体20的表面穿过孔24垂直地(normally)射出的激光束12限定用于万向架14的视轴28。
[0035]激光壳体20由万向架14旋转地支承用于如图所示地围绕X和Y轴旋转。每个轴(分别是X和Y)通过定位在激光壳体20内和附连至支架结构26的联接伺服电机30、32(未示出)旋转。尽管实施例被描述为围绕两个轴旋转地支承，但是可以理解，根据本发明可以预计只有一个旋转轴。同样地，仅有一个驱动器可被联接成操作单个旋转轴。此外，本发明不应受到伺服电机30、32的实施例的限制，因为其他驱动器装置具有使激光壳体20旋转的类似功能也是可以的。
[0036]伺服电机30、32操作成使激光壳体20以已知的最大速率α (按角度每秒计量)旋转。由于视轴28相对于激光壳体20和孔24恒定的原因，已知的最大速率或旋转α对于激光壳体20和视轴28是相同的。
[0037]现在参照图3，激光壳体20包括激光源36、致动镜子38和控制器40。可以预期适于瞄准的任何典型的激光源36。激光源可以输出连续或脉冲激光束，每一种均可被调制。脉冲或调制可被用于识别激光束。适当的激光的一个示例是以1550nm波长操作、产生0.6_的圆形光束直径、最大功率为IlOmW的3B类边缘发射激光。可以想象另外的信号和指示器的其源，比如用于在先提到的红外光、雷达或其他光学装置的源。
[0038]致动镜子38可以是任何种类的可移动镜子，比如数字微镜装置(digitalmicromirror device:简称DMD),其包括具有附连的铰链的半导体芯片和致动驱动器,半导体芯片具有安装至围绕铰链轴可旋转的铰链并且由铰链支承的镜子，致动驱动器用于控制镜子围绕铰链轴的运动。在优选的实施例中，DMD致动器能够使DMD镜面围绕与万向架14相同的两个旋转轴旋转，示出为第一旋转轴39和第二旋转轴41。可替代地，镜子可以基于少至一个旋转轴致动以及基于多达三个旋转轴致动。
[0039]此外，可以想象包括至少一组电机和安装至激光壳体20的致动臂的其他致动镜子。尽管示出为镜子，但可以理解，本发明的本实施例包括适于如所述地重定向信号或指示器的任何反射或偏转(deflective)表面。该重定向表面可以包括涂层或以与本文表述的类似方式起作用的自然反射性能。
[0040]激光源36和致动镜子38构造在激光壳体20内，使得激光源36发出激光束12，激光束12反射出致动镜子38、通过孔24引导光束12远离激光壳体20。
[0041]控制器40还安装在壳体20内并且构造成接收来自操纵杆的目标输入42。控制器40响应于由致动镜子38接收的目标输入42产生输出电压。输出电压一般在从O到5V的范围内。可替代输入信号包括响应于系统或算法的人工操作员信号、导航头部跟踪信号或自动跟踪信号。可替代地，致动镜子38可被构造成接收响应于目标输入42的来自控制器40的数字输出信号。
[0042]控制器40和致动镜子38被构造成使得如果没有由控制器40接收的输入42或中性目标输入信号42，则致动镜子38反射垂直地穿过与视轴28精确对准的孔24的激光束
12。另外，致动镜子38响应于输出模拟电压信号操作并且致动该致动镜子38，改变致动镜子38的表面角度以及由此改变反射的激光束12的角度。
[0043]在图3中示出反射的激光束12的最大有效旋转范围Θ。在优选的实施例中，沿任何维数的最大旋转范围Θ已知为相对于视轴28达到±5°。激光束12和孔24构造成使得最大旋转范围Θ相对于视轴28的半径小于孔24的半径。DMD镜子已知为沿任何维数旋转达到±12°，因此可以想象可替代的最大旋转范围Θ，其仅由致动镜子组件和孔24的尺寸限制。
[0044]此外，激光束12的致动以按角度每秒计量的已知的最大速率β操作。在致动镜子38或激光壳体20中的任一者的独立操作中，激光束12的最大旋转速率β大于视轴28的最大旋转速率α。同样地，在同时的操作中，激光束12的最大旋转速率β大于具有视轴28的激光壳体20的最大旋转速率α。
[0045]在操作中，当利用瞄准系统照亮目标时，控制器40接收指示视轴28应当被瞄准以照射目标的位置的目标输入42。在飞行器10的实施方式中，目标输入42可以来自安装在飞行员的头盔上的瞄准装置。在有些情况下，目标输入42可以以α以下的速率引导瞄准系统，这意味着万向架14自身能够足够快速地运动以保持激光束与目标输入42冋步。但是，如果目标输入42的运动速率大于α，则控制器40可以实现致动镜子38的运动以提高猫准系统相对于目标输入42的捕获速度(acquisition speed)。
[0046]此外，在一些情况下，目标可以相对于瞄准系统以α以下的速率运动，这意味着万向架14自身能够足够快速地运动以保持激光束12锁定在目标上。但是，如果目标的运动速率大于α，则控制器40可以实现致动镜子38的运动以保持激光束12锁定在目标上。
[0047]本撰写的描述采用示例公开本发明，包括最佳方式，以及还使得本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置和系统以及执行任何结合的方法。本发明的可获得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想得到其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的文字表述没有不同的结构元件或者如果这些其他示例包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种猫准系统，包括: 壳体，所述壳体具有限定视轴的开口； 可移动架，所述可移动架旋转地支承所述壳体，以围绕至少一个旋转轴旋转； 第一驱动器，所述第一驱动器操作地联接至所述可移动架，以使所述壳体围绕所述至少一个旋转轴旋转； 激光器，所述激光器设置在所述壳体内并且构造成发出光束； 镜子，所述镜子可移动地安装在所述壳体内以引导所述光束穿过所述开口；以及 第二驱动器，所述第二驱动器操作地联接至所述镜子以实现所述镜子的运动； 其中，所述镜子的运动使所述光束相对于所述视轴运动。
2.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述第一驱动器以第一速率操作，所述第二驱动器以比所述第一速率快的第二速率操作。
3.根据权利要求2所述的瞄准系统，其特征在于，所述第一速率是用于所述第一驱动器的最大速率。
4.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述镜子可移动地安装成围绕所述至少一个旋转轴旋转。
5.根据权利要求4所述的 瞄准系统，其特征在于，所述第一驱动器以第一速率操作，所述第二驱动器以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率时比在所述第一速率时以更快的旋转速率旋转。
6.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述可移动架旋转地支承所述壳体，以围绕两个旋转轴旋转。
7.根据权利要求6所述的瞄准系统，其特征在于，所述可移动架旋转地支承所述壳体，以围绕三个旋转轴旋转。
8.根据权利要求7所述的瞄准系统，其特征在于，所述可移动架包括支承所述壳体的万向架。
9.根据权利要求8所述的瞄准系统，其特征在于，所述镜子包括安装在铰链上的镜子。
10.根据权利要求9所述的瞄准系统，其特征在于，所述第二驱动器包括支承所述铰链的半导体芯片。
11.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述镜子包括安装在铰链上的镜子。
12.根据权利要求11所述的瞄准系统，其特征在于，所述第二驱动器包括支承所述铰链的半导体芯片。
13.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述光束是脉冲和调制中的至少一种。
14.一种猫准系统,包括: 壳体，所述壳体具有限定视轴的开口 ； 可旋转架，所述可旋转架旋转地支承所述壳体，以围绕至少两个旋转轴旋转； 激光器，所述激光器设置在所述壳体内并且构造成发出光束； 可旋转镜子，所述可旋转镜子定位在所述壳体内以引导所述光束穿过所述开口，所述可旋转镜子能够围绕所述至少两个旋转轴中的至少一个旋转，其中所述镜子的运动使得所述光束相对于所述视轴运动。
15.根据权利要求14所述的瞄准系统，其特征在于，支承所述壳体的所述可旋转架以第一速率操作，所述可旋转镜子以比所述第一速率快的第二速率操作。
16.根据权利要求15所述的瞄准系统，其特征在于，所述第一速率是用于所述第一驱动器的最大速率。
17.根据权利要求14所述的瞄 准系统，其特征在于，支承所述壳体的所述可旋转架以第一速率操作，所述可旋转镜子以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率时比在所述第一速率时以更快的旋转速率旋转。
18.根据权利要求14所述的瞄准系统，其特征在于，所述可旋转架旋转地支承所述壳体，以围绕三个旋转轴旋转。
19.根据权利要求18所述的瞄准系统，其特征在于，所述壳体架包括支承所述壳体的万向架。
20.根据权利要求14所述的瞄准系统，其特征在于，所述光束是脉冲和调制中的至少一种。
【文档编号】G01C15/00GK103808313SQ201310559753
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2012年11月12日
【发明者】E.D.比勒, W.E.小格罗斯, S.A.M.拉西尼 申请人:通用电气航空系统有限责任公司