激光光束测量与指向控制实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光光束测量与指向控制实验系统，涉及光机电一体化控制实验系统技术领域。所述激光光束测量与指向控制实验系统包括高精度光学反射镜、压电微驱动器、激振器、信号采集子系统、激光发射器、分束镜、快反镜、机械隔振气浮台、光学隔振气浮台、数据处理与分析子系统以及各子系统、元器件之间的数据传输线和电源线等。该实验系统以激光光束偏转角为控制变量，既能精确测量激光光束偏转角，又能同时通过压电微驱动器抑制高精度光学反射镜本身振动和通过快反镜直接调整出射激光光束指向，提高了光束指向控制精度。本发明专利技术具有系统结构简单、操作简便、作动机构体积小质量轻的优点，还可用于微小振动的高精度测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光光束指向控制技术，尤其涉及一种激光光束测量与指向控制系统。
技术介绍
随着激光通信、激光加工等高精度光学系统的应用，光学系统对光束指向精度的要求越来越高，环境中各种动态干扰对光学系统的影响越来越不可忽视。环境温度变化、大气湍流、灰尘烟雾、以及各种原因引起的机械振动，都会不同程度地影响光学系统的性能，甚至导致系统无法正常工作，严重地阻碍了高精度光学系统的实用化进程。因此，需对激光光束偏差进行实时精确测量并对激光光束指向进行高精度控制。光机电一体化技术是指将光学、机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术，也即以光学系统中的光束(光束的指向、波前和强度等)为控制对象的机电一体化技术。目前，应用于光学系统中的光机电一体化技术主要有复合轴控制技术、光束稳定控制技术等。其中，复合轴控制系统主要由粗瞄准机构、精瞄准机构、传感器等构成，用于实现对动态或静态目标进行大范围、高精度的光电跟踪，但其瞄准机构大多体积庞大、结构复杂；光束稳定控制系统主要有传感器、快反镜、音圈作动器等构成，用于减小环境振动对光束质量及光束指向稳定性的影响，该系统直接对出射的激光光束进行控制，但无法实现对光学平台本身振·动的抑制或控制。然而至今没有一种光机电一体化光学系统既能直接对出射的激光光束进行控制，又能抑制或控制光学平台本身的振动，实现对激光光束指向的高精度控制，同时其系统结构简单、作动器体积小质量轻。
技术实现思路
为了克服激光光束指向控制精度要求高、光机电一体化控制系统复杂的技术缺陷，本专利技术提出了一种激光光束测量与指向控制实验系统，既能精确测量激光光束偏转角，又能同时抑制高精度光学反射镜本身振动和直接调整出射激光光束指向，提高了光束指向控制精度，可以实现光束偏转角的实时测量、微小振动的精确测量、多种工况的模拟、不同控制方法的组合对比等功能，且使用方法较为简便。本专利技术的技术方案如下：一种激光光束测量与指向控制实验系统，包括：高精度光学反射镜1、压电陶瓷微驱动器2、激振器3、信号采集子系统4、激光发射器5、分束镜6、快反镜7、机械隔振气浮台8、光学隔振气浮台9、数据处理与分析子系统10以及各子系统、元器件之间的数据传输线和电源线等，该激光光束测量与指向控制实验系统能模拟高精度光学反射镜的不同工作环境、精确测量激光光束偏差角与控制激光光束指向；所述高精度光学反射镜由光学镜片1-1和镜座平台1-2构成，其中，镜座平台1-2由镜座板1-201、镜座1-202、镜座整体铸件1-203及一对被动螺纹副构成，均采用不锈钢制成，光学镜片1-1安装在镜座板1-201上，镜座板1-201嵌在镜座1-202中，镜座1-202通过被动螺纹副与镜座整体铸件1-203相连；所述压电陶瓷微驱动器2连接镜座1-202与镜座整体铸件1-203，在压电陶瓷微驱动器控制信号的驱动下伸缩，改变镜座1-202的姿态，进而控制光学镜片1-1的空间姿态，改变经光学镜片1-1反射的激光光束指向；所述信号采集子系统4由加速度传感器4-101、加速度传感器4-102、加速度传感器4-103、测角光敏传感器4-201、测角光敏传感器4-202和靶标光敏传感器4-203构成；所述分束镜6由分束镜6-1和分束镜6-2构成；所述快反镜7由结构框架7-1、光学镜片7-2以及4个音圈作动器7-3至7-6构成，4个音圈作动器7-3至7-6对称分布于光学镜片7-2后部的四角并固定于结构框架7-1上，在快反镜控制信号的驱动下前后伸缩，驱动光学镜片7-2在水平和竖直方向的倾斜，控制光学镜片7-2的倾斜姿态角度，改变经快反镜7反射的激光光束指向；所述机械隔振气浮台8安装在实验室地基上，既隔离地基传递的振动，为高精度光学反射镜1、激振器3、加速度传感器4-101、加速度传感器4-102、加速度传感器4-103等提供平稳的安装平台，又能在激振器3的激励下振动，模拟高精度光学反射镜1的工作环境；所述光学隔振气浮台9安装在实验室地基上，隔离地基传递的振动，为激光发射器5、分束镜6-1、分束镜6-2、测角光敏传感器4-201、测角光敏传感器4-202、靶标光敏传感器4-203、快反镜7等提供平稳的安装环境；所述数据处理与分析子系统10由dSPACE10-1、PC机10-2和实验系统控制软件构成。进一步的，所述机械隔振气浮台8和光学隔振气浮台9安装在实验室地基上，具有良好的隔振性能，能够隔离从地基传递的宽频振动干扰，提高激光光束测量与指向控制实验的精度。进一步的，所述激振器3安装在机械隔振气浮台8上，根据实验系统控制软件的工况模拟指令信号激励机械隔振气浮台8振动，模拟高精度光学反射镜1的工作环境。进一步的，所述激光发射器5安装在光学隔振气浮台9上。进一步的，所述高精度光学反射镜1安装在机械隔振气浮台8上，反射激光发射器5发出的激光。进一步的，所述分束镜6-1、分束镜6-2平行安装在光学隔振气浮台9上，其中分束镜6-1将高精度光学反射镜1的出射激光分束，一束经反射后入射到测角光敏传感器4-201，另一束沿原光路传播方向继续入射到分束镜6-2，分束镜6-2将经分束镜6-1透射的激光分束，一束经反射后入射到测角光敏传感器4-202，另一束沿原光路传播方向继续入射到快反镜7上。进一步的，所述快反镜7安装在光学隔振气浮台9上，其音圈作动器7-3至7-6由实验系统控制软件发出的快反镜控制信号驱动，改变快反镜光学镜片7-2的倾斜姿态角度，激光光束最终经过该快反镜7的反射投在靶标光敏传感器4-203上，实现对激光光束指向的直接控制。进一步的，所述信号采集子系统4的测角光敏传感器4-201和测角光敏传感器4-202安装在光学隔振气浮台9上，分别采集经分束镜6-1和分束镜6-2分束反射的激光光束分别在测角光敏传感器4-201和测角光敏传感器4-202的光斑水平、竖直方向坐标信息，输入到数据处理与分析子系统10中；所述信号采集子系统4的靶标光敏传感器4-203安装在光学隔振气浮台9上，采集最终出射的激光光束在靶标光敏传感器4-203的光斑水平、竖直方向坐标信息，输入到数据处理与分析子系统10中；所述信号采集子系统4的加速度传感器4-101和加速度传感器4-102安装在机械隔振气浮台8上，加速度传感器4-103安装在激振器3上，分别采集二者的振动加速度信息，输入到数据处理与分析子系统10中。进一步的，所述数据处理与分析子系统10的dSPACE10-1能对信号采集子系统4的加速度传感器4-101、加速度传感器4-102、加速度传感器4-103、测角光敏传感器4-201、测角光敏传感器4-202和靶标光敏传感器4-203采集的信号进行预处理，输入到PC机10-2中，经过PC机10-2上安装的实验系统控制软件的解算，得到激光光束偏转角、压电陶瓷微驱动器控制信号和快反镜控制信号，其中所述压电陶瓷微驱动器控制信号和快反镜控制信号经dSPACE分别输出到压电陶瓷微驱动器2和快反镜7，对激光光束指向进行控制，同时，通过实验系统控制软件的不同工况参数设定，所述数据处理与分析子系统10能给出激振器3相应的激振指令信号，以模拟高精度光学反射镜1的不同工作环境。进一步的，由测角光敏传感器4-201和测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光光束测量与指向控制实验系统，其特征在于，包括：高精度光学反射镜(1)、压电陶瓷微驱动器(2)、激振器(3)、信号采集子系统(4)、激光发射器(5)、分束镜(6)、快反镜(7)、机械隔振气浮台(8)、光学隔振气浮台(9)、数据处理与分析子系统(10)以及各子系统、元器件之间的数据传输线和电源线等，该激光光束测量与指向控制实验系统能模拟高精度光学反射镜(1)的不同工作环境、精确测量激光光束偏差角与控制激光光束指向；所述高精度光学反射镜(1)由光学镜片(1‑1)和镜座平台(1‑2)构成，其中，镜座平台(1‑2)由镜座板(1‑201)、镜座(1‑202)、镜座整体铸件(1‑203)及一对被动螺纹副构成，均采用不锈钢制成，光学镜片(1‑1)安装在镜座板上(1‑201)，镜座板(1‑201)嵌在镜座(1‑202)中，镜座(1‑202)通过被动螺纹副与镜座整体铸件(1‑203)相连；所述压电陶瓷微驱动器(2)连接镜座(1‑202)与镜座整体铸件(1‑203)，在压电陶瓷微驱动器控制信号的驱动下伸缩，改变镜座(1‑202)的姿态，进而控制光学镜片(1‑1)的空间姿态，改变经光学镜片(1‑1)反射的激光光束指向；所述信号采集子系统(4)由加速度传感器(4‑101)、加速度传感器(4‑102)、加速度传感器(4‑103)、测角光敏传感器(4‑201)、测角光敏传感器(4‑202)和靶标光敏传感器(4‑203)构成；所述分束镜(6)由分束镜(6‑1)和分束镜(6‑2)构成；所述快反镜(7)由结构框架(7‑1)、光学镜片(7‑2)以及4个音圈作动器(7‑3，7‑4，7‑5，7‑6)构成，4个音圈作动器(7‑3，7‑4，7‑5，7‑6)对称分布于光学镜片(7‑2)后部的四角并固定于结构框架(7‑1)上，在快反镜控制信号的驱动下前后伸缩，驱动光学镜片(7‑2)在水平和竖直方向的倾斜，控制光学镜片(7‑2)的倾斜姿态角度，改变经快反镜(7)反射的激光光束指向；所述机械隔振气浮台(8)安装在实验室地基上，既隔离地基传递的振动，为高精度光学反射镜(1)、加速度传感器(4‑101)、加速度传感器(4‑102)、加速度传感器(4‑103)、激振器(3)等提供平稳的安装平台，又能在激振器(3)的激励下振动，模拟高精度光学反射镜(1)的工作环境；所述光学隔振气浮台(9)安装在实验室地基上，隔离地基传递的振动，为激光发射器(5)、分束镜(6‑1)、分束镜(6‑2)、测角光敏传感器(4‑201)、测角光敏传感器(4‑202)、靶标光敏传感器(4‑203)、快反镜(7)等提供平稳的安装环境；所述数据处理与分析子系统(10)由dSPACE(10‑1)、PC机(10‑2)和实验系统控制软件构成。...

【技术特征摘要】
1.一种激光光束测量与指向控制实验系统，其特征在于，包括：高精度光学反射镜(1)、压电陶瓷微驱动器(2)、激振器(3)、信号采集子系统(4)、激光发射器(5)、分束镜(6)、快反镜(7)、机械隔振气浮台(8)、光学隔振气浮台(9)、数据处理与分析子系统(10)以及各子系统、元器件之间的数据传输线和电源线等，该激光光束测量与指向控制实验系统能模拟高精度光学反射镜(1)的不同工作环境、精确测量激光光束偏差角与控制激光光束指向；所述高精度光学反射镜(1)由光学镜片(1-1)和镜座平台(1-2)构成，其中，镜座平台(1-2)由镜座板(1-201)、镜座(1-202)、镜座整体铸件(1-203)及一对被动螺纹副构成，均采用不锈钢制成，光学镜片(1-1)安装在镜座板上(1-201)，镜座板(1-201)嵌在镜座(1-202)中，镜座(1-202)通过被动螺纹副与镜座整体铸件(1-203)相连；所述压电陶瓷微驱动器(2)连接镜座(1-202)与镜座整体铸件(1-203)，在压电陶瓷微驱动器控制信号的驱动下伸缩，改变镜座(1-202)的姿态，进而控制光学镜片(1-1)的空间姿态，改变经光学镜片(1-1)反射的激光光束指向；所述信号采集子系统(4)由加速度传感器(4-101)、加速度传感器(4-102)、加速度传感器(4-103)、测角光敏传感器(4-201)、测角光敏传感器(4-202)和靶标光敏传感器(4-203)构成；所述分束镜(6)由分束镜(6-1)和分束镜(6-2)构成；所述快反镜(7)由结构框架(7-1)、光学镜片(7-2)以及4个音圈作动器(7-3，7-4，7-5，7-6)构成，4个音圈作动器(7-3，7-4，7-5，7-6)对称分布于光学镜片(7-2)后部的四角并固定于结构框架(7-1)上，在快反镜控制信号的驱动下前后伸缩，驱动光学镜片(7-2)在水平和竖直方向的倾斜，控制光学镜片(7-2)的倾斜姿态角度，改变经快反镜(7)反射的激光光束指向；所述机械隔振气浮台(8)安装在实验室地基上，既隔离地基传递的振动，为高精度光学反射镜(1)、加速度传感器(4-101)、加速度传感器(4-102)、加速度传感器(4-103)、激振器(3)等提供平稳的安装平台，又能在激振器(3)的激励下振动，模拟高精度光学反射镜(1)的工作环境；所述光学隔振气浮台(9)安装在实验室地基上，隔离地基传递的振动，为激光发射器(5)、分束镜(6-1)、分束镜(6-2)、测角光敏传感器(4-201)、测角光敏传感器(4-202)、靶标光敏传感器(4-203)、快反镜(7)等提供平稳的安装环境；所述数据处理与分析子系统(10)由dSPACE(10-1)、PC机(10-2)和实验系统控制软件构成。2.根据权利要求1所述的激光光束测量与指向控制实验系统，其特征在于，所述高精度光学反射镜(1)安装在机械隔振气浮台(8)上，反射激光发射器(5)发出的激光；所述激振器(3)安装在机械隔振气浮台(8)上，根据实验系统控制软件的工况模拟指令信号激励机械隔振气浮台(8)振动，模拟高精度光学反射镜(1)的工作环境。3.根据权利要求1所述的激光光束测量与指向控制实验系统，其特征在于，所述分束镜(6-1)、分束镜(6-2)平行安装在光学隔振气浮台(9)上，其中分束镜(6-1)将高精度光学反射镜(1)的出射激光分束，一束经反射后入射到测角光敏传感器(4-201)，另一束沿原光路传播方向继续入射到分束镜(6-2)，分束镜(6-2)将经分束镜(6-1)透射的激光分束，一束经反射后入射到测角光敏传感器(4-202)，另一束沿原光路传播方向继续入射到快反镜(7)上。4.根据权利要求3所述的激光光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东旭，冯世鹏，周易，刘望，蒋建平，
申请(专利权)人：国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43