用于使激光经由大气进行指向的光学系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于使激光经由大气指向目标(100)的光学系统，其具有四个光学通道：‑被动成像通道，其具有连接至粗略指向控制装置(2)的辅助摄像机(1)；‑照明通道，其具有脉冲照明源(5)和时间同步装置(11)，所述通道包括第一粗略指向公共光学装置(4)；‑效应器通道，其具有大功率激光源(171)；‑主动成像通道，其具有：高速摄像机(101)，其通过同步装置(11)与照明源(5)同步并且连接至精细指向控制装置(121)；用于使高速摄像机(101)与大功率激光源(171)协调的装置；主动成像通道和效应器通道形成为一对，并且包括：‑第二粗略指向公共光学装置(141)，所述粗略指向装置由粗略指向控制装置(2)控制；‑精细指向公共光学装置(161)，其由精细指向控制装置(121)控制；并且，粗略指向控制装置(2)连接至精细指向控制装置(121)。

An optical system and method for pointing a laser through the atmosphere

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使激光经由大气进行指向的光学系统与方法
本专利技术涉及的领域为用于利用激光指向目标的系统，所述系统设置有主动成像装置，使得能够将目标定位在给定的环境中(所述目标可能位于空中或位于陆地上)，并且对激光指向系统进行反馈控制。
技术介绍
一般地，主动成像装置利用其自身的光源，通常为脉冲激光器。由于发射的指向性和所采用的能量，能够跨越较远的距离(甚至是跨越散射介质)接收信号。这些特性尤其赋予了该项技术在安全和防御方面非常重要的地位。由激光器发射并且被电影院中的各种物体反射的光子借助接收器-成像器聚集。脉冲激光器和接收时的时窗的联合使用允许选择包含感兴趣目标的一部分空间。感兴趣的领域尤其是需要对由于大气湍流对激光束的自由传播的影响进行校正的定向激光能量系统的指向；该湍流干扰系统并且负面地影响与准确度和指向稳定性有关的性能。此外，追踪运动的目标以及同时对由大气引起的光学干扰进行校正需要较宽的控制带宽(大约1至2kHz)以便对典型地持续大约10ms的干扰进行校正，并且需要覆盖尽可能宽的空间领域(大约一半空间)同时满足操作约束，例如鲁棒性、自主性、移动性、部署时间等等。对于需要非常高水平的性能(大约微弧度的准确度、几千米的范围)的应用，这种校正需要能够以较高的角分辨率和足够的频率来测量目标位置，以便确保对波面的变形(抖动现象)进行第一级的补偿。此外，照明系统必须以接近但不同于激光指向系统的波长操作。可以引用各应用的其它示例，例如在固定的地面站与空气或空间中的飞行物体之间的自由空间中进行光通信，或者此外执行长距离的焊接方法，这种情况经常在用于组装大型零部件的造船厂中遇到，对于这种情况，当前的解决方法是强制使用接触或者很靠近待组装的零部件的焊接站。当前存在一种在望远镜中采用的用于校正由于该大气干扰所产生的影响的解决方法。然而，天文仪器的例子具有不同的操作特性。具体地，被指向的物体通常为点状并且固定(或者非常缓慢地运动)，这通常不是激光指向系统所设想的目标的例子。此外，既需要在白天也需要在夜晚操作。因此，就准确度、范围和指向稳定性、可访问领域、体积、系统成本而言，仍然需要用于激光指向目标同时满足上述一组要求的系统。
技术实现思路
所提出的解决方案基于这样一种光机械架构：其指向被分为两个阶段，一个称为粗略阶段，另一个称为精细阶段，第一阶段提供角度覆盖范围，第二阶段给予最终的准确度。此外，粗略的指向阶段允许采用主动成像，其允许操作精细指向。更具体而言，本专利技术的主题在于一种用于使激光经由大气指向目标的光学系统。其主要特征在于，该光学系统包括四个光学通道：-被动成像通道，其具有能够获取目标图像的辅助摄像机和连接至该摄像机的粗略指向控制装置；-照明通道，其具有脉冲照明源和时间同步装置，其中，所述被动成像通道和所述照明通道包括第一粗略指向公共光学装置；-效应器通道，其具有大功率激光源；-主动成像通道，其具有：·高速摄像机，其通过时间同步装置与脉冲照明源同步；·用于使高速摄像机与大功率激光源协调的装置；以及·精细指向控制装置，其连接至所述摄像机，其中，主动成像通道和效应器通道形成为一对，并且包括：-第二粗略指向公共光学装置，第一粗略指向光学装置和第二粗略指向光学装置由粗略指向控制装置或精细指向控制装置控制，取决于发射顺序的操作阶段；-精细指向公共光学装置，其由精细指向控制装置控制；-聚敛光学装置，其设置有指向装置，其中，粗略指向控制装置连接至精细指向控制装置。聚敛光学装置优选地位于精细指向公共光学装置与第二粗略指向光学装置之间。根据本专利技术的一个特征，所述光学指向系统包括第一装置和第二装置，所述第一装置用于将位于第一粗略指向光学装置与激光照明源之间的被动成像通道和照明通道重叠，所述第二装置用于将位于精细指向装置与大功率激光源之间的主动成像通道和大功率通道重叠。所述光学指向系统可选地包括平行布置的其它的主动成像通道和效应器通道对；每个主动成像通道的精细指向控制装置连接至被动成像通道的粗略指向控制装置。根据本专利技术的另一特征，主动成像通道和效应器通道对安装在具有预定配置(优选地为直线)的结构上，并且所述结构本身安装在用于使所述结构旋转的装置上。根据本专利技术的系统的架构使得可以采用获得期望的效果所需的那样多的大功率激光器。根据本专利技术的系统的架构还允许使用小尺寸元件，这些小尺寸元件更易于标准化并且由此更容易获得，从而降低了该解决方案的成本并且为系统提供了高度的模块性，由此有助于集成和维护。本专利技术的另一主题为用于借助上文所述的指向系统经由大气追踪目标的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：-使第一粗略指向装置和每个第二粗略指向装置朝预定方向定向；-当目标出现在辅助摄像机的视场中时，锁定并稳定粗略追踪回路；-一旦目标被发现且被追踪，则由粗略指向控制装置来承担对第一粗略指向装置和每个第二粗略指向装置的控制；-激活激光照明源；-一旦照明被激活，则每个高速摄像机将视频流传送至相关联的精细指向控制装置，以便锁定与稳定每个精细追踪回路；-然后每个第二粗略指向装置由与其配对的精细指向控制装置驱动，精细指向控制装置然后驱动粗略指向装置和精细指向装置两者；-一旦每个第二粗略指向装置从动于所考虑对的精细指向控制装置，则粗略指向控制装置随后仅控制第一粗略指向装置；-在对该系统进行发射控制的情况下，激活大功率激光器并且借助由高速摄像机以及精细指向装置和粗略指向装置提供的主动成像来追踪目标，以使得每个大功率激光源具有指向。附图说明在参阅了下述借助于非限制性示例并且参考附图给出的详细说明之后，本专利技术的其它特征和优点将变得显而易见，在所述附图中：图1图示了根据本专利技术的指向系统的示例，所述指向系统设置有多个主动成像和效应器通道对；图2示出了根据本专利技术的系统的操作方法的步骤的流程图；图3图示了安装在旋转组件上的根据本专利技术的指向系统的示例。贯穿各个附图，相同的元件具有相同的附图标记。具体实施方式参考图1，描述了根据本专利技术的使激光经由大气指向目标100的光学系统的示例。所述光学系统包括四个通道：-被动成像通道，其具有能够获取目标100的图像的广角(例如大约3°)的辅助摄像机1，和连接至该摄像机的粗略指向控制装置2，该装置设置有偏差计；-照明通道，其具有高速脉冲照明源5和时间同步装置11，所述高速脉冲照明源5在近红外波段(SWIR0.8μm-3μm)内——例如，以确保眼睛安全(1.5μm)的波长——操作，并且具有比广角摄像机的视场更小的视场(例如为几毫弧度)，所述时间同步装置11用于使(上文所述的主动成像通道的)高速摄像机101与照明源5同步。所述被动成像通道和照明通道包括第一粗略指向公共光学装置4，该装置4基于从辅助摄像机1获得的图像、根据由偏差计产生的设定值来进行反馈控制。另外两个通道为：-具有大功率激光源171的效应器通道，也称为大功率通道；-主动成像通道，其具有：·摄像机101，其与照明源5同步并且与照明源具有相同的视场；具体而言，比成像视场要宽得多的照明是无效的，而比成像视场要窄得多的照明无法提供足够的均一性；·用于使所述高速摄像机与所述激光源协调的装置(未示出)；以及·精细指向控制装置121，其连接至该摄像机101并且设置有偏差计；粗略指向控制装置2连接至该精细指向控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使激光经由大气指向目标(100)的光学系统，其特征在于，所述系统包括四个光学通道：‑被动成像通道，其具有能够获取目标图像的辅助摄像机(1)和连接至该摄像机的粗略指向控制装置(2)；‑照明通道，其具有脉冲照明源(5)和时间同步装置(11)，所述被动成像通道和所述照明通道包括连接至粗略指向控制装置(2)的第一粗略指向公共光学装置(4)；‑效应器通道，其具有大功率激光源(171)；‑主动成像通道，其具有：·高速摄像机(101)，其通过时间同步装置(11)与照明源(5)同步；·用于使高速摄像机(101)与大功率激光源(171)协调的装置；以及·精细指向控制装置(121)，其连接至高速摄像机，其中，主动成像通道与效应器通道形成为一对(第一对)，并且包括：‑第二粗略指向公共光学装置(141)，第一粗略指向公共光学装置(4)连接至粗略指向控制装置(2)；‑精细指向公共光学装置(161)，其由精细指向控制装置(121)控制；‑聚敛光学装置(151)，其设置有指向装置；其中，粗略指向控制装置(2)连接至精细指向控制装置(121)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.30 FR 15009141.一种用于使激光经由大气指向目标(100)的光学系统，其特征在于，所述系统包括四个光学通道：-被动成像通道，其具有能够获取目标图像的辅助摄像机(1)和连接至该摄像机的粗略指向控制装置(2)；-照明通道，其具有脉冲照明源(5)和时间同步装置(11)，所述被动成像通道和所述照明通道包括连接至粗略指向控制装置(2)的第一粗略指向公共光学装置(4)；-效应器通道，其具有大功率激光源(171)；-主动成像通道，其具有：·高速摄像机(101)，其通过时间同步装置(11)与照明源(5)同步；·用于使高速摄像机(101)与大功率激光源(171)协调的装置；以及·精细指向控制装置(121)，其连接至高速摄像机，其中，主动成像通道与效应器通道形成为一对(第一对)，并且包括：-第二粗略指向公共光学装置(141)，第一粗略指向公共光学装置(4)连接至粗略指向控制装置(2)；-精细指向公共光学装置(161)，其由精细指向控制装置(121)控制；-聚敛光学装置(151)，其设置有指向装置；其中，粗略指向控制装置(2)连接至精细指向控制装置(121)。2.根据前述权利要求所述的用于追踪目标的光学系统，其特征在于，聚敛光学装置(151)位于精细指向公共光学装置(161)与第二粗略指向光学装置(141)之间。3.根据前述权利要求中的任一项所述的用于追踪目标的光学系统，其特征在于，其包括第一装置(3)，第一装置(3)用于将位于第一粗略指向光学装置(4)与激光照明源(5)之间的被动成像通道与照明通道重叠。4.根据前述权利要求中的任一项所述的用于追踪目标的光学系统，其特征在于，其包括第二装置(131)，第二装置(131)用于将位于精细指向装置(161)与大功率激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·科尔，B·比斯坦，
申请(专利权)人：泰勒斯公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR