多光束智能耦合技術(shù)研究

張文博，鄭建平

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

在一復雜光路系統(tǒng)中，需將多臺激光器發(fā)出的光束快速、高效耦合成一束同軸傳輸光束，并且能夠?qū)崟r監(jiān)測合成光束中各子光束之間相對位置的變化情況，對光軸、光瞳的變化進行閉環(huán)反饋控制，確保系統(tǒng)工作過程中，各光束光軸、光瞳的變化在要求的范圍內(nèi)。

本文的研究，就是通過對多光束光軸耦合對準技術(shù)、光束光軸和光瞳實時在線檢測技術(shù)、光束光軸和光瞳位置控制技術(shù)的實驗研究，探索能夠?qū)崿F(xiàn)多光束光軸自動準直并具有自動調(diào)整和修復能力的智能化多光束耦合技術(shù)途徑的可行性。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由光束狀態(tài)檢測器和控制動作實施機構(gòu)組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。每束光分別有一臺CCD用于監(jiān)測光束發(fā)散角、光軸和光瞳位置，并根據(jù)測量結(jié)果去控制相應(yīng)的調(diào)焦機構(gòu)和電動鏡架。CCD輸出信號接口為千兆網(wǎng)線，各CCD輸出接口經(jīng)交換機連接到一根網(wǎng)線，傳輸?shù)焦た貦C。

圖1 耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Principle schematic diagrams for coupling control system structure

1.2 數(shù)據(jù)采集、顯示、處理與控制

用一臺工控機來完成數(shù)據(jù)采集、處理和反饋控制的工作。各 CCD數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)焦た貦C進行實時處理，處理結(jié)果對各電動鏡架進行控制。系統(tǒng)中有5個CCD、6個電動鏡架、3個調(diào)焦平移臺，還有5個電動濾光片盤。

1.3 軟件設(shè)計

本文中所需軟件包含圖像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)組織和存儲、數(shù)據(jù)的處理、殘差計算、反饋控制、光瞳和光軸控制的解耦、意外事件的處理、信息的顯示傳輸和記錄等。軟件的總體開發(fā)策略考慮如下：

a.軟件運行環(huán)境為windowsXP。采用VC++6.0作為基本開發(fā)工具。部份數(shù)據(jù)處理算法如有必要，可用matlab來實現(xiàn)。b.軟件的總體設(shè)計方面，要明確軟件的功能、模塊劃分，形成文檔。c.以C++的類為程序基本模塊，除了輸入和輸出接口外，類中的成員盡可能設(shè)置為private屬性。對類中數(shù)據(jù)的訪問和修改，利用 setXX(var)、getXX(var)等函數(shù)進行，而不是直接訪問類中成員變量(避免如 C.XX=10)；在 setXX(var)等接口函數(shù)中，應(yīng)進行接口參數(shù)的取值范圍、指針是否溢出等防錯檢查。d.各函數(shù)名、變量名可以由2 3個單詞組成，應(yīng)盡量表示出該過程或變量的物理名稱或意義；此外，應(yīng)按照匈牙利命名法，表示出變量的類型。

2 關(guān)鍵部件機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

多光束耦合調(diào)光系統(tǒng)的機械設(shè)計非常關(guān)鍵。系統(tǒng)中包括高精度電動反射鏡、數(shù)控調(diào)焦裝置、數(shù)控濾光片切換轉(zhuǎn)盤、各類鏡架、擴束器等等。

在多光束耦合系統(tǒng)中，為了調(diào)節(jié)三路光束光瞳、光軸，專門設(shè)計研制了計算機控制高精度電動反射鏡，如圖2所示。該電動反射鏡使用直流電機驅(qū)動，有兩個自由度(繞水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn))，可提供約3°的動態(tài)范圍，并有限位保護。電動鏡架的直流電機選用A-max16(110045)伺服電機，減速器選用GS16V(235076)，編碼器選用MR-M(201940)，控制器選用EPOS24/1(280937)，其光軸控制精度達到亞微弧度量級。光路中共有6套電動調(diào)整鏡，通過CAN總線和控制系統(tǒng)集成控制，電路接口全部實現(xiàn)模塊化。

圖2 數(shù)控電動鏡架組裝圖Fig.2 Numerical control motor-driven mirror bracket assembly diagrams

3 系統(tǒng)實驗

3.1 系統(tǒng)安裝調(diào)試

圖3 電動調(diào)焦擴束器組裝圖Fig.3 Motor-driven focusing beam expansion device assembly diagrams

首先以632.8nm激光光源的光軸作為全系統(tǒng)的光軸基準，通過一對632.8電動鏡架將光軸和近場光斑中心調(diào)節(jié)至遠場探測CCD和近場探測CCD視場中心，并控制632.8調(diào)焦電機，使632.8H-SCCD探測的波面離焦殘差項為最小(此時在遠場探測CCD上的光斑為最小)，在遠場探測CCD和近場探測 CCD像面上標記光軸和近場光斑中心位置，作為多光束光軸和光瞳位置的調(diào)整基準點。同時記錄保存632.8 H-S CCD探測的波面離焦殘差和光軸位置信息，作為系統(tǒng)閉環(huán)校正控制的零點。

圖4 二級擴束器組裝圖Fig.4 Second beam expansion device assembly diagram

完成全系統(tǒng)基準光軸調(diào)整后，按照上述步驟，分別調(diào)整一對532電動鏡架和一對1064電動鏡架將532nm和1064nm激光光源的光軸和近場光斑中心調(diào)節(jié)至在遠場探測CCD和近場探測CCD視場中與基準光軸相重合的位置(遠場光斑質(zhì)心偏差量小于1，近場光斑中心偏差量小于0.08mm)，并控制532調(diào)焦電機和1064調(diào)焦電機，使532 H-S CCD和1064 H-S CCD探測的波面離焦殘差項為最小，在遠場探測CCD和近場探測CCD像面上標記光軸和近場光斑中心位置，作為光軸和光瞳位置的閉環(huán)調(diào)整零點。同時記錄保存632.8 H-S CCD探測的波面離焦殘差和光軸位置信息，作為系統(tǒng)閉環(huán)校正控制的零點。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標檢測

主要測試了探測系統(tǒng)的三個關(guān)鍵參數(shù)：光軸探測精度、相對光軸誤差和光瞳誤差。測試光路如圖5所示。

3.2.1 光軸探測精度檢測

分別用光束質(zhì)量測量儀和本系統(tǒng)的遠場 CCD探測器獲得同一光束的遠場光斑位置(多次同時采集，取平均值)，該光束的光軸改變后，比較二者計算獲得的光軸變化量，以光束質(zhì)量測量儀作基準，獲得本探測器的光軸探測誤差。

圖5 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標檢測光路布局示意圖Fig.5 Schematic diagrams for optical path layout of detection on system key technical requirements

檢測結(jié)果如表1所示。取三次測量中，本系統(tǒng)探測器與光束質(zhì)量測量儀的光軸探測誤差的平均值(在口徑上)為光軸探測精度。

表1 光軸探測精度檢測結(jié)果Tab.1 Measuring results for optical axis detection accuracy

3.2.2 光軸相對誤差檢測

用本系統(tǒng)對532nm和1064nm兩束光的光瞳和光軸自動閉環(huán)后，用光束質(zhì)量測量儀探測兩束光的光軸偏移(在60mm口徑上)。

檢測結(jié)果如表2所示。三次測量中1064nm和532nm兩束激光相對光軸誤差的平均值為5.86rad(在60mm口徑上)。

表2 光軸相對誤差檢測結(jié)果Tab.2 Detection results for optical relative error

三次測量中兩束光的遠場光斑圖像如圖6和圖7所示。

圖6 光束質(zhì)量測量儀三次測量的遠場圖像--532nmFig.6 Far-field image by beam quality measuring instrument for three-times measurement—532nm

圖7 光束質(zhì)量測量儀三次測量的遠場圖像--1064nmFig.7 Near-field image by beam quality measuring instrument for three-times measurement—1064nm

3.2.3 光瞳誤差檢測

將光束質(zhì)量測量系統(tǒng)換成專用的光瞳位置測量儀，用本系統(tǒng)對532nm和1064nm兩束光的光瞳和光軸自動閉環(huán)后，用光瞳位置測量儀測量兩光束間的光瞳誤差。檢測結(jié)果光瞳誤差<2mm(光束直徑60mm)，圖8是光瞳探測的近場光斑圖像，圖9是H-S探測器探測的哈特曼光斑。

圖8 532nm(左)和1064nm(右)近場光斑Fig.8 532nm(left)和 1064nm(right)near-field centroid

圖9 532nm(左)和1064nm(右)哈特曼光斑Fig.9 532nm(left)和 1064nm(right)far-field centroid

3.3 遠距離傳輸實驗

用1km靶目標(帶有光斑質(zhì)心探測功能的測量靶)對三束光光軸一致性進行了驗證。打靶過程中，用口徑為480mm的發(fā)射系統(tǒng)，多光束耦合系統(tǒng)全系統(tǒng)閉環(huán)控制各光束的光軸、光瞳位置和光束抖動，實驗結(jié)果表明，各光束間的光軸偏差 PV值小于1"。光軸一致性數(shù)據(jù)見表3，光軸抖動數(shù)據(jù)見表4。

表3 遠距離傳輸光軸重合度測量結(jié)果Tab.3 Measuring results for optical axis contact ratio of the remote transmission

表4 光軸抖動數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.4 Optical axis intension data statistics

圖10 1064nm光軸抖動曲線(左為x方向，右為y方向)Fig.10 1064nm optical axis intension curve(The left refers to x direction while the right refers to y direction)

圖11 532nm光軸抖動曲線(左為x方向，右為y方向)Fig.11 532nm optical axis intension curve(The left refers to x direction while the right refers to y direction)

4 結(jié)論

通過實驗表明，實驗系統(tǒng)各項技術(shù)指標完全滿足總體設(shè)計要求。實驗過程中，當系統(tǒng)初調(diào)到位后，通過總控系統(tǒng)發(fā)出指令，可以在2分鐘之內(nèi)，自動完成全系統(tǒng)光路精調(diào)，并在激光發(fā)射過程中實時控制各光束的光軸指向、光瞳位置、光束準直狀態(tài)和光束抖動，充分驗證了本技術(shù)路線的可行性。

[1]Dyton G．Atmospherie-Turbulence Compensation Experiments Using Synthetic Beanon[J].The Lincoln Laboratory Journal，1992，5(1)：67-91

[2]劉代中，徐仁芳，范滇元．激光聚交裝置光束自動準直系統(tǒng)的研究進展[J]．激光與光電子學進展，2004，41(2)：1-5.

[3]劉代中，朱健強，徐仁芳，等．4程放大光路自動準直系統(tǒng)研究[J]．強激光與粒子束，2004，16(5)：582-586.

[4]王志堅，王鵬，劉智穎．光學工程原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2010：199-200.

[5]劉俞銘．光學儀器設(shè)計生產(chǎn)與裝配、檢校及光學冷加工新工藝技術(shù)、質(zhì)量檢驗標準規(guī)范實務(wù)全書[M]．北京：北方工業(yè)出版社，2006.