本發(fā)明涉及一種激光載波測(cè)控與通信技術(shù)，具體涉及一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀。

背景技術(shù)：

激光工程應(yīng)用中的激光傳輸媒介多為大氣，而大氣中影響激光遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸最為嚴(yán)重的因素是大氣湍流，會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍、光束漂移和光束擴(kuò)展。由于大氣激光傳播理論復(fù)雜，湍流介質(zhì)特性難以統(tǒng)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)條件不可控等原因，激光應(yīng)用系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)缺乏準(zhǔn)確設(shè)計(jì)輸入，在系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)缺少可量化大氣環(huán)境的模擬裝置，嚴(yán)重制約了激光工程應(yīng)用的發(fā)展。僅僅是采用外場(chǎng)實(shí)地測(cè)量、重復(fù)實(shí)驗(yàn)等手段，不僅消耗了大量的人力、物力、財(cái)力，并且，由于大氣本身具有很高的不確定性，重復(fù)性較弱，所以單次外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難完全準(zhǔn)確地反映各種天氣環(huán)境下的湍流變化，因此迫切需要研制模擬激光遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸?shù)耐牧髂M裝置。同時(shí)，多數(shù)激光應(yīng)用系統(tǒng)所處平臺(tái)不穩(wěn)定，某些平臺(tái)復(fù)雜頻率下的振動(dòng)所導(dǎo)致的激光指向漂移是不可忽略的，需要在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行高精度模擬，對(duì)復(fù)雜頻率振動(dòng)的模擬可用來(lái)測(cè)試激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的性能。

模擬激光遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸并對(duì)發(fā)射和接收結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)激光工程應(yīng)用中系統(tǒng)的裝調(diào)質(zhì)量和若干系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行定性、定量評(píng)價(jià)，同時(shí)，通過(guò)大氣湍流模擬，能夠在室內(nèi)環(huán)境下檢驗(yàn)系統(tǒng)能否在指定條件的室外復(fù)雜環(huán)境下正常工作，不僅可以作為各類帶有遠(yuǎn)距離激光發(fā)射或接收功能的激光工程應(yīng)用設(shè)備出廠前的檢驗(yàn)儀器，更是為開發(fā)高端激光檢測(cè)儀器提供強(qiáng)有力的保障，具有極其重要的意義。

美國(guó)科羅拉多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)和加拿大學(xué)者bissonnette分別提出了利用空氣和水來(lái)模擬大氣湍流。國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)以及成都光電所均采用上述方法或其改進(jìn)方法進(jìn)行湍流模擬。以空氣或液體為介質(zhì)所模擬出的湍流效果雖然與某些特定條件的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，但其各項(xiàng)參數(shù)不能精確量化、受控，因此不利于科學(xué)、量化地研究并評(píng)價(jià)光在隨機(jī)介質(zhì)中的傳播，而且基于上述原理研制的湍流模擬裝置體積很難做得足夠大，在米量級(jí)的小體積內(nèi)很難獲得低空間頻率譜成分。另外，上述方法中大氣參數(shù)模擬的重復(fù)性精度較低，且系統(tǒng)的散熱對(duì)光學(xué)儀器有不利影響。

隨機(jī)相位屏能夠模擬大氣湍流對(duì)光束相位的擾動(dòng)，如變形鏡、液晶空間光調(diào)制器則具有無(wú)熱量產(chǎn)生，相位調(diào)制范圍靈活，模擬參數(shù)重復(fù)性極好和編程實(shí)時(shí)控制等優(yōu)越性能，用來(lái)模擬大氣湍流較為理想，但調(diào)制范圍比較有限。近年來(lái)，美國(guó)海軍研究室提出采用多個(gè)相位調(diào)制器件級(jí)聯(lián)的方案，以增大相位調(diào)制范圍，武漢大學(xué)也實(shí)現(xiàn)了多級(jí)相位調(diào)制器的大氣湍流模擬技術(shù)，但這類方法在漂移和閃爍效應(yīng)方面的模擬幅度并不能達(dá)到要求。

目前，對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行模擬一般采用兩種方式：一種是基于流動(dòng)的相似性理論，其采用空氣或者水來(lái)模擬大氣環(huán)境，但是無(wú)法定量描述大氣環(huán)境參數(shù)；另二種是采用空間光調(diào)制器模擬大氣環(huán)境，其相位調(diào)制范圍靈活、模擬參數(shù)重復(fù)性極好并可編程實(shí)時(shí)控制，但是光束閃爍、漂移等方面所模擬出的效果與真實(shí)環(huán)境差別較大。以上兩種方式均存在較大缺點(diǎn)，無(wú)法靈活的對(duì)設(shè)備實(shí)際使用性能進(jìn)行驗(yàn)證。因此急需研制一種新的大氣環(huán)境模擬系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激光遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸過(guò)程中的大氣湍流與振動(dòng)的模擬，并能夠檢測(cè)有湍流和無(wú)湍流條件下的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，評(píng)價(jià)激光發(fā)射系統(tǒng)的多項(xiàng)性能，提供的一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀。

一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀，包括主機(jī)、控制臺(tái)、待測(cè)系統(tǒng)、隔振光學(xué)平臺(tái)、光纖發(fā)射器、信標(biāo)發(fā)射器和光纖接收器；所述主機(jī)與所述待測(cè)系統(tǒng)放置在所述隔振光學(xué)平臺(tái)上，所述主機(jī)與所述控制臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線連接；所述主機(jī)包括光學(xué)窗口、湍流與振動(dòng)模擬組件、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件和光學(xué)組件；所述湍流與振動(dòng)模擬組件包括控制器、變形鏡驅(qū)動(dòng)器、變形鏡、第一快反鏡驅(qū)動(dòng)器、第二快反鏡驅(qū)動(dòng)器、第一快速反射鏡和第二快速反射鏡；所述光學(xué)組件包括主鏡、次鏡、捕獲相機(jī)、第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡；

所述待測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的激光光束經(jīng)光學(xué)窗口后依次經(jīng)主鏡、次鏡和第一反射鏡反射，經(jīng)第一反射鏡反射的激光光束由捕獲相機(jī)接收，經(jīng)第一反射鏡透射的激光光束經(jīng)第二反射鏡反射后依次經(jīng)湍流與振動(dòng)模擬組件中的第一快速反射鏡、第二快速反射鏡和變形鏡反射，經(jīng)變形鏡反射的激光光束由第三反射鏡反射至所述遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件進(jìn)行檢測(cè)；

經(jīng)第三反射鏡透射的激光光束與所述光纖發(fā)射器發(fā)射的光束和所述信標(biāo)發(fā)射器發(fā)射的光束混合后通過(guò)傳輸至光纖接收器；

所述控制器根據(jù)控制臺(tái)輸入的大氣模擬參數(shù)分別控制變形鏡驅(qū)動(dòng)器、第一快反鏡驅(qū)動(dòng)器和第二快反鏡驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形鏡、第一快速反射鏡和第二快速反射鏡的相應(yīng)控制，所述控制臺(tái)實(shí)時(shí)采集遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件傳輸?shù)倪h(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，并對(duì)采集的光斑圖像進(jìn)行檢測(cè)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采用湍流與振動(dòng)模擬組件、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件和光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸過(guò)程中的大氣湍流與振動(dòng)的模擬，并能夠檢測(cè)有湍流和無(wú)湍流條件下的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，評(píng)價(jià)激光發(fā)射系統(tǒng)的多項(xiàng)性能。

本發(fā)明所述的檢測(cè)儀通過(guò)軟件注入實(shí)測(cè)獲取的大氣參數(shù)，模擬過(guò)程更加真實(shí)可信，可用于激光工程應(yīng)用中系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、裝調(diào)、檢測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)，節(jié)約人力物力，為激光傳輸設(shè)備的研制提供技術(shù)支持，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大氣湍流模擬儀器的空白。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀原理圖；

圖2為本發(fā)明所述的一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀中主機(jī)的原理框圖；

圖3為本發(fā)明所述的一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀中控制臺(tái)的原理框圖；

圖4為本發(fā)明所述的一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀中光學(xué)組件的原理框圖；

圖5為本發(fā)明所述的一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀中湍流與振動(dòng)模擬組件原理框圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一、結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，一種激光大氣傳輸湍流模擬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)儀，包括主機(jī)11、控制臺(tái)12、待測(cè)系統(tǒng)13、隔振光學(xué)平臺(tái)14、數(shù)據(jù)傳輸線15、光纖發(fā)射器16、信標(biāo)發(fā)射器17、光纖接收器18。其中，所述主機(jī)11與所述待測(cè)系統(tǒng)13放置在所述隔振光學(xué)平臺(tái)14上，所述主機(jī)11與所述控制臺(tái)12通過(guò)所述數(shù)據(jù)傳輸線15連接。

所述主機(jī)11包括光學(xué)窗口111、光纖發(fā)射接口112、信標(biāo)發(fā)射接口113、光纖接收接口114、湍流與振動(dòng)模擬組件115、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件116、光學(xué)組件117。其中，所述光學(xué)窗口111對(duì)準(zhǔn)所述待測(cè)系統(tǒng)13；所述光纖發(fā)射窗口112與所述光纖發(fā)射器16連接，所述信標(biāo)發(fā)射窗口113與所述信標(biāo)發(fā)射器17連接；所述光纖接收器18與所述光纖接收接口114連接。

本實(shí)施方式所述的待測(cè)系統(tǒng)13為激光器發(fā)射系統(tǒng)。

結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，所述控制臺(tái)12，包括運(yùn)動(dòng)控制組件121、圖像采集組件122和主控計(jì)算機(jī)123。所述運(yùn)動(dòng)控制組件121輸入的大氣模擬參數(shù)是事先在外場(chǎng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境對(duì)大氣湍流進(jìn)行測(cè)量而獲得的，該參數(shù)是保存在所述運(yùn)動(dòng)控制組件121中，并根據(jù)實(shí)際工作進(jìn)行使用。工作時(shí)，所述運(yùn)動(dòng)控制組件121將所需要的變形鏡參數(shù)、第一反射鏡參數(shù)、第二反射鏡參數(shù)輸入到所述湍流與振動(dòng)模擬組件115中的所述控制器1151。所述圖像采集組件122采用實(shí)時(shí)分析與事后比對(duì)相結(jié)合的方案。其中，實(shí)時(shí)分析方案實(shí)時(shí)采集所述遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件116傳輸來(lái)得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，并通過(guò)主控計(jì)算機(jī)123同步顯示和存儲(chǔ)相關(guān)信息；事后比對(duì)方案采用matlab軟件編寫的事后處理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行事后判讀，判讀結(jié)果可與實(shí)時(shí)分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)實(shí)時(shí)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，所述光學(xué)組件117包括主鏡1171、次鏡1172、捕獲相機(jī)1173、光纖衰減器1174、信標(biāo)衰減器1175、第一反射鏡1176、第二反射鏡1177、第三反射鏡1178、第四反射鏡1179和第五反射鏡11710。

所述待測(cè)系統(tǒng)13發(fā)出的激光通過(guò)光學(xué)窗口111后經(jīng)過(guò)所述主鏡1171反射到次鏡1172；所述次鏡1172反射的激光一部分經(jīng)過(guò)所述第一反射鏡1176到達(dá)所述捕獲相機(jī)1173，另一部分經(jīng)過(guò)所述第二反射鏡1177到達(dá)所述湍流與振動(dòng)模擬組件115進(jìn)行大氣湍流干擾模擬；經(jīng)過(guò)所述湍流與振動(dòng)模擬組件115的激光一部分經(jīng)過(guò)所述第三反射鏡1178反射到所述遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件116進(jìn)行檢測(cè)，另一部分透過(guò)所述第三反射鏡1178并與所述光纖發(fā)射器16和所述信標(biāo)發(fā)射器17混合進(jìn)入所述光纖接收接口114并傳輸給光纖接收器18。

本實(shí)施方式中，所述的光纖發(fā)射器16發(fā)射的光經(jīng)過(guò)所述光纖衰減器1174到達(dá)所述第五反射鏡11710與經(jīng)第三反射鏡1178透射的激光結(jié)合；所述信標(biāo)發(fā)射器17經(jīng)過(guò)所述信標(biāo)衰減器1175到達(dá)所述第四反射鏡1179與經(jīng)第三反射鏡1178透射的激光結(jié)合；

所述信標(biāo)發(fā)射器17的加入用于檢測(cè)被檢系統(tǒng)的跟蹤精度和頻率響應(yīng)，所述光纖發(fā)射器16的加入用于對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行耦合效率測(cè)試。所述光纖衰減器1174和所述信標(biāo)衰減器1175可以用于對(duì)激光功率的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬，從而模擬光強(qiáng)起伏對(duì)系統(tǒng)性能的影響。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光的大氣傳輸湍流與振動(dòng)模擬和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)。

本實(shí)施方式所述的捕獲相機(jī)1173是一個(gè)短焦大視場(chǎng)相機(jī)，用于對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)和被檢系統(tǒng)。

本實(shí)施方式所述的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件116是長(zhǎng)焦大f數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，其焦距長(zhǎng)達(dá)十五米，對(duì)成像質(zhì)量要求較高，以便能夠精確測(cè)量被檢系統(tǒng)的光斑。所述遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)組件116接收經(jīng)過(guò)所述光學(xué)組件117傳輸來(lái)的具有干擾的激光光斑，并將測(cè)量到的激光光斑的光強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿隹刂婆_(tái)12中；所述控制臺(tái)12通過(guò)所述圖像采集組件122實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑的分析。

結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，所述湍流與振動(dòng)模擬組件包括控制器1151、變形鏡驅(qū)動(dòng)器1152、變形鏡1153、第一快反鏡驅(qū)動(dòng)器1154、第二快反鏡驅(qū)動(dòng)器1155、第一快速反射鏡1156和第二快速反射鏡1157。

所述控制器1151根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)控制組件121輸入的大氣模擬參數(shù)控制所述變形鏡驅(qū)動(dòng)器1152、第一快反鏡驅(qū)動(dòng)器1154、第二快反鏡驅(qū)動(dòng)器1155；由變形鏡驅(qū)動(dòng)器1152控制變形鏡1153，由第一快反鏡驅(qū)動(dòng)器1154實(shí)現(xiàn)對(duì)第一快速反射鏡1156的相應(yīng)控制，由第二快反鏡驅(qū)動(dòng)器1155實(shí)現(xiàn)對(duì)第二快速反射鏡1157的相應(yīng)控制。

所述的第一快速反射鏡1156是一個(gè)高頻短行程的快速反射鏡，所述第二快速反射鏡1157是一個(gè)低頻長(zhǎng)行程的快速反射鏡,兩個(gè)快速反射鏡用于產(chǎn)生光束角度微小變化，從而模擬振動(dòng)環(huán)境對(duì)于激光通信的影響；所述變形鏡1153用于產(chǎn)生固定或隨機(jī)的像差，可以模擬系統(tǒng)像差和湍流像差。通過(guò)對(duì)變形鏡1153、第一快速反射鏡1156、第二快速反射鏡1157的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射的激光的光束閃爍、漂移等方面的模擬。

本實(shí)施中，高頻短行程的快速反射鏡指的是采用200hz頻率，0.1mrad行程的反射鏡，低頻長(zhǎng)行程的快速反射鏡指的是采用低頻長(zhǎng)行程是指1hz頻率26mrad行程的反射鏡。

最后，還需要說(shuō)明的是，在本申請(qǐng)中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

對(duì)所公開的實(shí)施方式的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的，本實(shí)施方式中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。