大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

基于Hough变换和颜色特征的预瞄准技术研究

为实现激光通信终端地面验证实验中终端的自动对准,提出了一种基于图像识别的预瞄准方法.该方法首先基于颜色特征提取出图像中的指示光斑与标尺光斑,根据标尺光斑的尺寸,建立图像与实物的比例关系,并预估出目标圆的半径像素值.然后,基于Hough变换原理识别出图像中的通信终端通光中心位置,并与指示光斑进行比较计箅出补偿角度.将补偿角传给运动控制卡,控制指示光瞄准目标终端.最后,启动攻瑰曲线扫描,捕获信标光后完成预瞄准过程.实验结果表明:该方法能准确识别目标,计算时间为0.94 s,并具有良好的抗干扰能力.基本满足通信终端自动识别、快速对准的设计要求.     

基于激光和CCD组合的小孔转轮重复定位精度测量方法

小孔转轮是某试验装置光路自动校准系统的关键器件,重复定位精度是其重要指标之一。为了有效测量运行于真空环境下的小孔转轮重复定位精度,提出了一种基于激光和CCD组合的测量方法,并以转轮滤波小孔光斑中心的位置重复性作为其重复定位精度的评价指标,搭建了一套完整的测量系统。利用CCD采集通过转轮滤波小孔的激光光斑,通过图像处理的方法对激光光斑图像进行滤波去噪、阈值分割、二值化、边缘检测等预处理,利用最小二乘法对激光光斑进行圆拟合,得到光斑中心坐标。在非真空环境下与激光干涉仪进行了对比实验,两者测量的角度偏差仅相差11″,表明了该测量方法具有较高的精度,可以满足测量要求。采用该测量方法对真空环境下的小孔转轮进行了约6 h正反往复各60次的重复性测量,结果表明,该测量方法能有效测量真空环境下小孔转轮的重复定位精度。     

狙击步枪瞄准线偏差测量与电击发控制研究

为了测量智能瞄具狙击步枪系统瞄准线偏差,控制击发时机并提高射击精度,提出了滤波加权融合方法与线性预测击发判据。运用卡尔曼预测滤波对脱靶量滞后进行补偿,得出瞄准线偏差; 将陀螺数据滤波后积分得出另一瞄准线偏差; 根据加权融合算法,得到加权融合后瞄准线偏差。建立了基于陀螺信号、融合信号和电动击发装置特性的线性预测击发判据; 搭建了dSPACE实验测试系统,进行了瞄准线偏差测量实验和模拟对比射击实验,结果表明:滤波加权融合后的信号基本可表示瞄准线实际偏差;在滤波加权融合方法与线性预测击发判据条件下模拟射击时,弹着点分布在0.05 mrad圆内的概率为85.7%,高于简单控制击发模式下53.33%的概率。     

激光光斑中心位置检测系统

在某非约束环境下，需要将多束激光准确照射到空间的某点，各激光发射器的支座可单独用手动调节，—旦调至所要求的对准范围，即将支座固定，确保激光光束的方向和位置恒定不变，因而准确测量激光光斑中心相对于靶标中心的位置成为确保瞄准精度的关键环节，为此研制了激光光斑中心位置检测系统。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

用实验方法分析大气随机信道对激光传输的影响

文章介绍了为分析大气随机信道对激光传输影响而进行的激光远场实验，即光斑测量实验和光强测量实验。根据实验的目的和原理，自行研制了两套实验系统：一套为光斑实时测量和记录系统，另一套为光强实时测量和记录系统。运用以上两套实验系统进行了激光远场实验，记录了大量实验数据。通过对实验数据的处理，绘制了不同天气条件下光斑重心的变化曲线和光强的变化曲线。从实验上论证了大气随机信道对激光远场光斑的影响，并得出了大气对激光传输影响的统计规律。     

基于残差修剪的激光光斑高精度定位方法

为满足复杂靶标背景下激光光斑形心的高精度定位要求,提出了一种基于几何特征约束残差修剪的定位方法.首先通过分析成像特点提取激光光斑;然后在几何特征约束下对残差边缘进行二次修剪,优化边缘;最后利用最小二乘拟合法得到激光光斑形心的精确定位,并将其应用于火炮的重要静态参数--弯曲度测量.实验结果表明,该方法具有较强的稳定性,定位精度高且实时性好,与传统的定位方法相比,复杂靶标上激光光斑的水平和竖直定位偏差均由±1.2 pixel提高到±0.2 pixel,单次定位时间小于0.31 s,可实现复杂靶标背景下激光光斑形心的快速精确定位.     

基于虚拟仪器的图像采集处理及仪器控制

针对激光测距机三光轴平行度调校,提出了由CCD摄像机摄取激光光斑图像,然后用图像采集与处理方法计算白光十字线中心与光斑中心偏差的方法,并对选用的图像处理算法进行了论述。此外,采用可变固定衰减片方法测量激光测距机接收系统的灵敏度。以LabVIEW为软件平台,开发出检测激光光轴中心及控制衰减器的虚拟仪器系统。该系统具有直观形象,使用方便,可移植性强等优点。     

神光Ⅲ原型装置直接驱动均匀辐照设计及在快点火中的潜在应用

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。     

光束指向稳定性高精度检测方法研究北大核心CSCD

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标,光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD(charge coupled device)为主要元件,构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心,并以理想光斑与实测光斑为例进行验证,误差小于1个像元。利用CCD高频采样,统计单位时间内光斑中心位移,获得光束指向稳定性指标,检测实例精度可达1.25μrad。该方法简便易行,测量精度高,适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。     

“神光-Ⅱ”装置第九路靶场终端光学组件的研制

 针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30 μm和大焦斑辐照均匀性优于10％的要求，提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析，优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜，确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试，主激光瞄准精度达到28.9 μm，大焦斑辐照的形状为1 000 μm×500 μm，均匀性为12.0％。     

基于高斯拟合的激光光斑中心定位算法

激光光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一。通过对常用定位算法的分析,给出利用光斑图像中的不饱和点对光斑进行高斯拟合,并以拟合函数的幅值点作为光斑中心的方法。利用人工光斑对该算法进行验证,结果表明该算法误差远小于0.1 像素;利用一维高精度电动平移台、CCD相机、激光器等搭建测试系统,由计算机自动采集激光光斑图像并对其进行分析,实验结果表明该算法与理论分析结果的均方根误差仅为0.1 像素。     

Calculation algorithm of high-precision two-dimensional broadband laser warning parameters北大核心CSCD

High precision grating diffraction laser warning system is a photoelectric countermeasure equipment to judge and locate the incoming laser function. In order to improve the positioning accuracy, an improved algorithm for calculating and fitting the calculation parameters of the spot center was proposed. Firstly, the laser spot was preprocessed, and the center coordinates of the connected area were obtained by using the improved connected area marking algorithm and spot center extraction algorithm. Secondly, the azimuth angle and pitch angle were set, the images were collected and the spot center was calculated, and the pixel horizontal and vertical coordinates in x and y direction as well as fitting surfaces of laser parameters were fitted, so as to judge the azimuth angle, pitch angle and wavelength of the incoming laser. Finally, the improved connected area marking algorithm, spot center extraction algorithm and parameter fitting calculation results were compared with the traditional algorithm. The experimental results show that the pitch angle error between the fitting calculation results and the real data is less than 0.4°, and the azimuth angle error is less than 0.2°, which greatly improves the accuracy of laser direction recognition. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值

 实际星地光通信系统的发射光束为高斯型的情况下，跟瞄误差和大气闪烁是星地激光链路中的主要信道噪声源。在结合两者对系统性能影响的前提下，对星地激光通信链路进行了理论分析和模型建立。基于该模型对星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差之比的优化选择问题进行了研究。结果表明：对于上行链路，在不同误码率需求下都存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值，使得上行链路余量最大；对于下行链路，在不同误码率要求下均存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值，使得下行发射光功率的需求最小。利用最优化方法和最小二乘法拟合，得到星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值和系统误码率的经验公式。     

非高斯畸变对星间光通信瞄准偏差的影响

 提出了一种针对星间激光链路反射式光学天线的非高斯畸变模型,利用该模型研究了波前畸变对系统瞄准偏差的影响,并且与高斯型波前畸变所得结果进行了对比。理论分析和仿真结果表明：对于高斯型和非高斯型畸变,系统的瞄准偏差都会随着畸变范围的增大而增大,随着畸变位置相对光束中心距离的增大先增大后减小。当畸变形状可以用其平均变化量来近似时,随着畸变深度的变化,瞄准偏差呈周期性变化趋势,振荡周期峰值的包络与畸变形状有关;对于不能简单用均值变化量代替其形状的畸变,随着畸变深度的增加,瞄准偏差的变化不具有周期性。仿真结果显示:对口径为0.25 m的反射式光学天线,当遮挡比为0.1时,如果畸变范围超过0.01 m×0.01 m,系统将会产生比较明显的瞄准偏差。     

潜望式激光通信瞄准机构误差计算

本文提出了一种机构指向误差计算方法。首先,采用反射镜单位法向量和光束单位方向向量分别表示机构反射镜的姿态和激光束的传播方向,接着采用坐标变换和矩阵传递求出反射镜在总体坐标系中的单位法向量,通过向量对称计算出激光束经过两次镜面反射后的方向向量,最后将机构各参数的理论值和实际值代入上述算法,分别求出激光束经过两次镜面反射后的理论方向向量和实际方向向量,两向量夹角即为机构的指向误差。在得到指向误差和部件误差的关系式后,机构设计时即可通过机构指向误差反计算求出部件的误差值。结果表明:机构物理样机测试指向误差值为0.005 7°,将机构部件参数测试误差值代入误差正计算算式,得出机构的指向误差值为0.006 1°,以该指向误差通过反计算得出的参数平均误差值为0.002 25°,与测试结果相近,可以为机构的精度设计提供参考依据。