基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法及裝置，由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束采樣轉輪、電控系統(tǒng)和紅外相機組成，本發(fā)明利用放置在高能激光傳輸路徑當中的螺旋漿式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能激光光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光并成像，從而獲得高能激光光束的時空分布圖樣，大部分高能激光能量將透過旋轉葉片，繼續(xù)沿原光路傳播。本發(fā)明避免傳統(tǒng)測量方法中激光輻照面因強光駐留時間過長而造成的灼傷，有效提高了強光采樣的時間分辨率，獲取高分辨率的光斑圖像，機動性能好，后續(xù)整改簡單易行。
【專利說明】基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種強光時空分布參數的測量方法及裝置，尤其是一種利用高速旋轉漫反射葉片對強光實施采樣的在線監(jiān)測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]強激光在大氣傳輸過程中，受到湍流、熱暈和消光等大氣效應的影響，遠場光斑分布相對于激光器出口有較大變化。準確測量高能激光光束的遠場功率密度時空分布，獲取激光光束質量、質心漂移等重要參數，已經成為分析高能激光的大氣傳輸效應和評價高能激光系統(tǒng)性能指標的必要手段。
[0003]傳統(tǒng)的高能激光時空分布測量方式如燒蝕法、基于面陣采樣器件的CCD法、光電/光熱探測器陣列法等，皆通過接收全部入射激光能量對光斑進行采樣和分析，光束接收采樣材料需要具有很強的耐高溫能力；同時，這樣使得激光輻照效應試驗和強光大氣傳輸效應測量試驗相分離，無法實時的、直觀的將高能激光輻照效應與光束到靶特性、大氣條件等相關參數進行比對和關聯。為了提高試驗效率，減少試驗開支，降低高能激光系統(tǒng)在設計、評估和決策中的風險和成本，發(fā)展和研制出有效的強光時空分布在線測量方法及裝置，成為高能激光測試技術發(fā)展的必然趨勢。侯再紅等(強激光與粒子束，2002年第3期)改良固定面陣式傳感器光斑測量法，用77個傳感器排列成十字形線陣，以此線陣為半徑旋轉對激光光束采樣，完成對激光光斑的探測。該方法將不會完全阻擋激光傳播，但需設計復雜而精密的機械結構和電路系統(tǒng)，且因受制于單元傳感器排列密集程度，采樣空間分辨率仍然較低。陳紹武等(強激光與粒子束，2006年第10期)采用一只與入射激光軸線偏心安裝的高速旋轉的45°斜面環(huán)形光刀對光束實施反射取樣，探測單元(包括光衰減片、光纖、探測器等)陣列沿光刀反射光路圓周均勻分布，光刀每轉動一周，通過復原和計算探測器的響應信號，便得到一幀完整光斑的時空分布圖樣。該方法使得絕大部分光穿過光刀并沿原光路無擾動傳播，成功實現了對強光時空分布的在線監(jiān)測，但它同樣系統(tǒng)設計復雜，體積龐大，使用時拆裝多有不便，且因受制于光刀機械轉速，采樣時間分辨率較低。上述兩種激光時空分布測量方法均基于特定單元探測器，只能測量特定光譜響應范圍內波長的激光光束，系統(tǒng)設計制造固化后的整改難度大，成本高昂，因而測量設備的后續(xù)擴展利用存在一定局限性。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是:解決上述現有技術存在的問題，而提供一種系統(tǒng)設計相對簡單、使用方便的基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法及裝置，避免傳統(tǒng)測量方法中激光輻照面因強光駐留時間過長而造成灼傷，有效提高了強光采樣的時間分辨率，獲取的光斑圖像分辨率高，機動性能好，后續(xù)整改簡單易行。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案是:
一種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法，利用放置在高能激光傳輸路徑當中的螺旋衆(zhòng)式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能激光光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光并成像，從而獲得高能激光光束的時空分布圖樣，大部分高能激光能量將透過旋轉葉片，繼續(xù)沿原光路傳播。
[0006]上述基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法的實現過程如下:
步驟1:將表面均勻噴涂有漫反射涂層，呈中心對稱分布的螺旋漿式葉片輪輻放置在強光光路中；
步驟2、利用激光器導引光，調整葉片輪輻的高度與偏轉角度，使得激光垂直入射至輪輻表面，且不會超出采樣葉片輻寬，必要時需重復步驟I和步驟2 ；
步驟3、葉片輪輻位置及姿態(tài)擺放到位后，對其實施緊固，以確保葉片在高速旋轉過程當中的穩(wěn)定性；
步驟4、擺放紅外相機，確保其避開強光光路，并可完整記錄下待測激光光斑；
步驟5、開啟電機，并根據強光時間采樣率要求設置葉片輪輻轉速；
步驟6、設置紅外相機單幀圖像曝光時間，確保在一個曝光周期內，單根葉片可完成對待測激光光斑的完整掃描；
步驟7、將紅外相機工作模式預設為外觸發(fā)模式，可通過激光二極管及光電接收器或同軸編碼器獲取和記錄采樣葉片的實時位置信息，并向紅外相機發(fā)送觸發(fā)信號；
步驟8、啟動紅外相機，并發(fā)射主激光，完成強光時空分布的采樣和測量。
[0007]—種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束采樣轉輪、電控系統(tǒng)和紅外相機組成，支撐架和電控系統(tǒng)安裝在可移動平臺上，驅動裝置和光束采樣轉輪安裝在支撐架上，驅動裝置包括電機、傳動軸和正交軸齒輪傳動裝置，電機與支撐架底端連接集成，傳動軸隱藏在支撐架的中心支柱內，傳動軸上端通過正交軸齒輪傳動裝置將軸向轉換為水平方向驅動光束采樣轉輪，所述的光束采樣轉輪包括多片錐形葉片和輪轂，編碼器安裝在輪轂的軸套上，錐形葉片以輪轂為中心對稱分布，錐形葉片表面均勻噴涂漫反射涂層，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，并發(fā)送同步信號經電控系統(tǒng)放大后觸發(fā)紅外相機，具有相應光譜響應范圍的紅外相機安裝在能夠接受漫反射光并成像的地方。
[0008]上述技術方案中，所述的可移動平臺包括平臺本體、轉向裝置、千斤頂和輪胎，平臺本體四周安裝4只可調式千斤頂，平臺本體由輪胎支撐，轉向裝置安裝在平臺本體前端。
[0009]上述技術方案中，所述的支撐架包括第一旋轉關節(jié)連接件、第二旋轉關節(jié)連接件、滑軌、兩側支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋轉關節(jié)連接件上，第一旋轉關節(jié)連接件兩側套裝在第二旋轉關節(jié)連接件上，第二旋轉關節(jié)連接件安裝固定在兩側支臂上，兩側支臂安裝在滑軌上并可沿滑軌前后滑動。
[0010]上述技術方案中，所述的每根葉片的位置信息由激光二極管及光電接收器或同軸編碼器獲取和發(fā)送。
[0011]上述技術方案中，所述的采樣葉片的轉速可調，紅外相機的像素分辨率和光譜響應范圍可調，采樣葉片的輪輻位置和角度可調。
[0012]本發(fā)明的顯著技術效果:
1、本發(fā)明提出了一種在線式強光時空采樣測量方法，它借助低占空比的旋轉葉片對強光進行時空采樣，使得強光大部分能量可透過測量裝置，繼續(xù)沿原光路傳播，同時很大程度上避免了傳統(tǒng)測量方法中激光輻照面因強光駐留時間過長而造成的灼傷。[0013]2、本發(fā)明所采用的多條葉片斬波掃描采樣方法，有效的提高了強光采樣的時間分辨率；并可通過選用高分辯率紅外相機，來獲取高分辨率的光斑圖像。
[0014]3、本發(fā)明提出的測量裝置，設計制造相對簡單，機動性能好，使用方便；其后續(xù)整改簡單易行，只需安裝不同光譜響應范圍的紅外相機，便可實現不同波長的強光時空采樣測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明具體實施例中測量裝置的整體結構示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例原理示意圖；
圖3為實施例中可移動平臺結構示意圖；
圖4為支撐架結構示意圖；
圖5為驅動裝置結構局部剖視圖；
圖6為光束采樣轉輪裝配示意圖；
圖7為具體實施例中采樣測量的光斑采樣圖。
[0016]附圖標注說明:
1-可移動平臺，2-支撐架，3-驅動裝置，4-光束采樣轉輪，5-電控系統(tǒng)，6-紅外相機，7-轉向裝置，8-千斤頂，9-輪胎，10-第一旋轉關節(jié)連接件，11-第二旋轉關節(jié)連接件，12-滑軌，13-兩側支臂，14-中心支柱，15-電機，16-傳動軸，17-正交軸齒輪傳動裝置，18-錐形葉片，19-輪轂，20-編碼器。
【具體實施方式】
[0017]一種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法，利用放置在高能激光傳輸路徑當中的螺旋衆(zhòng)式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能激光光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光并成像，從而獲得高能激光光束的時空分布圖樣，大部分高能激光能量將透過旋轉葉片，繼續(xù)沿原光路傳播。
[0018]上述基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法的實現過程如下:
步驟1:將表面均勻噴涂有漫反射涂層，呈中心對稱分布的螺旋漿式葉片輪輻放置在強光光路中；
步驟2、利用激光器導引光，調整葉片輪輻的高度與偏轉角度，使得激光垂直入射至輪輻表面，且不會超出采樣葉片輻寬，必要時需重復步驟I和步驟2 ；
步驟3、葉片輪輻位置及姿態(tài)擺放到位后，對其實施緊固，以確保葉片在高速旋轉過程當中的穩(wěn)定性；
步驟4、擺放紅外相機，確保其避開強光光路，并可完整記錄下待測激光光斑；
步驟5、開啟電機，并根據強光時間采樣率要求設置葉片輪輻轉速；
步驟6、設置紅外相機單幀圖像曝光時間，確保在一個曝光周期內，單根葉片可完成對待測激光光斑的完整掃描；
步驟7、將紅外相機工作模式預設為外觸發(fā)模式，可通過激光二極管及光電接收器或同軸編碼器獲取和記錄采樣葉片的實時位置信息，并向紅外相機發(fā)送觸發(fā)信號；
步驟8、啟動紅外相機，并發(fā)射主激光，完成強光時空分布的采樣和測量。[0019]一種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束采樣轉輪、電控系統(tǒng)和紅外相機組成，支撐架和電控系統(tǒng)安裝在可移動平臺上，驅動裝置和光束采樣轉輪安裝在支撐架上，驅動裝置包括電機、傳動軸和正交軸齒輪傳動裝置，電機與支撐架底端連接集成，傳動軸隱藏在支撐架的中心支柱內，傳動軸上端通過正交軸齒輪傳動裝置將軸向轉換為水平方向驅動光束采樣轉輪，所述的光束采樣轉輪包括多片錐形葉片和輪轂，編碼器安裝在輪轂的軸套上，錐形葉片以輪轂為中心對稱分布，錐形葉片表面均勻噴涂漫反射涂層，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，并發(fā)送同步信號經電控系統(tǒng)放大后觸發(fā)紅外相機，具有相應光譜響應范圍的紅外相機安裝在能夠接受漫反射光并成像的地方。
[0020]上述的可移動平臺包括平臺本體、轉向裝置、千斤頂和輪胎，平臺本體四周安裝4只可調式千斤頂，平臺本體由輪胎支撐，轉向裝置安裝在平臺本體前端。
[0021]上述述的支撐架包括第一旋轉關節(jié)連接件、第二旋轉關節(jié)連接件、滑軌、兩側支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋轉關節(jié)連接件上，第一旋轉關節(jié)連接件兩側套裝在第二旋轉關節(jié)連接件上，第二旋轉關節(jié)連接件安裝固定在兩側支臂上，兩側支臂安裝在滑軌上并可沿滑軌前后滑動。
[0022]上述的每根葉片的位置信息由激光二極管及光電接收器或同軸編碼器獲取和發(fā)送。
[0023]上述的采樣葉片的轉速可調，紅外相機的像素分辨率和光譜響應范圍可調，采樣葉片的輪輻位置和角度可調。
[0024]下面再分別結合各附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明:
如圖1所示的本發(fā)明具體實施例中測量系統(tǒng)的整體結構示意圖，整個測量系統(tǒng)由可移動平臺1、支撐架2、驅動裝置3、光束采樣轉輪4、電控系統(tǒng)5、紅外相機6組成。
[0025]如圖2所示的本發(fā)明實施例原理示意圖，本發(fā)明所提出的強光時空采樣方法是利用電機驅動螺旋漿式葉片高速旋轉，對強光光束進行采樣，通過具有相應光譜響應范圍的紅外相機接收漫反射光并成像，從而得到強光光束的時空分布圖樣。所用測量設備由一可移動平臺裝載，機動靈活。葉片轉動時，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，并發(fā)送同步信號，經電控單元放大后用以觸發(fā)紅外相機。電控單元同時還兼有電機的轉速控制與編碼器輸出信息的接收與解碼功能，它與圖像采集、相機操控等控制單元一起被集成在一電控柜內。
[0026]如圖3所示實施例中的可移動平臺1，用以集成整套測量系統(tǒng)，提高其機動性能。它包括平臺本體、轉向裝置7、千斤頂8和輪胎9 ;平臺本體四周共安裝4只可調式千斤頂8，測量時用以支撐及穩(wěn)固測量裝置；轉向裝置7可用于測量系統(tǒng)擺放位置和擺放角度的粗略調整。
[0027]如圖4所示實施例中的支撐架2，用以支撐驅動裝置3及光束采樣轉輪4 ;它包括第一旋轉關節(jié)連接件10、第二旋轉關節(jié)連接件11、滑軌12、兩側支臂13和中心支柱14，整體可沿滑軌12前后滑動；中心支柱14依靠兩個關節(jié)連接件沿不同方向旋轉可調，可實現光束采樣轉輪4位置和姿態(tài)的精細調整。
[0028]如圖5所示實施例中的驅動裝置3,它包括電機15、傳動軸16和正交軸齒輪傳動裝置17 ；電機15最高轉速達lOOOrps，并與支撐架2底端連接集成，以平衡和配重；傳動軸16隱藏于支撐架2的中心支柱14內，并通過正交軸齒輪傳動裝置17將軸向轉換為水平方向驅動光束米樣轉輪4。
[0029]如圖6所示實施例中的光束采樣轉輪4，它包括6片錐形葉片18和輪轂19，與編碼器20以軸套方式連接。為保證葉片機械性能，其材質基底可采用航空硬鋁，以輪轂19為中心對稱分布，6片葉片總體占空比為5% ;葉片表面可采用火焰噴涂或高速氣流噴涂工藝，均勻噴涂漫反射涂層；編碼器20采用絕對式旋轉編碼器，用以提供光束采樣轉輪葉片的實時位置和速度信息，并發(fā)送同步信號用以觸發(fā)紅外相機。
【權利要求】
1.一種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法，其特征在于:利用放置在高能激光傳輸路徑當中的螺旋漿式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能激光光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光并成像，從而獲得高能激光光束的時空分布圖樣，大部分高能激光能量將透過旋轉葉片，繼續(xù)沿原光路傳播。
2.根據權利要求1所述的基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量方法，其特咋在于:實現過程如下: 步驟1:將表面均勻噴涂有漫反射涂層，呈中心對稱分布的螺旋漿式葉片輪輻放置在強光光路中； 步驟2、利用激光器導引光，調整葉片輪輻的高度與偏轉角度，使得激光垂直入射至輪輻表面，且不會超出采樣葉片輻寬，必要時需重復步驟I和步驟2 ； 步驟3、葉片輪輻位置及姿態(tài)擺放到位后，對其實施緊固，以確保葉片在高速旋轉過程當中的穩(wěn)定性； 步驟4、擺放紅外相機，確保其避開強光光路，并可完整記錄下待測激光光斑； 步驟5、開啟電機，并根據強光時間采樣率要求設置葉片輪輻轉速； 步驟6、設置紅外相機單幀圖像曝光時間，確保在一個曝光周期內，單根葉片可完成對待測激光光斑的完整掃描； 步驟7、將紅外相機工作模式預設為外觸發(fā)模式，可通過激光二極管及光電接收器或同軸編碼器獲取和記錄采樣葉片的 實時位置信息，并向紅外相機發(fā)送觸發(fā)信號； 步驟8、啟動紅外相機，并發(fā)射主激光，完成強光時空分布的采樣和測量。
3.一種基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，其特征在于:由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束采樣轉輪、電控系統(tǒng)和紅外相機組成，支撐架和電控系統(tǒng)安裝在可移動平臺上，驅動裝置和光束采樣轉輪安裝在支撐架上，驅動裝置包括電機、傳動軸和正交軸齒輪傳動裝置，電機與支撐架底端連接集成，傳動軸隱藏在支撐架的中心支柱內，傳動軸上端通過正交軸齒輪傳動裝置將軸向轉換為水平方向驅動光束采樣轉輪，所述的光束采樣轉輪包括多片錐形葉片和輪轂，編碼器安裝在輪轂的軸套上，錐形葉片以輪轂為中心對稱分布，錐形葉片表面均勻噴涂漫反射涂層，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，并發(fā)送同步信號經電控系統(tǒng)放大后觸發(fā)紅外相機，具有相應光譜響應范圍的紅外相機安裝在能夠接受漫反射光并成像的地方。
4.根據權利要求3所述的基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，其特征在于:所述的可移動平臺包括平臺本體、轉向裝置、千斤頂和輪胎，平臺本體四周安裝4只可調式千斤頂，平臺本體由輪胎支撐，轉向裝置安裝在平臺本體前端。
5.根據權利要求3所述的基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，其特征在于:所述的支撐架包括第一旋轉關節(jié)連接件、第二旋轉關節(jié)連接件、滑軌、兩側支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋轉關節(jié)連接件上，第一旋轉關節(jié)連接件兩側套裝在第二旋轉關節(jié)連接件上，第二旋轉關節(jié)連接件安裝固定在兩側支臂上，兩側支臂安裝在滑軌上并可沿滑軌前后滑動。
6.根據權利要求3所述的基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，其特征在于:所述的每根葉片的位置信息由激光二極管及光電接收器或同軸編碼器獲取和發(fā)送。
7.根據權利要求3所述的基于旋轉葉片的漫反射式強光時空采樣測量裝置，其特征在于:所述的采樣葉片的轉速可調，紅外相機的像素分辨率和光譜響應范圍可調，采樣葉片的輪輻位置和角度可調 。
【文檔編號】G01M11/02GK103575386SQ201310516683
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權日:2013年10月28日
【發(fā)明者】楊軼, 張烜喆, 許曉軍, 杜少軍, 陳景春, 王錦龍 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學