CN111795802A - 光束取样器角度特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

光束取样器角度特性测量装置及方法，装置包括按照光路依次设置的激光器、激光处理组件、取样器、激光测量组件，所述取样器和激光测量组件模块通过二维移动平台设置在转盘上，光路位于转盘圆心的正上方。本发明通过转盘改变取样器激光接收角度，在改变过程中保证光路始终经过取样器的中心，从而使得激光测量组件获得的值更加准确，从而获得更加准确的获得角度特性。

Description

光束取样器角度特性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光光束取样的领域，尤其涉及光束取样器角度特性测量装置及方法。

背景技术

激光在大气等介质中传输，由于与传输介质的相互作用，实际应用中需要对输出激光特性参数进行测量，获取激光光斑尺寸、光束质量、质心漂移等参数，用于分析激光的大气传输效应和评价激光系统控制能力、跟踪瞄准能力等。在激光束测量过程中，首先需要对待测激光束进行空间取样，但现有取样技术主要缺点在于测量具有角度敏感性。

发明内容

为了解决激光入射角度改变后，取样光斑的强度值也会改变，进而引入测量不确定度的问题，本发明提供光束取样器角度特性测量装置及方法。

光束取样器角度特性测量装置，包括按照光路依次设置的激光器、激光处理组件、取样器、激光测量组件，所述取样器和激光测量组件模块通过二维移动平台设置在转盘上，光路位于转盘圆心的正上方。

使用上述的光束取样器角度特性测量装置的方法，包括以下步骤：

S1、调节取样器的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方，并调节光路；

S2、转动转盘角度，改变取样器接收角度；

S3、激光测量组件在不同角度下的测量值；

S4、汇总不同角度与对应的测量值获得曲线，得出角度特性。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过转盘改变取样器激光接收角度，在改变过程中保证入射激光始终经过取样器的同一位置，从而使得激光测量组件获得的值更加准确，从而获得更加准确的角度特性。

(2)本发明采用两种光束取样器角度特性测量装置和对应的方法，一种是采用功率计直接测量透过取样器的激光强度；另一种是基于相机成像，将相机采集到的图像信息通过数据处理系统转化为探测单元响应值，最后得出透过取样器测量到的激光强度与激光入射角度的关系，即其角度特性。

(3)功率计直接测量法直接简便，测得是实际功率值，不需经过数据处理换算。

(4)扩束镜的作用是将入射激光扩束成均匀区域相对大的光束，因为若实验激光光斑高斯分布较为尖锐，那么在光路对准时偏移的小角度便会引起较大的测量误差。为了减小实验误差，实验中使用扩束镜将入射激光束扩成均匀区域分布相对较大的光斑，同时也可以降低人为对准、手动加持元器件的操作精度要求。

附图说明

图1为光束取样器角度特性测量装置第一种方案的系统结构图；

图2为光束取样器角度特性测量装置第二种方案的系统结构图；

图3为相机拍摄的光斑图；

图4为处理后的光斑图像；

图5光束取样器角度特性测量装置为第一种方案时对应的方法流程图；

图6光束取样器角度特性测量装置为第二种方案时对应的方法流程图。

图中标注符号的含义如下：

1-激光器 2-扩束镜 3-小孔光阑 4-取样器

5-拟探测单元靶面孔 6-功率计

7-成像屏 8-相机 9-转盘 10-数据处理系统

具体实施方式

实施例1

如图1所示，光束取样器角度特性测量装置，包括按照光路依次设置的激光器1、激光处理组件、取样器4、激光测量组件，所述取样器4和激光测量组件模块通过二维移动平台设置在转盘9上，光路位于转盘9圆心的正上方。

所述激光测量组件包括依次设置的拟探测单元靶面孔5、功率计6。功率计6与取样器的安装距离要求与实际探测单元与取样器距离相同。

所述激光处理组件包括沿光路依次设置的扩束镜2、小孔光阑3。所述小孔光阑3为可变光阑。

本实施例通过转盘9转动改变取样器4激光接收角度，读取不同接收角度下的功率计6示数，获取取样器4的功率测量值与角度的特性曲线。功率计6直接测量法直接简便，测得是实际功率值，不需经过数据处理换算。

实施例2

如图2所示，光束取样器角度特性测量装置，包括按照光路依次设置的激光器1、激光处理组件、取样器4、激光测量组件，所述取样器4和激光测量组件模块通过二维移动平台设置在转盘9上，光路位于转盘9圆心的正上方。

所述激光测量组件包括依次设置的成像屏7、相机8，还包括与相机8连接的数据处理系统10。

所述激光处理组件包括沿光路依次设置的扩束镜2、小孔光阑3。

成像屏7的位置就是实际探测单元的测量位置，由数据处理系统10对相机8采集到的数据进行分析。

实施例3

如图5所示，使用实施例1所述的光束取样器角度特性测量装置的方法，包括以下步骤：

S1、调节取样器4的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方，并调节光路内所有部件；

调节取样器4的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方的具体步骤如下所述：

S111、安装激光器1和转盘9时，保证入射激光光轴经过转盘9的圆心正上方；

S112、将取样器4、激光测量组件安装在二维移动平台上，打开激光光源，通过调节激光处理组件中的小孔光阑3，使从小孔光阑3中发出的光斑大小应为中心较为均匀的区域，且所述区域足以覆盖取样器4的一个取样孔但不足以覆盖两个取样孔；

S113、移动二维移动平台中垂直于光轴方向的第二滑轨，使得光斑对准取样器4第一散射面的一个取样孔；

S114、转动转盘9，观察光斑是否还覆盖同一取样孔，如果光斑射到取样孔外，则调节二维移动平台中与光轴方向平行的第一滑轨，使得光斑再次覆盖该取样孔；转动转盘9的角度范围是0-180°。

S115、重复步骤S113和步骤S114，调整直到转动转盘9第一设定范围内，光斑的位置在误差范围内移动，则表示已经调好圆心位置，即取样器4第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘9圆心正上方。

S2、转动转盘9角度，改变取样器4接收角度；

S3、激光测量组件在不同角度下的测量值；测量值即为功率值。

S4、汇总不同角度与对应的测量值获得曲线，得出角度特性。

实施例4

如图6所示，使用实施例2所述的光束取样器角度特性测量装置的方法，包括以下步骤：

S1、调节取样器4的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方，并调节光路内所有部件；其中调节取样器4的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方的具体步骤如实施例3所示，调节光路中还包括调节激光测量组件的步骤，具体如下：

S121、调焦，将相机8对焦成像屏7位置，读出此时的标尺数据；将相机8采集到的光斑图像按照像素标尺pixel/mm进行换算。

S122、设置相机8采集参数；选取相机8网格化处理的像素框模拟实际用探测单元靶面，与拟探测单元靶面孔5的大小相同。将每个像素框作为可能的探测单元靶面。

S123、在测量所需的曝光时间下实时生成环境背景。

S2、转动转盘9角度，改变取样器4接收角度；

S3、激光测量组件在不同角度下的测量值；测量值即为光斑图像信息。

S4、汇总不同角度与对应的测量值获得曲线，得出角度特性。针对数据处理系统10汇总不同角度对应的光斑图像信息，得到取样器4角度特性曲线。具体为：统计每个像素框内的相机8响应平均值，将相机8采集的图像信息转化为单个探测单元响应值。选取相机8采集靶面中心位置的像素框，其响应值作为探测单元的强度值P_out，计算公式为：

式中，S_D为探测单元有效感光面积，mean为均值函数，ADU为相机8每个像素点的响应值。经过上述处理后得到的光斑图如图4所示，

由于探测单元会响应探测靶面区域内功率密度的最大值，所以我们选取中心像素框数值作为探测单元响应值，改变激光接收角后，依旧选取同一位置的响应值作为该角度下的强度值，得到测量激光强度值与接收角度的特性曲线，即为取样器角度特性曲线。相机8成像法测量以图像的方式记录，较为直观，后期数据处理时可根据不同探测单元靶面尺寸选取像素框，通过设置数据处理软件参数，得出不同规格的探测单元靶面角度特性，更具灵活性和适应性。

实验光路中成像屏7的位置就是探测单元的位置，相机8拍摄到的成像屏7上的光斑就是探测单元取样响应的光斑。相机8拍摄到的成像屏7上光斑如图4所示，图像的尺寸大小是由采集软件决定的，探测单元靶面的大小就是探测单元的感光面，因此需要对采集的数据进行转化处理。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.光束取样器角度特性测量装置，其特征在于，包括按照光路依次设置的激光器(1)、激光处理组件、取样器(4)、激光测量组件，所述取样器(4)和激光测量组件模块通过二维移动平台设置在转盘(9)上，光路位于转盘(9)圆心的正上方。

2.根据权利要求1所述的光束取样器角度特性测量装置，其特征在于，所述激光测量组件包括依次设置的拟探测单元靶面孔(5)、功率计(6)。

3.根据权利要求1所述的光束取样器角度特性测量装置，其特征在于，所述激光测量组件包括依次设置的成像屏(7)、相机(8)，还包括与相机(8)连接的数据处理系统(10)。

4.根据权利要求1所述的光束取样器角度特性测量装置，其特征在于，所述激光处理组件包括沿光路依次设置的扩束镜(2)、小孔光阑(3)。

5.使用权利要求1所述的光束取样器角度特性测量装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调节取样器(4)的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方，并调节光路内所有部件；

S2、转动转盘(9)角度，改变取样器(4)接收角度；

S3、激光测量组件在不同角度下的测量值；

S4、汇总不同角度与对应的测量值获得曲线，得出角度特性。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述激光测量组件包括依次设置的拟探测单元靶面孔(5)、功率计(6)时，步骤S3的测量值为功率值。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述激光测量组件包括依次设置的成像屏(7)、相机(8)时，在步骤S1中，调节光路具体包括以下步骤：

S121、调焦，将相机(8)对焦成像屏(7)位置，读出此时的标尺数据；

S122、设置相机(8)采集参数；

S123、在测量所需的曝光时间下实时生成环境背景。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S3中测量值为光斑图像信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S4具体为：针对数据处理系统(10)汇总不同角度对应的光斑图像信息，得到取样器(4)角度特性曲线。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，调节与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方的具体步骤如下所述：

S111、安装激光器(1)和转盘(9)时，保证入射激光光轴经过转盘(9)的圆心正上方；

S112、将取样器(4)、激光测量组件安装在二维移动平台上，打开激光光源，通过调节激光处理组件中的小孔光阑(3)，使从小孔光阑(3)中发出的光斑大小应为中心较为均匀的区域，且所述区域足以覆盖取样器(4)的一个取样孔但不足以覆盖两个取样孔；

S113、移动二维移动平台中垂直于光轴方向的第二滑轨，使得光斑对准取样器(4)第一散射面的一个取样孔；

S114、转动转盘(9)，观察光斑是否还覆盖同一取样孔，如果光斑射到取样孔外，则调节二维移动平台中与光轴方向平行的第一滑轨，使得光斑再次覆盖该取样孔；

S115、重复步骤S113和步骤S114，调整直到转动转盘(9)道第一设定范围内，光斑的位置在误差范围内移动，则表示已经调好圆心位置，即取样器(4)的第一散射面与入射激光光轴的交点在转盘圆心正上方。

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