基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法及装置制造方法
【专利摘要】一种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法及装置，由可移动平台、支撑架、驱动装置、光束采样转轮、电控系统和红外相机组成，本发明利用放置在高能激光传输路径当中的螺旋浆式高速旋转叶片，对穿越其中的高能激光光束实施漫反射，由红外相机接收漫反射光并成像，从而获得高能激光光束的时空分布图样，大部分高能激光能量将透过旋转叶片，继续沿原光路传播。本发明避免传统测量方法中激光辐照面因强光驻留时间过长而造成的灼伤，有效提高了强光采样的时间分辨率，获取高分辨率的光斑图像，机动性能好，后续整改简单易行。
【专利说明】基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种强光时空分布参数的测量方法及装置，尤其是一种利用高速旋转漫反射叶片对强光实施采样的在线监测方法及装置。
【背景技术】
[0002]强激光在大气传输过程中，受到湍流、热晕和消光等大气效应的影响，远场光斑分布相对于激光器出口有较大变化。准确测量高能激光光束的远场功率密度时空分布，获取激光光束质量、质心漂移等重要参数，已经成为分析高能激光的大气传输效应和评价高能激光系统性能指标的必要手段。
[0003]传统的高能激光时空分布测量方式如烧蚀法、基于面阵采样器件的CCD法、光电/光热探测器阵列法等，皆通过接收全部入射激光能量对光斑进行采样和分析，光束接收采样材料需要具有很强的耐高温能力；同时，这样使得激光辐照效应试验和强光大气传输效应测量试验相分离，无法实时的、直观的将高能激光辐照效应与光束到靶特性、大气条件等相关参数进行比对和关联。为了提高试验效率，减少试验开支，降低高能激光系统在设计、评估和决策中的风险和成本，发展和研制出有效的强光时空分布在线测量方法及装置，成为高能激光测试技术发展的必然趋势。侯再红等(强激光与粒子束，2002年第3期)改良固定面阵式传感器光斑测量法，用77个传感器排列成十字形线阵，以此线阵为半径旋转对激光光束采样，完成对激光光斑的探测。该方法将不会完全阻挡激光传播，但需设计复杂而精密的机械结构和电路系统，且因受制于单元传感器排列密集程度，采样空间分辨率仍然较低。陈绍武等(强激光与粒子束，2006年第10期)采用一只与入射激光轴线偏心安装的高速旋转的45°斜面环形光刀对光束实施反射取样，探测单元(包括光衰减片、光纤、探测器等)阵列沿光刀反射光路圆周均匀分布，光刀每转动一周，通过复原和计算探测器的响应信号，便得到一帧完整光斑的时空分布图样。该方法使得绝大部分光穿过光刀并沿原光路无扰动传播，成功实现了对强光时空分布的在线监测，但它同样系统设计复杂，体积庞大，使用时拆装多有不便，且因受制于光刀机械转速，采样时间分辨率较低。上述两种激光时空分布测量方法均基于特定单元探测器，只能测量特定光谱响应范围内波长的激光光束，系统设计制造固化后的整改难度大，成本高昂，因而测量设备的后续扩展利用存在一定局限性。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:解决上述现有技术存在的问题，而提供一种系统设计相对简单、使用方便的基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法及装置，避免传统测量方法中激光辐照面因强光驻留时间过长而造成灼伤，有效提高了强光采样的时间分辨率，获取的光斑图像分辨率高，机动性能好，后续整改简单易行。
[0005]本发明采用的技术方案是:
一种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法，利用放置在高能激光传输路径当中的螺旋衆式高速旋转叶片，对穿越其中的高能激光光束实施漫反射，由红外相机接收漫反射光并成像，从而获得高能激光光束的时空分布图样，大部分高能激光能量将透过旋转叶片，继续沿原光路传播。
[0006]上述基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法的实现过程如下:
步骤1:将表面均匀喷涂有漫反射涂层，呈中心对称分布的螺旋浆式叶片轮辐放置在强光光路中；
步骤2、利用激光器导引光，调整叶片轮辐的高度与偏转角度，使得激光垂直入射至轮辐表面，且不会超出采样叶片辐宽，必要时需重复步骤I和步骤2 ；
步骤3、叶片轮辐位置及姿态摆放到位后，对其实施紧固，以确保叶片在高速旋转过程当中的稳定性；
步骤4、摆放红外相机，确保其避开强光光路，并可完整记录下待测激光光斑；
步骤5、开启电机，并根据强光时间采样率要求设置叶片轮辐转速；
步骤6、设置红外相机单帧图像曝光时间，确保在一个曝光周期内，单根叶片可完成对待测激光光斑的完整扫描；
步骤7、将红外相机工作模式预设为外触发模式，可通过激光二极管及光电接收器或同轴编码器获取和记录采样叶片的实时位置信息，并向红外相机发送触发信号；
步骤8、启动红外相机，并发射主激光，完成强光时空分布的采样和测量。
[0007]—种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，由可移动平台、支撑架、驱动装置、光束采样转轮、电控系统和红外相机组成，支撑架和电控系统安装在可移动平台上，驱动装置和光束采样转轮安装在支撑架上，驱动装置包括电机、传动轴和正交轴齿轮传动装置，电机与支撑架底端连接集成，传动轴隐藏在支撑架的中心支柱内，传动轴上端通过正交轴齿轮传动装置将轴向转换为水平方向驱动光束采样转轮，所述的光束采样转轮包括多片锥形叶片和轮毂，编码器安装在轮毂的轴套上，锥形叶片以轮毂为中心对称分布，锥形叶片表面均匀喷涂漫反射涂层，编码器实时记录每根叶片的位置信息，并发送同步信号经电控系统放大后触发红外相机，具有相应光谱响应范围的红外相机安装在能够接受漫反射光并成像的地方。
[0008]上述技术方案中，所述的可移动平台包括平台本体、转向装置、千斤顶和轮胎，平台本体四周安装4只可调式千斤顶，平台本体由轮胎支撑，转向装置安装在平台本体前端。
[0009]上述技术方案中，所述的支撑架包括第一旋转关节连接件、第二旋转关节连接件、滑轨、两侧支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋转关节连接件上，第一旋转关节连接件两侧套装在第二旋转关节连接件上，第二旋转关节连接件安装固定在两侧支臂上，两侧支臂安装在滑轨上并可沿滑轨前后滑动。
[0010]上述技术方案中，所述的每根叶片的位置信息由激光二极管及光电接收器或同轴编码器获取和发送。
[0011]上述技术方案中，所述的采样叶片的转速可调，红外相机的像素分辨率和光谱响应范围可调，采样叶片的轮辐位置和角度可调。
[0012]本发明的显著技术效果:
1、本发明提出了一种在线式强光时空采样测量方法，它借助低占空比的旋转叶片对强光进行时空采样，使得强光大部分能量可透过测量装置，继续沿原光路传播，同时很大程度上避免了传统测量方法中激光辐照面因强光驻留时间过长而造成的灼伤。[0013]2、本发明所采用的多条叶片斩波扫描采样方法，有效的提高了强光采样的时间分辨率；并可通过选用高分辩率红外相机，来获取高分辨率的光斑图像。
[0014]3、本发明提出的测量装置，设计制造相对简单，机动性能好，使用方便；其后续整改简单易行，只需安装不同光谱响应范围的红外相机，便可实现不同波长的强光时空采样测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明具体实施例中测量装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例原理示意图；
图3为实施例中可移动平台结构示意图；
图4为支撑架结构示意图；
图5为驱动装置结构局部剖视图；
图6为光束采样转轮装配示意图；
图7为具体实施例中采样测量的光斑采样图。
[0016]附图标注说明:
1-可移动平台，2-支撑架，3-驱动装置，4-光束采样转轮，5-电控系统，6-红外相机，7-转向装置，8-千斤顶，9-轮胎，10-第一旋转关节连接件，11-第二旋转关节连接件，12-滑轨，13-两侧支臂，14-中心支柱，15-电机，16-传动轴，17-正交轴齿轮传动装置，18-锥形叶片，19-轮毂，20-编码器。
【具体实施方式】
[0017]一种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法，利用放置在高能激光传输路径当中的螺旋衆式高速旋转叶片，对穿越其中的高能激光光束实施漫反射，由红外相机接收漫反射光并成像，从而获得高能激光光束的时空分布图样，大部分高能激光能量将透过旋转叶片，继续沿原光路传播。
[0018]上述基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法的实现过程如下:
步骤1:将表面均匀喷涂有漫反射涂层，呈中心对称分布的螺旋浆式叶片轮辐放置在强光光路中；
步骤2、利用激光器导引光，调整叶片轮辐的高度与偏转角度，使得激光垂直入射至轮辐表面，且不会超出采样叶片辐宽，必要时需重复步骤I和步骤2 ；
步骤3、叶片轮辐位置及姿态摆放到位后，对其实施紧固，以确保叶片在高速旋转过程当中的稳定性；
步骤4、摆放红外相机，确保其避开强光光路，并可完整记录下待测激光光斑；
步骤5、开启电机，并根据强光时间采样率要求设置叶片轮辐转速；
步骤6、设置红外相机单帧图像曝光时间，确保在一个曝光周期内，单根叶片可完成对待测激光光斑的完整扫描；
步骤7、将红外相机工作模式预设为外触发模式，可通过激光二极管及光电接收器或同轴编码器获取和记录采样叶片的实时位置信息，并向红外相机发送触发信号；
步骤8、启动红外相机，并发射主激光，完成强光时空分布的采样和测量。[0019]一种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，由可移动平台、支撑架、驱动装置、光束采样转轮、电控系统和红外相机组成，支撑架和电控系统安装在可移动平台上，驱动装置和光束采样转轮安装在支撑架上，驱动装置包括电机、传动轴和正交轴齿轮传动装置，电机与支撑架底端连接集成，传动轴隐藏在支撑架的中心支柱内，传动轴上端通过正交轴齿轮传动装置将轴向转换为水平方向驱动光束采样转轮，所述的光束采样转轮包括多片锥形叶片和轮毂，编码器安装在轮毂的轴套上，锥形叶片以轮毂为中心对称分布，锥形叶片表面均匀喷涂漫反射涂层，编码器实时记录每根叶片的位置信息，并发送同步信号经电控系统放大后触发红外相机，具有相应光谱响应范围的红外相机安装在能够接受漫反射光并成像的地方。
[0020]上述的可移动平台包括平台本体、转向装置、千斤顶和轮胎，平台本体四周安装4只可调式千斤顶，平台本体由轮胎支撑，转向装置安装在平台本体前端。
[0021]上述述的支撑架包括第一旋转关节连接件、第二旋转关节连接件、滑轨、两侧支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋转关节连接件上，第一旋转关节连接件两侧套装在第二旋转关节连接件上，第二旋转关节连接件安装固定在两侧支臂上，两侧支臂安装在滑轨上并可沿滑轨前后滑动。
[0022]上述的每根叶片的位置信息由激光二极管及光电接收器或同轴编码器获取和发送。
[0023]上述的采样叶片的转速可调，红外相机的像素分辨率和光谱响应范围可调，采样叶片的轮辐位置和角度可调。
[0024]下面再分别结合各附图，对本发明作进一步详细说明:
如图1所示的本发明具体实施例中测量系统的整体结构示意图，整个测量系统由可移动平台1、支撑架2、驱动装置3、光束采样转轮4、电控系统5、红外相机6组成。
[0025]如图2所示的本发明实施例原理示意图，本发明所提出的强光时空采样方法是利用电机驱动螺旋浆式叶片高速旋转，对强光光束进行采样，通过具有相应光谱响应范围的红外相机接收漫反射光并成像，从而得到强光光束的时空分布图样。所用测量设备由一可移动平台装载，机动灵活。叶片转动时，编码器实时记录每根叶片的位置信息，并发送同步信号，经电控单元放大后用以触发红外相机。电控单元同时还兼有电机的转速控制与编码器输出信息的接收与解码功能，它与图像采集、相机操控等控制单元一起被集成在一电控柜内。
[0026]如图3所示实施例中的可移动平台1，用以集成整套测量系统，提高其机动性能。它包括平台本体、转向装置7、千斤顶8和轮胎9 ;平台本体四周共安装4只可调式千斤顶8，测量时用以支撑及稳固测量装置；转向装置7可用于测量系统摆放位置和摆放角度的粗略调整。
[0027]如图4所示实施例中的支撑架2，用以支撑驱动装置3及光束采样转轮4 ;它包括第一旋转关节连接件10、第二旋转关节连接件11、滑轨12、两侧支臂13和中心支柱14，整体可沿滑轨12前后滑动；中心支柱14依靠两个关节连接件沿不同方向旋转可调，可实现光束采样转轮4位置和姿态的精细调整。
[0028]如图5所示实施例中的驱动装置3,它包括电机15、传动轴16和正交轴齿轮传动装置17 ；电机15最高转速达lOOOrps，并与支撑架2底端连接集成，以平衡和配重；传动轴16隐藏于支撑架2的中心支柱14内，并通过正交轴齿轮传动装置17将轴向转换为水平方向驱动光束米样转轮4。
[0029]如图6所示实施例中的光束采样转轮4，它包括6片锥形叶片18和轮毂19，与编码器20以轴套方式连接。为保证叶片机械性能，其材质基底可采用航空硬铝，以轮毂19为中心对称分布，6片叶片总体占空比为5% ;叶片表面可采用火焰喷涂或高速气流喷涂工艺，均匀喷涂漫反射涂层；编码器20采用绝对式旋转编码器，用以提供光束采样转轮叶片的实时位置和速度信息，并发送同步信号用以触发红外相机。
【权利要求】
1.一种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法，其特征在于:利用放置在高能激光传输路径当中的螺旋浆式高速旋转叶片，对穿越其中的高能激光光束实施漫反射，由红外相机接收漫反射光并成像，从而获得高能激光光束的时空分布图样，大部分高能激光能量将透过旋转叶片，继续沿原光路传播。
2.根据权利要求1所述的基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量方法，其特咋在于:实现过程如下: 步骤1:将表面均匀喷涂有漫反射涂层，呈中心对称分布的螺旋浆式叶片轮辐放置在强光光路中； 步骤2、利用激光器导引光，调整叶片轮辐的高度与偏转角度，使得激光垂直入射至轮辐表面，且不会超出采样叶片辐宽，必要时需重复步骤I和步骤2 ； 步骤3、叶片轮辐位置及姿态摆放到位后，对其实施紧固，以确保叶片在高速旋转过程当中的稳定性； 步骤4、摆放红外相机，确保其避开强光光路，并可完整记录下待测激光光斑； 步骤5、开启电机，并根据强光时间采样率要求设置叶片轮辐转速； 步骤6、设置红外相机单帧图像曝光时间，确保在一个曝光周期内，单根叶片可完成对待测激光光斑的完整扫描； 步骤7、将红外相机工作模式预设为外触发模式，可通过激光二极管及光电接收器或同轴编码器获取和记录采样叶片的 实时位置信息，并向红外相机发送触发信号； 步骤8、启动红外相机，并发射主激光，完成强光时空分布的采样和测量。
3.一种基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，其特征在于:由可移动平台、支撑架、驱动装置、光束采样转轮、电控系统和红外相机组成，支撑架和电控系统安装在可移动平台上，驱动装置和光束采样转轮安装在支撑架上，驱动装置包括电机、传动轴和正交轴齿轮传动装置，电机与支撑架底端连接集成，传动轴隐藏在支撑架的中心支柱内，传动轴上端通过正交轴齿轮传动装置将轴向转换为水平方向驱动光束采样转轮，所述的光束采样转轮包括多片锥形叶片和轮毂，编码器安装在轮毂的轴套上，锥形叶片以轮毂为中心对称分布，锥形叶片表面均匀喷涂漫反射涂层，编码器实时记录每根叶片的位置信息，并发送同步信号经电控系统放大后触发红外相机，具有相应光谱响应范围的红外相机安装在能够接受漫反射光并成像的地方。
4.根据权利要求3所述的基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，其特征在于:所述的可移动平台包括平台本体、转向装置、千斤顶和轮胎，平台本体四周安装4只可调式千斤顶，平台本体由轮胎支撑，转向装置安装在平台本体前端。
5.根据权利要求3所述的基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，其特征在于:所述的支撑架包括第一旋转关节连接件、第二旋转关节连接件、滑轨、两侧支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋转关节连接件上，第一旋转关节连接件两侧套装在第二旋转关节连接件上，第二旋转关节连接件安装固定在两侧支臂上，两侧支臂安装在滑轨上并可沿滑轨前后滑动。
6.根据权利要求3所述的基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，其特征在于:所述的每根叶片的位置信息由激光二极管及光电接收器或同轴编码器获取和发送。
7.根据权利要求3所述的基于旋转叶片的漫反射式强光时空采样测量装置，其特征在于:所述的采样叶片的转速可调，红外相机的像素分辨率和光谱响应范围可调，采样叶片的轮辐位置和角度可调 。
【文档编号】G01M11/02GK103575386SQ201310516683
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】杨轶, 张烜喆, 许晓军, 杜少军, 陈景春, 王锦龙 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学