一種光束指向控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光器光束控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種光束指向控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型固體激光裝置的光路調(diào)試主要包含對光束位置和光束指向的診斷與控制，通 常以一組對應(yīng)的光束近場、遠場中心坐標，確定光束的位置和指向。近場通常是位于平行光 路中某處，代表光束的位置；遠場位于光路焦面處，代表光束的指向。通常認為實驗所獲得 的激光束近場圖像僅包含光束的位置信息，而不包含光束指向信息，因此，光束位置和指向 信息必須分別從兩幅獨立的近場和遠場圖像中獲取。
[0003] 光束指向信息的診斷一般選用濾波小孔作為基準，常用診斷方法如下：a)采用負 透鏡對激光進行發(fā)散，監(jiān)測遠場位置的小孔成像信息，再將負透鏡推出，采集激光的實際遠 場圖像，處理獲得遠場的形心或質(zhì)心，與小孔圖像中心對比，獲得光束指向的偏差信息；b) 采用在近場位置推入具有周期性結(jié)構(gòu)的器件，如鋼板尺、光柵等，同時采集小孔和光束硬邊 衍射后的圖像，通過對比衍射條紋與小孔中心之間的關(guān)系，獲得光束指向的偏差信息。上述 方法均需要引入輔助的器件或者光學(xué)系統(tǒng)，來實現(xiàn)對光束指向信息的提取。由于光束位置 和指向信息需要分別從近場和遠場圖像中獲取，導(dǎo)致需要配置兩套相應(yīng)的圖像采集系統(tǒng)和 輔助器件（如負透鏡、光柵等），增加成本投入，并且無法實時獲得光束指向信息和位置信 息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，為了解決上述問題，現(xiàn)提出一種實現(xiàn)光束位置信息與 指向信息的實時診斷、減少調(diào)試所需時間、容忍度高、實用性強、適用范圍廣的光束指向控 制方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0006] -種光束指向控制方法，采集光束近場圖像，從所述近場圖像中提取光束指向信 息并將其進行量化，得到光束指向偏差，根據(jù)所述光束指向偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0007] 進一步，所述光束近場圖像的采集方法為：
[0008]由激光源發(fā)射激光光束，所述激光光束穿過含濾波小孔的4f成像系統(tǒng)，將穿過所 述4f成像系統(tǒng)的光束近場圖像成像到激光器的近場測量系統(tǒng)，即得所述光束的近場圖像。
[0009] 進一步，所述光束指向fg息的提取方法為：
[0010] 對所述近場圖像進行傅里葉變換，得到近場二維功率譜密度圖，觀察所述近場二 維功率譜密度圖，得到光束指向信息。
[0011] 進一步，對所述近場二維功率譜密度圖進行觀察的方法為：
[0012] 在所述近場二維功率譜密度圖上呈現(xiàn)一個單圓，此時所述光束經(jīng)過濾波小孔的中 心，即得到所述光束指向信息；
[0013] 在所述近場二維功率譜密度圖上呈現(xiàn)兩個部分重疊的單圓，所述兩個單圓組成一 個套圓，此時所述光束經(jīng)過濾波小孔時，與濾波小孔的中心存在偏差，即得到所述光束指向 信息。
[0014] 進一步，所述兩個單圓分別為4f成像系統(tǒng)的濾波小孔像和其共輒像，所述濾波小 孔像與其共輒像的重疊部分越少，所述光束經(jīng)過濾波小孔時，與濾波小孔中心的偏差越大。
[0015] 進一步，對所述光束指向信息進行量化的方法為：
[0016] 對所述近場二維功率譜密度圖進行二值化處理，量化所述光束在濾波小孔處的光 斑中心與濾波小孔中心的偏差并標記為L，即得到所述光束指向偏差，所述光束的光斑中心 與套圓的重合部分中心重合，所述濾波小孔的中心與濾波小孔像的中心重合。
[0017] 進一步，所述偏差L分解成X軸方向的偏差ΔΧ和Y軸方向的偏差ΔΥ，所述兩個 單圓的圓心連接線與X軸的夾角標記為9，則所述ΔX=L*cosθ，ΔY=L*sinΘ。
[0018] 進一步，所述偏差L與單圓的直徑D、兩個單圓的最遠距離S匹配，上
[0019] 進一步，根據(jù)所述光束指向偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制：
[0020] 根據(jù)X軸和Y軸方向的偏差，調(diào)節(jié)激光器內(nèi)反射鏡的姿態(tài)，調(diào)節(jié)光束指向，以縮小 光束指向偏差，實現(xiàn)對光束指向閉環(huán)控制。
[0021] 進一步，所述激光器的設(shè)計標準偏差標記為L'，所述反射鏡設(shè)置在電動鏡架上， 通過控制所述電動鏡架的電機調(diào)節(jié)反射鏡的姿態(tài)，具體調(diào)節(jié)方法為：
[0022] (1)反射鏡調(diào)節(jié)指向信息的系數(shù)標定
[0023] 將所述電機在水平方向和垂直方向，分別移動一步，由所述激光源發(fā)射激光光束， 利用所述近場測量系統(tǒng)采集光束的近場圖像，并進行傅里葉變換，得到近場二維功率譜密 度圖，量化指向偏差L1、ΔΧ1和ΔΥ1，即完成反射鏡調(diào)節(jié)指向信息的系數(shù)標定；
[0024] (2)計算電機移動步數(shù)
[0025] 將ΔΧ與ΔΧ1、ΔΥ與ΔΥ1進行比較，所述反射鏡在水平方向、垂直方向的移動步 數(shù)分別為nl、n2,貝1
[0026] (3)將所述電機在水平方向移動nl步，在垂直方向移動n2步，采集光束的近場圖 像并量化偏差L2、ΔX2和ΔY2 ;
[0027](4)將L#L'進行比較，若L2<L'，則完成光束指向閉環(huán)控制過程；若L2> U，則重復(fù)進行步驟（2)至（3)，直至LSL'，完成光束指向閉環(huán)控制過程。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 1、本發(fā)明只需要采集光束近場圖像，就可以獲得光束指向信息，實現(xiàn)光束指向信 息的實時診斷。
[0030] 2、本發(fā)明只需要對一幅光束圖像進行數(shù)據(jù)處理，降低了光路調(diào)試過程中的配置成 本及光路設(shè)計的復(fù)雜性，有效減少調(diào)試所需時間。
[0031] 3、本發(fā)明利用光束的近場二維功率譜密度圖，實現(xiàn)光束指向閉環(huán)控制，不受光束 近場調(diào)制度、圖像質(zhì)量、波前畸變等因素的影響，容忍度高，實用性強。
[0032] 4、本發(fā)明可以有效解決光束動態(tài)波前傾斜測量、光束測量系統(tǒng)調(diào)試、主光路過孔 問題判斷等光路調(diào)試問題，適用范圍廣。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的近場二維功率譜密度圖的量化原理圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明的光束出現(xiàn)明顯調(diào)制的近場圖像；
[0035] 圖3是本發(fā)明的光束出現(xiàn)明顯調(diào)制近場圖像的二維功率譜密度圖；
[0036] 圖4是本發(fā)明的光束出現(xiàn)卡光現(xiàn)象的近場圖像；
[0037] 圖5是本發(fā)明的光束出現(xiàn)卡光現(xiàn)象近場圖像的二維功率譜密度圖；
[0038] 其中，圖2、圖4中橫、縱坐標均表示近場圖像的尺寸；
[0039] 圖3、圖5中橫、縱坐標均表示空間頻率。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對 本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，基于本申請中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在 沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護的范圍。
[0041] 實施例一：
[0042] 如圖1所示，一種光束指向控制方法，包括采集光束近場圖像，從所述近場圖像中 提取光束指向信息并將其進行量化，得到光束指向偏差，根據(jù)所述光束指向偏差，實現(xiàn)閉環(huán) 控制。
[0043] 具體控制過程包括以下步驟：
[0044] (1)由激光源發(fā)射激光光束，所述激光光束穿過含濾波小孔的4f成像系統(tǒng)，將穿 過所述4f成像系統(tǒng)的光束近場圖像成像到激光器的近場測量系統(tǒng)，由所述近場測量系統(tǒng) 的電荷藕合器件圖像傳感器（ChargeCoupledDevice，簡稱(XD)采集圖像，即得所述光束 的近場圖像；
[0045] (2)對所述近場圖像進行傅里葉變換，得到近場二維功率譜密度圖，觀察所述近場 二維功率譜密度圖，得到光束指向信息；
[0046] 所述光束經(jīng)過濾波小孔的中心時，在所述近場二維功率譜密度圖上呈現(xiàn)一個單 圓，不需要進行光束指向控制；
[0047] 所述光束經(jīng)過濾波小孔時與濾波小孔的中心存在偏差時，在所述近場二維功率譜 密度圖上呈現(xiàn)兩個部分重疊的單圓，所述兩個單圓組成一個套圓，所述兩個單圓的圓心分 別記為A、B，且分別為4f成像系統(tǒng)的濾波小孔像和其共輒像，單圓的直徑為D，所述兩個單 圓組成一個套圓，所述套圓的重合部分中心記為C，圓心A和圓心B的連接線與X軸的夾角 記為Θ，即得到所述光束指向信息；
[0048] (3)對所述近場二維功率譜密度圖進行二值化處理，量化所述光束在濾波小孔處 的光斑中心與濾波小孔中心的偏差并標記為L，即得到所述光束指向偏差，所述光束的光斑 中心與套圓的重合部分中心C重合，所述濾波小孔的中心與濾波小孔像的圓心A重合，所述 中心C到圓心A、圓心B之間的距離相等，所述距離即為偏差L，所述兩個單圓的最遠距離記 為S;
[0049]所述偏差L分解成X軸方向的偏差ΔX和Y軸方向的偏差ΔY，所述兩個單圓的圓 心連接線與X軸的夾角標記為Θ，則所述ΔΧ=L*cosθ，ΔY=L*sinΘ，且
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