高精度星载激光发射机性能综合测试系统

摘要

本发明采用离轴抛物镜和CCD实现He‑Ne光正入射基准镜的高精度标校，同时获得激光发射机光轴与He‑Ne光光轴的相对方位信息，引出激光发射机光轴，排除环境扰动对指向抖动测试的影响，同时采用楔角3°的楔形镜替代衰减片，避免引入光束畸变和像差，提高激光发射机空域性能测试的精度；利用空域性能测试使用的离轴抛物镜和楔形镜会聚并衰减激光，采用积分球匀化光强后，经光纤与能量计连接，避免环境扰动、能量计光敏面不均匀和温升对能量测试的影响，提高能量测试精度；通过光纤将积分球匀化后的激光分别与时域测试单元和频域测试单元连接，避免反射光与杂散光对时域和频域测试的干扰，提高时域、频域性能测试精度，同时测试过程简单。

权利要求

1.一种高精度星载激光发射机性能综合测试系统，其特征在于，包括：基准镜(1)，设置在激光发射机(22)上；

楔形镜一(5)，反射激光发射机(22)发出的被测激光；

楔形镜二(6)，反射经楔形镜一(5)反射的被测激光；

离轴抛物镜(7)，反射经楔形镜二(6)反射的被测激光；

楔形镜三(8)，透射并反射经离轴抛物镜(7)反射的被测激光；

CCD相机(9)，接受经楔形镜三(8)反射的部分被测激光；

积分球(10)，接受经楔形镜三(8)透射的部分被测激光；

测试设备，光纤连接积分球(10)，测试经积分球(10)匀化的被测激光的性能参数；

计算机(2)，连接测试设备和CCD相机(9)，分析所述测试设备和CCD(9)采集到的数据信息；

He-Ne激光器(16)，发射He-Ne激光；

半反半透镜(18)，接受所述He-Ne激光并分成两部分：一部分反射光透过楔形镜一(5)照射到基准镜(1)上，经基准镜(1)反射与被测激光共同经过楔形镜一(5)、楔形镜二(6)、离轴抛物镜(7)和楔形镜三(8)反射，照射到焦平面上放置的CCD相机(9)上；另一部分透射光经过反射镜反射，入射到楔形镜一(5)上，经过楔形镜二(6)、离轴抛物镜(7)和楔形镜三(8)反射后在CCD相机(9)上成像。

2.根据权利要求1所述的高精度星载激光发射机性能综合测试系统，其特征在于，楔形镜的楔角为3°。

3.根据权利要求1所述的高精度星载激光发射机性能综合测试系统，其特征在于，所述测试设备包括与积分球光纤连接的激光能量计(11)、光电探测器(12)、光谱仪(14)以及与光电探测器(12)连接的示波器(13)；激光能量计(11)、示波器(13)、光谱仪(14)与计算机(2)通过信号电缆连接。

4.根据权利要求1所述的高精度星载激光发射机性能综合测试系统，其特征在于，通过调节使得入射至离轴抛物镜(7)的两束He-Ne激光在CCD相机(9)上光斑重合。

5.根据权利要求1所述的高精度星载激光发射机性能综合测试系统，其特征在于，He-Ne激光器(16)发射的He-Ne激光，经扩束镜(17)后入射到半反半透镜(18)，由半反半透镜(18)分成两部分。

6.根据权利要求1所述的高精度星载激光发射机性能综合测试系统，其特征在于，以He-Ne激光出射光线为基准线，楔形镜一(5)、楔形镜二(6)和楔形镜三(8)与基准线呈-15°夹角，离轴抛物镜(7)光轴方向和CCD相机(9)光敏面法线方向与基准线平行，半反半透镜(18)和反射镜(19)、(21)与基准线呈-45°夹角，反射镜(20)与基准线呈45°夹角。

说明书

高精度星载激光发射机性能综合测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及航天光学主动遥感器光学测量技术，特别是一种高精度星载激光发射机性能综合测试系统。

背景技术

[0002] 作为星载激光雷达有机的组成部分，星载激光发射机除了地面调试，还需要进行环境试验。星载激光发射机的综合性能，包括能量、时域性能(重复频率和脉冲宽度)、频域性能(中心波长和光谱宽度)和空域性能(激光发散角、远场能量分布、光轴指向和指向抖动)的有效测量是产品评价的基础，对激光发射机成功研制具有重要意义。在综合性能中，能量的测量已形成国家标准，即采用能量计直接测量，但对于大光束尺寸(百毫米量级)、大能量、高峰值功率输出的星载激光发射机，能量计的有效探测口径往往不能直接覆盖其光束口径，且光敏面容易因长时间被光束照射产生升温而引入测试误差，同时光敏面的响应不均匀性和外界环境的温度对测试均会产生影响，因此如何高精度测量激光发射机的能量是需要克服的一个难题。时域性能和频域性能的测试也已形成国家标准。对于时域性能，采用光电探测器和示波器进行测试，但该方法测试时容易探测到激光的多次反射光或散射光，多次反射光和散射光波形通常发生展宽，会影响测试精度和准确度；对于频域性能，采用光谱仪进行测试，但该方法要求光能有效耦合进入光谱仪，结构相对复杂。因此，如何简化结构，避免多次反射光和杂散光的干扰，提高时域和频域测试的准确度也是需要解决的问题。空域性能的测试中除了光轴指向外，其他参数的测试均有国家标准，通常采用CCD法配合聚焦镜法，但由于CCD灵敏度高，饱和光强低，需要衰减光强，常用的衰减器件有吸收型衰减片和部分反射平面镜。但星载激光发射机出射光束口径较大，大口径的衰减片或部分反射平面镜极易因不均匀以及表面平行度低而引入像差，若利用部分反射平面镜反射特性衰减，易产生重影引入误差，因此如何实现被测光束无像差衰减成为空域测量过程中一项难点。对于光轴指向和指向抖动的测量，但常用的测试方法有平行光管法、激光相纸法、热响应靶等，测试方法成熟。但由于环境的扰动，会引入测试误差，尤其是对指向抖动的测试，指向抖动指激光发射机运行过程中光轴的抖动，若激光发射机安装平面或者测试光路存在抖动则必然会影响测试结果，如何精确有效记录光轴方向和指向抖动成为一大难点。因此，亟需一种在实验室调试以及环境试验阶段均可应用的高精度星载激光发射机综合性能测试系统。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题为：提供一种高精度星载激光发射机性能综合测试系统，克服现有技术中对星载激光发射机的综合性能的测试方案存在的精度低、误差大的不足之处。

[0004] 本发明的技术方案为：

[0005] 一种高精度星载激光发射机性能综合测试系统，包括：基准镜，设置在激光发射机上；楔形镜一，反射激光发射机发出的被测激光；楔形镜二，反射经楔形镜一反射的被测激光；离轴抛物镜，反射经楔形镜二反射的被测激光；楔形镜三，透射并反射经离轴抛物镜反射的被测激光；CCD相机，接受经楔形镜三反射的部分被测激光；积分球，接受经楔形镜三透射的部分被测激光；测试设备，光纤连接积分球，测试经积分球匀化的被测激光的性能参数；计算机，连接测试设备和CCD相机，分析测试设备采集到的数据信息；He-Ne激光器，发射He-Ne激光；半反半透镜，接受He-Ne激光并分成两部分：一部分反射光透过楔形镜一照射到基准镜上，经基准镜反射与被测激光共同经过楔形镜一、楔形镜二、离轴抛物镜和楔形镜三反射，照射到焦平面上放置的CCD相机上；另一部分透射光经过反射镜反射，入射到楔形镜一上，经过楔形镜二、离轴抛物镜和楔形镜三反射后在CCD相机上成像。

[0006] 进一步地，楔形镜的楔角为3°。

[0007] 进一步地，测试设备包括与积分球光纤连接的激光能量计、光电探测器、光谱仪以及与光电探测器连接的示波器；激光能量计、示波器、光谱仪与计算机通过信号电缆连接。

[0008] 进一步地，通过调节使得入射至离轴抛物镜的两束He-Ne激光在CCD相机上光斑重合。

[0009] 进一步地，He-Ne激光器发射的He-Ne激光，经扩束镜后入射到半反半透镜，由半反半透镜分成两部分。

[0010] 进一步地，以He-Ne激光出射光线为基准线，楔形镜一、楔形镜二和楔形镜三与基准线呈-15°夹角，离轴抛物镜光轴方向和CCD相机光敏面法线方向与基准线平行，半反半透镜和反射镜与基准线呈-45°夹角。本发明与现有技术相比的优点在于：

[0011] (1)本发明通过离轴抛物镜和CCD实现对He-Ne光正入射基准镜的高精度标校，同时获得激光发射机光轴与He-Ne光光轴(基准镜法线方向)的相对方位信息，引出激光发射机光轴，由于激光与He-Ne光共用光学系统，可以排除环境扰动对指向抖动测试的影响，提高测试精度。

[0012] (2)本发明采用楔角3°的楔形镜替代衰减片，避免引入光束畸变和像差，从而提高激光发射机空域性能测试的精度。

[0013] (3)本发明利用空域测试使用的离轴抛物镜和楔形镜会聚并衰减激光，采用积分球匀化光强后，经光纤与能量计连接，避免环境扰动、能量计光敏面不均匀和温升对的能量测试影响，提高了测试精度。

[0014] (4)本发明通过光纤将积分球匀化后的激光分别于时域测试单元和频域测试单元连接，避免反射光与杂散光对时域和频域测试的干扰，提高测试精度，同时测试过程简单。

[0015] (5)本发明也可应用于星载激光器实验室调试和环境试验阶段的性能测试。

附图说明

[0016] 图1示出了本发明的星载激光发射机综合性能测试系统示意图

[0017] 图2示出了本发明的能量损耗标校原理示意图

具体实施方式

[0018] 本发明提供一种适用于实验室调试和环境试验阶段的高精度激光发射机综合性能测试系统。该系统利用积分球匀化光强，再经光纤与能量计、时域测试单元和频域测试单元连接，进行能量、时域性能和频域性能测试；利用He-Ne光、基准镜、楔形镜、离轴抛物镜和CCD进行空域性能测试，引出光束指向，克服扰动和光束传输与衰减过程引入的测试误差。

[0019] 针对环境扰动和衰减措施引入的测试误差，影响空域性能测试精度，本发明的技术解决方案是：

[0020] (1)在激光发射机上放置基准镜，通过45°半反半透镜和多组45°全反镜获得两束平行的He-Ne光，其中一束入射至基准镜，另一束则与基准镜反射的He-Ne光共同经过测试系统的各光学元件反射，在离轴抛物镜焦平面的CCD上成像，基于方向相同的光通过离轴抛物镜在焦平面上重合的原理，通过调节测试系统底座，使得两束光的方向一致，即He-Ne光正入射至基准镜，He-Ne光光轴与基准镜法线方向一致。

[0021] (2)激光发射机工作，根据测试He-Ne光和激光经过测试系统的各光学元件反射，在离轴抛物镜焦平面的CCD上成像的光斑位置关系，获得He-Ne光光轴与激光发射机光轴的相对方位信息，即可得出激光光轴与基准镜法线方向的位置关系，引出激光光轴。

[0022] (3)由于基准镜安装在激光发射机上，可认为共用安装面，且基准镜反射的He-Ne光和被测激光共用光学系统，从而可以根据He-Ne光的指向抖动修正光学抖动和环境抖动对激光发射机光轴和指向抖动测试的误差，提高光轴和指向抖动测试的精度。

[0023] (4)以楔角3°的楔形镜替代衰减片，使入射光以一定的入射角入射，利用楔形镜两表面成3°保证反射光无重影，并且反射率小于10％，实现无像差衰减，减少测试误差，提高测试精度。

[0024] 针对能量计光敏面口径有限而无法测试大口径光束能量，以及环境扰动、能量计光敏面温升与不均性引入测试误差，影响能量测试精度的不足之处，本发明的技术解决方案是：

[0025] (1)采用离轴抛物镜压缩激光光束口径；

[0026] (2)通过积分球匀化经过楔角3°的楔形镜衰减后的光强分布，避免峰值光强过高，导致能量计光敏面温升引入测试误差；

[0027] (3)通过光纤将积分球与能量计连接，减小光敏面不均匀性和环境扰动影响，提高测试精度；

[0028] (4)对离轴抛物镜和楔形镜进行能量损耗标定，根据标定的能量损耗修正能量计测试值。

[0029] 针对多次反射光和散射光脉冲展宽，易进入光电探测器，影响时域性能测试精度，以及杂散光进入光谱仪，影响频域性能测试精度的不足之处，本发明的技术解决方案是：

[0030] (1)通过光纤引出积分球匀化的激光，直接与时域测试单元(包括光电探测器和示波器)连接，避免引入多次反射光和散射光，减小环境扰动影响，提高测试精度。

[0031] (2)通过光纤引出积分球匀化的激光，与频域测试单元(包括光谱仪)连接，避免杂散光的影响，提高测试精度，同时简化结构。

[0032] 星载激光发射机综合性能测试系统如图1所示。它包括基准镜1，计算机2，信号线缆3，底座4，底座4上固定放置楔角3°的楔形镜一5和楔形镜二6，离轴抛物镜7，楔角3°的楔形镜三8，CCD相机9，积分球10，激光能量计11，光电探测器12，示波器13，光谱仪14，光纤15，He-Ne激光器16，扩束镜17，45°半反半透镜18，三块45°全反镜19、20和21。以He-Ne光扩束后出射方向为基准，三块楔形镜5、6和8反射光表面法线与之呈-15°夹角，离轴抛物镜7光轴方向和CCD相机9光敏面法线方向与之平行，半反半透镜18和反射镜19、21表面法线均与之呈-45°，反射镜20表面法线与之呈45°。

[0033] 本发明的高精度星载激光发射机性能综合测试系统，基准镜1安装在激光发射机22上，激光发射机22发出被测激光，在被测激光的光路上设置楔形镜一5，经楔形镜一5反射后被测激光到达楔形镜二6，经楔形镜二6反射后被测激光到达离轴抛物镜7，经离轴抛物镜
7反射后到达楔形镜三8，一部分被测激光透过楔形镜三8进入积分球10，另一部分经楔形镜三8反射进入CCD相机9；积分球10通过光纤15与激光能量计11、光电探测器12、光谱仪14连接，光电探测器12与示波器13连接，CCD相机9、激光能量计11、示波器13、光谱仪14通过信号线缆3与计算机2连接，将测试信号传输至计算机2处理。同时，He-Ne激光器16发射He-Ne激光，经扩束镜17后入射到半反半透镜18，一部分反射光透过楔形镜一5照射到基准镜1上，经基准镜1反射的He-Ne光与被测激光共同经过楔形镜一5和楔形镜二6、离轴抛物镜7和楔形镜三8反射，照射到焦平面上放置的CCD相机9上；另一部分透射光经过三块反射镜19、20、21反射，入射到楔形镜一5上，同样经过楔形镜二6、离轴抛物镜7和楔形镜三8反射后在CCD相机9上成像。

[0034] 系统搭建时已完成楔形镜5、6、8和离轴抛物镜7的能量损耗标校，原理示意图见图2。标校过程中除了星载激光发射机综合性能测试系统外，还需要激光器23和能量计24。在适当的位置放置激光器23，由于不涉及光轴和空域性能测试，仅需使激光器23出射的激光能够有效进入积分球10即可。采用能量计24测试位置①的激光初始能量，再采用积分球10结合能量计11测试经过楔形镜一5、楔形镜二6、离轴抛物镜7和楔形镜三8传输后的能量，以该能量除以初始能量得到它们的能量损耗。

[0035] 完成能量损耗标校后，综合测试系统具体实施方式如下：

[0036] (1)在激光发射机22上安装基准镜1，He-Ne激光器16发出的He-Ne光通过扩束镜17准直后，入射到半反半透镜18上，其中一部分反射光透过楔形镜一5照射到基准镜1上，经基准镜1反射的He-Ne光经过楔形镜一5、楔形镜二6、离轴抛物镜7和楔形镜三8反射，照射到焦平面上放置的CCD相机9上；剩余的透射光经过反射镜19～21反射，入射到楔形镜一5上，同样经过楔形镜二6、离轴抛物镜7和楔形镜三8反射后在CCD相机9上成像。通过调节底座4使得入射至离轴抛物镜7的两束光在CCD相机9上光斑重合。当光斑重合时，根据离轴抛物镜成像原理可知，两束入射光相互平行，即经基准镜1反射与经反射镜19、20和21折转的He-Ne光平行，根据反射定律可知，He-Ne光正入射到基准镜1，即He-Ne光方向与基准镜1法线方向平行。

[0037] (2)激光器发射激光光束，该光束与经基准镜1反射的He-Ne光经过楔形镜一5和楔形镜二6、离轴抛物镜7和楔形镜三8反射，照射到焦平面上放置CCD相机9上，记录两个光斑的位置，若激光光斑超出了CCD的感光区域，则重新调整基准镜1或底座4使得He-Ne光正入射至基准镜，并且激光光斑进入CCD的感光区域。通过计算机2上的光束分析软件获得被测激光和He-Ne光的远场空间分布、发散角、圆度、指向抖动参数和两个光斑的质心相对位置。根据两个光斑质心的相对位置和离轴抛物镜7的焦距，可以得到激光光轴相对He-Ne光光轴，即基准镜1法线的方位信息，从而通过基准镜引出了激光发射机光轴指向。由于He-Ne光和激光发射机出射激光共用光学系统以及安装面，He-Ne光的指向抖动即为光学底座引入的光学抖动和环境抖动对光轴和指向抖动测试的影响，以此对激光发射机的指向抖动进行修正，即以激光发射机激光和He-Ne光的质心相对位置变化和离轴抛物镜7的焦距获得激光发射机的指向抖动。

[0038] (3)激光经楔形镜一5、楔形镜二6和离轴抛物镜7反射后，光强得到衰减，再射入楔形镜三8时，大部分光透过楔形镜三8进入积分球10，光均匀化后通过积分球10的通道1光纤耦合进入能量计11测试激光能量，通过通道2光纤耦合进入时域测试单元(光电探测器12和示波器13)测试激光时域性能，包括脉冲宽度和重复频率，通过通道3光纤耦合进入频域测试单元(光谱仪14)测试激光频域性能，包括中心波长和光谱宽度。能量计、时域测试单元和频域测试单元均通过信号线缆3与计算机2连接，可以在计算机上读取并存储测试结果。根据楔形镜和离轴抛物镜的能量损耗标校结果，对能量测试值进行修正。