基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法及裝置製造方法
2024-01-20 21:24:15 2
基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法及裝置製造方法
【專利摘要】一種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法及裝置，由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束採樣轉輪、電控系統和紅外相機組成，本發明利用放置在高能雷射傳輸路徑當中的螺旋漿式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能雷射光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光並成像，從而獲得高能雷射光束的時空分布圖樣，大部分高能雷射能量將透過旋轉葉片，繼續沿原光路傳播。本發明避免傳統測量方法中雷射輻照面因強光駐留時間過長而造成的灼傷，有效提高了強光採樣的時間解析度，獲取高解析度的光斑圖像，機動性能好，後續整改簡單易行。
【專利說明】基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發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採樣的在線監測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]強雷射在大氣傳輸過程中，受到湍流、熱暈和消光等大氣效應的影響，遠場光斑分布相對於雷射器出口有較大變化。準確測量高能雷射光束的遠場功率密度時空分布，獲取雷射光束質量、質心漂移等重要參數，已經成為分析高能雷射的大氣傳輸效應和評價高能雷射系統性能指標的必要手段。
[0003]傳統的高能雷射時空分布測量方式如燒蝕法、基於面陣採樣器件的CCD法、光電/光熱探測器陣列法等，皆通過接收全部入射雷射能量對光斑進行採樣和分析，光束接收採樣材料需要具有很強的耐高溫能力；同時，這樣使得雷射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、直觀的將高能雷射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，降低高能雷射系統在設計、評估和決策中的風險和成本，發展和研製出有效的強光時空分布在線測量方法及裝置，成為高能雷射測試技術發展的必然趨勢。侯再紅等(強雷射與粒子束，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雷射光束採樣，完成對雷射光斑的探測。該方法將不會完全阻擋雷射傳播，但需設計複雜而精密的機械結構和電路系統，且因受制於單元傳感器排列密集程度，採樣空間解析度仍然較低。陳紹武等(強雷射與粒子束，2006年第10期)採用一隻與入射雷射軸線偏心安裝的高速旋轉的45°斜面環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並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測，但它同樣系統設計複雜，體積龐大，使用時拆裝多有不便，且因受制於光刀機械轉速，採樣時間解析度較低。上述兩種雷射時空分布測量方法均基於特定單元探測器，只能測量特定光譜響應範圍內波長的雷射光束，系統設計製造固化後的整改難度大，成本高昂，因而測量設備的後續擴展利用存在一定局限性。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:解決上述現有技術存在的問題，而提供一種系統設計相對簡單、使用方便的基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法及裝置，避免傳統測量方法中雷射輻照面因強光駐留時間過長而造成灼傷，有效提高了強光採樣的時間解析度，獲取的光斑圖像解析度高，機動性能好，後續整改簡單易行。
[0005]本發明採用的技術方案是:
一種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法，利用放置在高能雷射傳輸路徑當中的螺旋眾式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能雷射光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光並成像，從而獲得高能雷射光束的時空分布圖樣，大部分高能雷射能量將透過旋轉葉片，繼續沿原光路傳播。
[0006]上述基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法的實現過程如下:
步驟1:將表面均勻噴塗有漫反射塗層，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、利用雷射器導引光，調整葉片輪輻的高度與偏轉角度，使得雷射垂直入射至輪輻表面，且不會超出採樣葉片輻寬，必要時需重複步驟I和步驟2 ；
步驟3、葉片輪輻位置及姿態擺放到位後，對其實施緊固，以確保葉片在高速旋轉過程當中的穩定性；
步驟4、擺放紅外相機，確保其避開強光光路，並可完整記錄下待測雷射光斑；
步驟5、開啟電機，並根據強光時間採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雷射光斑的完整掃描；
步驟7、將紅外相機工作模式預設為外觸發模式，可通過雷射二極體及光電接收器或同軸編碼器獲取和記錄採樣葉片的實時位置信息，並向紅外相機發送觸發信號；
步驟8、啟動紅外相機，並發射主雷射，完成強光時空分布的採樣和測量。
[0007]—種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束採樣轉輪、電控系統和紅外相機組成，支撐架和電控系統安裝在可移動平臺上，驅動裝置和光束採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採樣轉輪，所述的光束採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塗漫反射塗層，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，並發送同步信號經電控系統放大後觸發紅外相機，具有相應光譜響應範圍的紅外相機安裝在能夠接受漫反射光並成像的地方。
[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隻可調式千斤頂，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連接件、第二旋轉關節連接件、滑軌、兩側支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋轉關節連接件上，第一旋轉關節連接件兩側套裝在第二旋轉關節連接件上，第二旋轉關節連接件安裝固定在兩側支臂上，兩側支臂安裝在滑軌上並可沿滑軌前後滑動。
[0010]上述技術方案中，所述的每根葉片的位置信息由雷射二極體及光電接收器或同軸編碼器獲取和發送。
[0011]上述技術方案中，所述的採樣葉片的轉速可調，紅外相機的像素解析度和光譜響應範圍可調，採樣葉片的輪輻位置和角度可調。
[0012]本發明的顯著技術效果:
1、本發明提出了一種在線式強光時空採樣測量方法，它藉助低佔空比的旋轉葉片對強光進行時空採樣，使得強光大部分能量可透過測量裝置，繼續沿原光路傳播，同時很大程度上避免了傳統測量方法中雷射輻照面因強光駐留時間過長而造成的灼傷。[0013]2、本發明所採用的多條葉片斬波掃描採樣方法，有效的提高了強光採樣的時間解析度；並可通過選用高分辯率紅外相機，來獲取高解析度的光斑圖像。
[0014]3、本發明提出的測量裝置，設計製造相對簡單，機動性能好，使用方便；其後續整改簡單易行，只需安裝不同光譜響應範圍的紅外相機，便可實現不同波長的強光時空採樣測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明具體實施例中測量裝置的整體結構示意圖；
圖2為本發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為光束採樣轉輪裝配示意圖；
圖7為具體實施例中採樣測量的光斑採樣圖。
[0016]附圖標註說明:
1-可移動平臺，2-支撐架，3-驅動裝置，4-光束採樣轉輪，5-電控系統，6-紅外相機，7-轉向裝置，8-千斤頂，9-輪胎，10-第一旋轉關節連接件，11-第二旋轉關節連接件，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]一種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法，利用放置在高能雷射傳輸路徑當中的螺旋眾式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能雷射光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光並成像，從而獲得高能雷射光束的時空分布圖樣，大部分高能雷射能量將透過旋轉葉片，繼續沿原光路傳播。
[0018]上述基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法的實現過程如下:
步驟1:將表面均勻噴塗有漫反射塗層，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、利用雷射器導引光，調整葉片輪輻的高度與偏轉角度，使得雷射垂直入射至輪輻表面，且不會超出採樣葉片輻寬，必要時需重複步驟I和步驟2 ；
步驟3、葉片輪輻位置及姿態擺放到位後，對其實施緊固，以確保葉片在高速旋轉過程當中的穩定性；
步驟4、擺放紅外相機，確保其避開強光光路，並可完整記錄下待測雷射光斑；
步驟5、開啟電機，並根據強光時間採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雷射光斑的完整掃描；
步驟7、將紅外相機工作模式預設為外觸發模式，可通過雷射二極體及光電接收器或同軸編碼器獲取和記錄採樣葉片的實時位置信息，並向紅外相機發送觸發信號；
步驟8、啟動紅外相機，並發射主雷射，完成強光時空分布的採樣和測量。[0019]一種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束採樣轉輪、電控系統和紅外相機組成，支撐架和電控系統安裝在可移動平臺上，驅動裝置和光束採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採樣轉輪，所述的光束採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塗漫反射塗層，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，並發送同步信號經電控系統放大後觸發紅外相機，具有相應光譜響應範圍的紅外相機安裝在能夠接受漫反射光並成像的地方。
[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隻可調式千斤頂，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連接件、第二旋轉關節連接件、滑軌、兩側支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋轉關節連接件上，第一旋轉關節連接件兩側套裝在第二旋轉關節連接件上，第二旋轉關節連接件安裝固定在兩側支臂上，兩側支臂安裝在滑軌上並可沿滑軌前後滑動。
[0022]上述的每根葉片的位置信息由雷射二極體及光電接收器或同軸編碼器獲取和發送。
[0023]上述的採樣葉片的轉速可調，紅外相機的像素解析度和光譜響應範圍可調，採樣葉片的輪輻位置和角度可調。
[0024]下面再分別結合各附圖，對本發明作進一步詳細說明:
如圖1所示的本發明具體實施例中測量系統的整體結構示意圖，整個測量系統由可移動平臺1、支撐架2、驅動裝置3、光束採樣轉輪4、電控系統5、紅外相機6組成。
[0025]如圖2所示的本發明實施例原理示意圖，本發明所提出的強光時空採樣方法是利用電機驅動螺旋漿式葉片高速旋轉，對強光光束進行採樣，通過具有相應光譜響應範圍的紅外相機接收漫反射光並成像，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，並發送同步信號，經電控單元放大後用以觸發紅外相機。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，它與圖像採集、相機操控等控制單元一起被集成在一電控櫃內。
[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，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隻可調式千斤頂8，測量時用以支撐及穩固測量裝置；轉向裝置7可用於測量系統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及光束採樣轉輪4 ;它包括第一旋轉關節連接件10、第二旋轉關節連接件11、滑軌12、兩側支臂13和中心支柱14，整體可沿滑軌12前後滑動；中心支柱14依靠兩個關節連接件沿不同方向旋轉可調，可實現光束採樣轉輪4位置和姿態的精細調整。
[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，並與支撐架2底端連接集成，以平衡和配重；傳動軸16隱藏於支撐架2的中心支柱14內，並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採樣轉輪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，其材質基底可採用航空硬鋁，以輪轂19為中心對稱分布，6片葉片總體佔空比為5% ;葉片表面可採用火焰噴塗或高速氣流噴塗工藝，均勻噴塗漫反射塗層；編碼器20採用絕對式旋轉編碼器，用以提供光束採樣轉輪葉片的實時位置和速度信息，並發送同步信號用以觸發紅外相機。
【權利要求】
1.一種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法，其特徵在於:利用放置在高能雷射傳輸路徑當中的螺旋漿式高速旋轉葉片，對穿越其中的高能雷射光束實施漫反射，由紅外相機接收漫反射光並成像，從而獲得高能雷射光束的時空分布圖樣，大部分高能雷射能量將透過旋轉葉片，繼續沿原光路傳播。
2.根據權利要求1所述的基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量方法，其特咋在於:實現過程如下: 步驟1:將表面均勻噴塗有漫反射塗層，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、利用雷射器導引光，調整葉片輪輻的高度與偏轉角度，使得雷射垂直入射至輪輻表面，且不會超出採樣葉片輻寬，必要時需重複步驟I和步驟2 ； 步驟3、葉片輪輻位置及姿態擺放到位後，對其實施緊固，以確保葉片在高速旋轉過程當中的穩定性； 步驟4、擺放紅外相機，確保其避開強光光路，並可完整記錄下待測雷射光斑； 步驟5、開啟電機，並根據強光時間採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雷射光斑的完整掃描； 步驟7、將紅外相機工作模式預設為外觸發模式，可通過雷射二極體及光電接收器或同軸編碼器獲取和記錄採樣葉片的 實時位置信息，並向紅外相機發送觸發信號； 步驟8、啟動紅外相機，並發射主雷射，完成強光時空分布的採樣和測量。
3.一種基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，其特徵在於:由可移動平臺、支撐架、驅動裝置、光束採樣轉輪、電控系統和紅外相機組成，支撐架和電控系統安裝在可移動平臺上，驅動裝置和光束採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採樣轉輪，所述的光束採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塗漫反射塗層，編碼器實時記錄每根葉片的位置信息，並發送同步信號經電控系統放大後觸發紅外相機，具有相應光譜響應範圍的紅外相機安裝在能夠接受漫反射光並成像的地方。
4.根據權利要求3所述的基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，其特徵在於: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隻可調式千斤頂，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所述的基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，其特徵在於:所述的支撐架包括第一旋轉關節連接件、第二旋轉關節連接件、滑軌、兩側支臂和中心支柱，中心支柱固定在第一旋轉關節連接件上，第一旋轉關節連接件兩側套裝在第二旋轉關節連接件上，第二旋轉關節連接件安裝固定在兩側支臂上，兩側支臂安裝在滑軌上並可沿滑軌前後滑動。
6.根據權利要求3所述的基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，其特徵在於:所述的每根葉片的位置信息由雷射二極體及光電接收器或同軸編碼器獲取和發送。
7.根據權利要求3所述的基於旋轉葉片的漫反射式強光時空採樣測量裝置，其特徵在於:所述的採樣葉片的轉速可調，紅外相機的像素解析度和光譜響應範圍可調，採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 優先權日:2013年10月28日
【發明者】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