[發明專利]一種基于四象限探測器和二維光柵的高精度激光告警裝置

有效

• 申請號: 202011478501.2
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112665532B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 張瑞;王志斌;楊雪梅;李孟委
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 太原榮信德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14119
• 代理人: 楊凱;連慧敏

1.一種基于四象限探測器和二維光柵的高精度激光告警裝置，其特征在于：包括視場壓縮系統(1)、半透半反鏡(2)、角度粗測模塊(3)和角度精測模塊(4)，所述視場壓縮系統(1)的光路方向上設置有半透半反鏡(2)，所述半透半反鏡(2)的反射光路上設置角度粗測模塊(3)，所述半透半反鏡(2)的透射光路上設置有角度精測模塊(4)；所述角度粗測模塊(3)包括第一后置鏡頭(5)、四象限探測器(6)、粗測控制及數據處理電路(7)，所述第一后置鏡頭(5)設置在半透半反鏡(2)的反射光路上，所述四象限探測器(6)設置在第一后置鏡頭(5)的光路方向上，所述四象限探測器(6)通過導線與粗測控制及數據處理電路(7)連接；所述角度精測模塊(4)包括二維光柵(8)、第二后置鏡頭(9)、面陣探測器(10)、精測控制及數據處理電路(11)，所述二維光柵(8)設置在半透半反鏡(2)的透射光路上，所述二維光柵(8)的衍射光路上依次設置有第二后置鏡頭(9)、面陣探測器(10)，所述面陣探測器(10)通過導線與精測控制及數據處理電路(11)連接。

2.根據權利要求1所述的一種基于四象限探測器和二維光柵的高精度激光告警裝置，其特征在于：所述視場壓縮系統(1)將入射激光壓縮，所述入射激光經半透半反鏡(2)反射進入第一后置鏡頭(5)，所述第一后置鏡頭(5)將光斑成像在四象限探測器(6)上時，所述四象限探測器(6)將入射光強轉化成相應光電流信號輸出至粗測控制及數據處理電路(7)，當入射激光的角度發生變化時，所述四象限探測器(6)每個象限對應的光電流就會發生變化，通過對四個象限的光電流信號進行算法處理，確定入射激光的光斑的質心位置，從而實現光斑的位置檢測，最終實現入射激光角度的粗測。

3.根據權利要求1所述的一種基于四象限探測器和二維光柵的高精度激光告警裝置，其特征在于：所述視場壓縮系統(1)將入射激光壓縮，所述入射激光經半透半反鏡(2)透射進入二維光柵(8)，然后經過二維光柵(8)衍射出衍射光，所述衍射光分為x和y方向，所述衍射光經過第二后置鏡頭(9)匯聚在面陣探測器(10)上形成光斑，通過精測控制及數據處理電路(11)對面陣探測器(10)上光斑位置的算法處理，從而實現入射激光的角度精測。

4.根據權利要求2所述的一種基于四象限探測器和二維光柵的高精度激光告警裝置，其特征在于：所述通過對四個象限的光電流信號進行算法處理，確定入射激光的光斑的質心位置，從而實現光斑的位置檢測的方法為：

當光斑中心位于四象限探測器中心時，各象限輸出相等的光電流，當光斑中心偏離其中心時，四個象限上隨光斑面積S₁、S₂、S₃、S₄的不同而產生不同的光電流I₁、I₂、I₃、I₄，當光斑能量均勻且忽略時，光電流與光斑在四象限探測器每個象限上所占的面積成正比,當光斑中心偏離四象限探測器中心時，用σ_x和σ_y表示在四象限探測器上光斑在兩個方向輸出的位置信息，則有：

光斑的中心坐標(x₀,y₀)與光斑相對中心偏移量σ_x和σ_y之間的關系為：

所述k為比例系數，所述k＝4/π·r，所述r為光斑半徑，所述光斑半徑等于四象限探測器半徑的一半；

由于不同方向入射激光所聚焦的光斑在四象限探測器的位置不同，因此根據光斑在x方向的位置可得入射激光方向角，根據光斑在y方向的位置可得激光俯仰角；

根據幾何光學理論得出入射激光角度方位角α_粗和俯仰角γ_粗粗測值為：

所述c為視場壓縮系統的壓縮比，所述l為第一后置鏡頭到四象限探測器的距離。

5.根據權利要求3所述的一種基于四象限探測器和二維光柵的高精度激光告警裝置，其特征在于：所述通過精測控制及數據處理電路(11)對面陣探測器(10)上光斑位置的算法處理，從而實現入射激光的角度精測的方法為：

設m和n分別代表入射激光在x和y方向的衍射級次，在x方向由光柵衍射方程得：

所述c為視場壓縮系統的壓縮比；

再由幾何成像理論可知：

同理可得：在y方向，由光柵衍射方程和幾何成像理論得到：

由(a)式和(c)式得到：

所述d為二維光柵常數，所述λ為入射激光波長，所述m為激光通過二維光柵(8)在面陣探測器(10)上的x的方向衍射級次，所述n為激光通過二維光柵(8)在面陣探測器(10)上的y的方向衍射級次，所述β_xm為在面陣探測器(10)上x方向的第m級衍射角，所述β_yn為在面陣探測器(10)上y方向的第n級衍射角，所述x(m,n)為面陣探測器(10)上激光第(m,n)級衍射光斑的x坐標值，所述y(m,n)為面陣探測器(10)上激光第(m,n)級衍射光斑的y坐標值；

結合(c)、(d)、(e)式推導出波長λ，將λ代入(a)式得到：

所述Δα_粗表示粗測的角度誤差，所述α_粗為入射激光角度方位角粗測值；

以α_精為變量，以m為函數，m₁和m₂取整數，且abs(m₁-m₂)最小的m為所得的最終m₀，將得到的λ和m₀代入下式最終獲得精確的方位角α_精：

以γ_精為變量，以n為函數，n₁和n₂取整數，且記abs(n₁-n₂)最小的n為所得的最終n₀，將得到的λ和n₀代入下式最終獲得俯仰角的精確值γ_精：

角度精測模塊(4)第二后置鏡頭(9)的長焦為f₂，只要保證光譜范圍最長波長的激光衍射兩級在面陣探測器(10)上就可實現角度的精確測量。