激光目标模拟器功率现场校准装置

吴红霞 杜继东 张玉国 杨海龙

(北京振兴计量测试研究所，北京 100074)

1 引 言

激光探测设备由于抗干扰能力强、瞄准、捕获、跟踪精度高，在现代精确瞄准、捕获、跟踪系统中应用越来越广。在对激光探测设备进行仿真测试过程中，激光目标模拟器是应用到的重要仿真测试设备，而激光目标模拟器的激光功率稳定性及均匀性是激光目标模拟器的重要参数[1-3]。在使用激光目标模拟器进行仿真测试时，为保证其模拟的目标特性与真实的激光目标特性相同，确保仿真测试结果的准确性，需要对激光目标模拟器的激光功率稳定性及均匀性进行现场校准。

2 方案设计

2.1 总体方案

激光目标模拟器现场功率校准装置主要由光阑、聚焦光学系统、能量探测单元、时域探测单元、二维位移机构、微型转台和控制软件等组成。其中，时域探测单元包括高速探测器和高速示波器。校准装置示意图如图1所示。

图1 激光目标模拟器功率现场校准装置示意图Fig.1 Power field calibration device for laser target simulator

激光目标模拟器发出的光通过光阑后，进入聚焦光学系统。在聚焦光学系统后方安装有能量探测单元，可以直接测得激光目标模拟器输出的激光辐射能量。在准确测试能量的基础上，切换高速光电探测器进入光路中，高速光电探测器接收激光目标模拟器辐射的激光辐射并输出电压，被后续示波器读出后可以准确测得激光的脉冲宽度以及脉冲频率[4]，校准装置三维图如图2所示。综合以上测量结果，用校准数学模型(1)和(2)，可分别计算得到激光目标模拟器的输出光峰值功率以及平均功率值为

(1)

(2)

图2 激光目标模拟器现场功率校准装置三维图Fig.2 Three-dimensional image of laser target simulator field power calibration device

当校准激光目标模拟器输出功率稳定性时，不使用光阑。聚焦光学系统将模拟器发出的无穷远处的激光能量汇聚至焦平面处。调整转台位置，确保转台上的能量探测单元位于聚焦光学系统的焦平面处，从而测得激光目标模拟器的激光辐射能量。调整转台角度，使得高速光电探测器进入光路中，测得激光的脉冲宽度以及脉冲频率。在规定时间内，多次测得功率值，从而计算出功率稳定性[5]。

当校准激光目标模拟器输出功率均匀性时，需将Φ10光阑放入光路中。移动二维位移机构，使激光目标模拟器出瞳处不同位置对准光阑，测试位置如图3所示。能量探测单元依次获取激光能量值后，再根据时域探测单元测得的数据，计算出功率均匀性[6]。

图3 均匀性测试位置图Fig.3 Homogeneity test location

2.2 聚焦光学系统设计

聚焦光学系统可以将激光目标模拟器发出的激光辐射汇聚至焦平面处，在焦平面上形成圆形光斑，如图4所示。使用时，聚焦光学系统和模拟器镜头出入瞳匹配。综合光学系统的出瞳口径、光学系统总体长度、出射光束能量均匀性等因素，设计光学系统的相对数值孔径为2。

图4 聚焦光学系统光路图Fig.4 Optical layout chart for focus optical system

依据光学技术指标要求，进行光学仿真设计。光学系统为透射式，在设计过程中，考虑到整体的入瞳距、入瞳口径、法兰安装位置、空间布局等要求，经过反复优化，光学系统焦距定为80mm。具体设计结果如图5和图6所示，结果数据见表1。

图5 聚焦光学系统设计结果(MTF图)Fig.5 Results of focus optical system design (MTF)

图6 聚焦光学系统设计结果(弥散斑图)Fig.6 Results of focus optical system design (dispersion pattern)

表1 聚焦光学系统波前误差函数Tab.1 Wave-front error function in focused optical systems视场光线追迹数弥散斑直径(RMS)0°视场3160.00840.7视场3160.02611.0视场3160.0505

在光学系统中，空间频率为40lp/mm处光学传递函数大于0.8。采用蒙特卡洛法对光学系统进行公差分析，根据当前加工经验和装调技术，能够保证调试后的光学系统与仿真结果控制在MTF下降0.1之内。光学系统仿真的波前误差分别为λ/100(0°视场角)，λ/50(0.7倍全视场角)和λ/20(1倍全视场角)。光学弥散斑直径控制在艾丽斑以内，其实物如图7所示。

图7 光学镜头实物图Fig.7 Optical lens physical image

2.3 能量探测单元

能量探测单元选择卓立汉光公司的激光能量计，其中包含PD10-C和PD10-pj-C两个探测器和一个数字表，激光能量校准范围可以覆盖2nJ～20μJ，当激光模拟器脉冲宽度在(10～100)ns区间内时，激光目标模拟器峰值功率校准范围可以覆盖(10-5～10-1)W。

探测器对激光的探测过程为：首先，探测器吸收激光能量后引起温度的升高，并且温度的变化与入射能量的变化相对应；其次，元件通过其温度敏感特性将温度变化转换成相对应的电信号。后续再经过信号采集及处理等，完成激光能量的获取[7,8]。

2.4 时域参数测试方案

一般激光目标模拟器对激光时域精度要求极高，因此，必须采取相应措施，保证时域参数被精确校准。在激光时域参数校准中，利用高速探测器结合高速示波器进行测试，测试原理如图8所示。

图8 激光目标模拟器时域参数测试图Fig.8 Test diagram of time domain parameters in laser target simulator

激光目标模拟器发出的激光，经传光光纤后，进入高速探测器，由高速探测器将其转换为高速电脉冲信号，送入示波器，进行测量。本方案中可选用Si PIN光电探测器，其响应时间为1ns。

2.5 微型转台

微型转台选择卓立汉光公司的RSA60电动旋转台，旋转台直径为60mm，旋转台上方安装有转接板，转接板上固定有能量探测单元和高速探测器，如图9所示。通过控制小型转台的旋转可以切换不同的探测器进行测试。

图9 微型转台组件图Fig.9 Miniature tunable components

2.6 二维位移机构

二维位移机构使用两个卓立汉光MAR200-90电动平移台，如图10所示。两个平移台组合使用，可以在二维方向上移动，移动行程为(0～200)mm，可以覆盖激光目标模拟器光瞳。

图10 电动平移台示意图Fig.10 Electric translation table

3 结束语

本文设计一种激光目标模拟器功率稳定性及均匀性现场校准装置，给出了总体方案和聚焦光学系统设计及能量探测单元、微型转台、二维位移机构等的选型。激光目标模拟器输出的激光经过校准装置中的聚焦光学系统后，通过探测器将光信号转换为电信号，再经信号处理、计算等，得到测试结果。校准装置可以在现场校准激光目标模拟器的功率稳定性及均匀性，对于激光半实物仿真测试具有重要的实际意义和应用价值。