本發明屬于自適應激光束遠場精確聚焦控制技術領域，具體涉及一種自適應激光遠場功率密度控制裝置。

背景技術：

激光束遠場聚焦，一般是通過光束控制系統改變系統焦距，將激光束輸出的功率最大限度地集中到遠場目標上。目前的控制方式主要通過逆伽利略望遠鏡系統和逆卡賽格林系統對激光束控制。逆伽利略望遠鏡系統由凸、凹兩片透鏡組成，通過改變兩透鏡之間的距離，從而控制系統的焦距，將激光束在遠場進行聚焦。該系統的不足是隨著遠場距離的增大，聚焦光斑尺寸偏大，光斑能量的相對強度較弱，而且聚焦精度不易控制。逆卡賽格林系統由由凹非球面主鏡和凸球面次鏡組成，通過改變主、次鏡之間的距離，實現激光束在遠場聚焦。該系統的不足是光束控制系統體積較大、不易系統集成。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種自適應激光遠場功率密度控制裝置，本裝置具有結構簡單、便于集成、聚焦精度高且能夠自適應控制等優點。

為了實現本發明的目的，本發明采用了以下技術方案：一種自適應激光遠場功率密度控制裝置，本裝置包括沿著激光發射方向依次排布的光束準直組件、帶有調焦透鏡的調焦組件、固定凹面鏡、組合透鏡、快反鏡和用于把激光平行發射出去的離軸拋物面反射鏡；所述組合透鏡由彎月透鏡和平凸透鏡沿著激光發射方向順序膠合在一起構成，且彎月透鏡的凸面與平凸透鏡的平面相互靠近設置。

優選的，本裝置還包括測距單元以及視頻采集單元，所述測距單元以及視頻采集單元的輸出端均與控制器相連，所述調焦組件的驅動器與控制器的輸出端相連。

優選的，所述調焦組件為直線移動組件，其包括直線電機、直線電機驅動器、導軌絲杠以及通過滑塊固定在導軌絲杠上的調焦透鏡；所述直線電機的輸出軸通過聯軸器與導軌絲杠相連；所述調焦透鏡為固定在滑塊上并跟隨滑塊前后移動的移動凹面鏡；所述直線電機驅動器與控制器的輸出端相連。

優選的，所述快反鏡包括可調節反射鏡、X向調節機構和Y向調節機構，所述X向調節機構用于對可調節反射鏡在X軸方向上的俯仰角度進行調節，所述Y向調節機構用于對可調節反射鏡在Y軸方向上的俯仰角度進行調節；所述可調節反射鏡上設置有與綜合控制顯示裝置構成電連接的位移傳感器。

優選的，所述調焦透鏡的直徑為16mm，固定凹面鏡透鏡的直徑為30mm，組合透鏡中彎月透鏡和平凸透鏡的直徑均為110mm；所述固定凹面鏡與組合透鏡在調焦過程中均位置固定；調焦透鏡可調節范圍為10mm，調焦透鏡最近距固定凹面鏡為73mm，最遠距固定凹面鏡為83mm；固定凹面鏡至組合透鏡距離為180mm，組合透鏡中彎月透鏡與平凸透鏡之間的間隙為1mm。

優選的，所述光束準直組件包括沿著激光發射方向依次排布的準直鏡和擴束鏡，所述準直鏡與所述光纖的輸出端相連接。

優選的，所述X向調節機構包括兩個X向音圈電機、兩個X向柔性鉸鏈和X向基座，兩個X向音圈電機彼此相對設置，兩個X向柔性鉸鏈也彼此相對設置，且兩個X向音圈電機的設置方向與兩個X向柔性鉸鏈的設置方向正向交叉；所述可調節反射鏡固定設置在兩個X向柔性鉸鏈的頂部，且可調節反射鏡與兩個X向音圈電機構成鉸接連接；

所述Y向調節機構包括兩個Y向音圈電機、兩個Y向柔性鉸鏈和Y向基座，兩個Y向音圈電機彼此相對設置，兩個Y向柔性鉸鏈也彼此相對設置，且兩個Y向音圈電機的設置方向與兩個Y向柔性鉸鏈的設置方向正向交叉,兩個Y向音圈電機的設置方向與兩個X向音圈電機的設置方向也正向交叉；所述X向基座固定設置在兩個Y向柔性鉸鏈的頂部，且X向基座與兩個Y向音圈電機構成鉸接連接。

優選的，本裝置還包括設置在擴束鏡和調焦組件之間的第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡和第二反射鏡彼此配合使得激光反射180°。

優選的，本裝置還包括設置在組合透鏡與快反鏡之間的半透半反鏡，所述半透半反鏡的設有反光膜的一側設置有用于接收外界入射光的CCD成像模塊，所述CCD成像模塊的輸出端與視頻采集模塊相連；所述視頻采集模塊的輸出端與圖像處理模塊的輸入端相連，所述圖像處理模塊的輸出端與控制器的輸入端相連，所述控制器的輸出端與顯示器的輸入端相連；所述離軸拋物面反射鏡、快反鏡和半透半反鏡構成外界入射光的入射通道。

優選的，本裝置的調校過程為通過視頻采集單元和移動調焦透鏡，得到不同距離處的激光光斑的聚焦點，具體過程為首先裝置加電、直線電機自動歸零位，打開激光光源觸發開關，采用測距單元測距并設置目標位置基準點，然后通過控制器前后調整直線電機的移動位置，找出所設定的基準點處的激光光斑的聚焦點，標定出基準點處對應的直線電機的移動位置；設定增量改變目標位置，重復上述標校過程，直至完成全部目標位置的標定，將標校的結果擬合得到位移－距離函數，并將得到的位移－距離函數寫入控制器中的主控制單元程序。

本發明的有益效果在于：

1)本發明中的自適應激光遠場功率密度控制裝置采用單個移動凹面鏡作為目鏡組，固定凹面鏡以及由彎月透鏡和平凸透鏡組成的組合透鏡共同構成物鏡組。激光調焦過程中，保持物鏡組位置固定不變，僅僅需要移動安裝在精密導軌上作為目鏡組的單個移動凹面鏡即可。這種構成方式的光學調焦組件不但結構緊湊，而且反應靈敏，控制精度高。

2)本發明中還設置有測距單元，通過直線電機和測距單元的彼此配合，采用目標測距信息和目標上的激光光斑大小變化信息相結合的方式，通過解析得到激光在遠場目標上聚焦的系統焦距參數。所述解析即將目標距離信息作為系統焦距調節的基本參數；在此基礎上，通過視頻采集單元檢測CCD成像模塊獲取的激光光斑大小變化，實時細微調整系統焦距(即前后移動調焦透鏡)，直至檢測得到的激光光斑能量中心區域直徑在圖像中最小。本發明中的這種解析方式即自適應調節激光束遠場聚焦的方式，不僅調焦過程快速，而且在很大程度上提高了激光束遠場聚焦精度。

3)本發明中的視頻采集單元包括離軸拋物面反射鏡、快反鏡和半透半反鏡、CCD成像模塊以及視頻采集模塊相連；外界入射光依次通過離軸拋物面反射鏡、快反鏡并穿射至半透半反鏡處，然后經半透半反鏡上的反光膜反射進入CCD成像模塊，經CCD成像模塊得到的成像信息進入視頻采集模塊采集處理后輸送至圖像處理模塊，圖像處理模塊將接收到的信息處理后發送至控制器中，最終由控制器控制在顯示器中完成目標信息的顯示。本發明的這種視頻成像的入射通道與激光發射通道共用了離軸拋物面反射鏡和快反鏡，并通過半透半反鏡將激光和外界入射光分離開來，結構緊湊巧妙，而且降低了整個系統的制造成本。

4)本發明中通過精跟蹤系統實現了對目標的精確跟蹤。所述精跟蹤系統包括快反鏡以及由CMOS面陣構成的視頻采集模塊，所述快反鏡包括可調節反射鏡、X向調節機構和Y向調節機構，通過X向調節機構和Y向調節機構能夠實現對可調節反射鏡的俯仰調節；由CMOS面陣構成的視頻采集模塊則主要實現對目標細部構造(如犯罪分子的手部)的穩定精確的跟蹤。

5)本發明中的快反鏡由可調節反射鏡、音圈電機、柔性鉸鏈和位移傳感器構成，所述位移傳感器用于檢測可調節反射鏡的偏轉角度，而音圈電機和柔性鉸鏈彼此配合以實現可調節反射鏡的偏轉或俯仰，不但結構簡單，而且可調性好，跟蹤快速，反應靈敏。

附圖說明

圖1為含有本裝置的一種激光主動拒止系統的結構示意圖。

圖2為本發明的一種實施例的結構示意圖。

圖3為本發明的另一種實施例的結構示意圖。

圖4為移動凹面鏡、固定凹面鏡和組合透鏡的位置狀態圖。

圖5為自適應激光遠場功率密度控制裝置中的光路系統圖。

圖6為快反鏡的結構示意圖。

圖7為圖6的側視圖。

圖8為圖6的另一個方向的側視圖。

圖9為自適應激光遠場功率密度控制裝置的調試過程示意圖。

圖10為視頻采集單元的結構示意圖。

圖中標記的含義如下：

1-激光產生和發射裝置 2-旋轉支架 3-激光發射窗口

4-視頻采集窗口 5-激光測距窗口 51-激光測距機 6-殼體

7-綜合控制顯示裝置 8-光纖 9-準直鏡 10-擴束鏡

11-第一反射鏡 12-第二反射鏡 13-直線電機

131-直線電機驅動器 14-導軌絲杠 151-調焦透鏡

152-固定凹面鏡 153-組合透鏡 16-快反鏡 161-可調節反射鏡

162-X向音圈電機 163-X向柔性鉸鏈 164-X向基座

165-Y向音圈電機 166-Y向柔性鉸鏈 167-Y向基座

17-離軸拋物面反射鏡 18-半透半反鏡 181-CCD成像模塊

182-視頻采集模塊

A-物鏡組 B-光束準直組件

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示實施例中的激光主動拒止系統，本系統包括激光產生與發射裝置1和遠場精確聚焦裝置，所述激光產生與發射裝置1通過光纖8與自適應激光遠場功率密度控制裝置相連；所述遠場精確聚焦裝置設置在旋轉支架2上；所述旋轉支架2上還設置有測距單元和視頻采集單元；所述測距單元通過激光測距窗口5進行測量，所述視頻采集單元通過視頻采集窗口4采集外界視頻或圖像信息。本系統還包括與激光產生與發射裝置1、自適應激光遠場功率密度控制裝置、旋轉支架2、測距單元4和視頻采集單元均構成電連接的綜合控制顯示裝置7。

前述激光主動拒止系統中的遠場精確聚焦裝置、測距單元以及視頻采集單元與控制器則構成了本發明中的自適應激光遠場功率密度控制裝置。

下面對本實施例中的主要構成部件分別進行詳細說明。

1.遠場精確聚焦裝置

如圖3所示，所述遠場精確聚焦裝置為本發明中自適應激光遠場功率密度控制裝置的一部分，其包括沿著激光發射方向依次排布的光束準直組件B、帶有調焦透鏡151的調焦組件、固定凹面鏡152、組合透鏡153、快反鏡16和用于把激光平行發射出去的離軸拋物面反射鏡17；所述組合透鏡153由彎月透鏡和平凸透鏡沿著激光發射方向順序膠合在一起構成，且彎月透鏡的凸面與平凸透鏡的平面相互靠近設置。如圖3所示，其中彎月透鏡的凹面一側與所述固定凹面鏡152相對設置，即組合透鏡153中的彎月透鏡相對于平凸透鏡更靠近所述固定凹面鏡152。

如圖3、5所示，自組合透鏡153發射出來的激光依次經快反鏡16、離軸拋物面反射鏡17反射后出射至目標處。

如圖3所示，所述自適應激光遠場功率密度控制裝置中的調焦組件為直線移動組件，其包括直線電機13、直線電機驅動器131、導軌絲杠14以及通過滑塊固定在導軌絲杠14上的調焦透鏡151；所述直線電機13的輸出軸通過聯軸器與導軌絲杠14相連；所述調焦透鏡151為固定在滑塊上并跟隨滑塊前后移動的移動凹面鏡。所述直線電機驅動器131與綜合控制顯示裝置7中的控制器電連接，所述綜合控制顯示裝置7中的控制器發出指令使直線電機驅動器131動作，直線電機驅動器131則使直線電機13正反轉，從而使調焦透鏡151沿著導軌絲杠14限定的方向前進或者后退，以實現對不同距離外的目標的瞄準和聚焦。

如圖4所示，所述調焦透鏡151即移動凹面鏡的直徑為16mm，固定凹面鏡152透鏡的直徑為30mm，組合透鏡153中彎月透鏡和平凸透鏡的直徑均為110mm；所述固定凹面鏡152與組合透鏡153構成的物鏡組在調焦過程中均位置固定；調焦透鏡151所構成的目鏡組的可調節范圍為10mm，調焦透鏡151最近距固定凹面鏡152為73mm，最遠距固定凹面鏡152為83mm；固定凹面鏡152至組合透鏡距離為180mm，組合透鏡153中彎月透鏡與平凸透鏡之間的間隙為1mm。

如圖2所示，所述光束準直組件包括沿著激光發射方向依次排布的準直鏡9和擴束鏡10，所述準直鏡9與所述光纖8的輸出端相連接。光纖連接器將激光產生和發射裝置1通過光纖與準直鏡9相連并對激光準直，準直后的激光再通過擴束鏡10將激光擴束并進一步減小發散角。

如圖2所示，所述自適應激光遠場功率密度控制裝置還可以在擴束鏡10和調焦組件之間設置第一反射鏡11和第二反射鏡12，所述第一反射鏡11和第二反射鏡12彼此配合使得激光反射180°。第一反射鏡11和第二反射鏡12的設置可以盡可能的減少整個聚焦裝置的體積，從而使得系統結構緊湊，便于運輸和使用。

2.視頻采集單元

本發明中的視頻采集單元主要用于實現目標的粗跟蹤和精跟蹤，以及獲取激光光斑的大小變化信息。

如圖3所示，所述視頻采集單元包括設置在組合透鏡153與快反鏡16之間的半透半反鏡17，所述半透半反鏡17的設有反光膜的一側設置有用于接收外界入射光的CCD成像模塊171，所述CCD成像模塊171的輸出端與視頻采集模塊172相連；所述離軸拋物面反射鏡17、快反鏡16和半透半反鏡17構成外界入射光的入射通道。本發明中通過增設半透半反鏡17實現了結構緊湊的設計目的，當然也可以設計使用一套完全獨立于激光發射光學系統的視頻采集單元。

對于目標(如犯罪分子)的粗跟蹤，所使用的粗跟蹤系統包括由雙軸伺服轉臺構成的旋轉支架2、快反鏡16以及由CCD面陣構成的視頻采集模塊，所述雙軸伺服轉臺由運動控制器、電機驅動器、執行電機、轉臺執行機構組成；所述雙軸伺服轉臺的運動控制器與綜合控制顯示裝置7中的控制器電連接，以實現雙軸伺服轉臺的二維轉動和粗跟蹤。在粗跟蹤過程中，快反鏡16中的可調節反射鏡161的位置保持不動。

對于目標(如犯罪份子的手部)的精跟蹤，所使用的精跟蹤系統包括快反鏡16以及由CMOS面陣構成的視頻采集模塊。為了能夠及時快速的跟蹤較小目標的動作，如圖3、5所示，所述快反鏡16包括可調節反射鏡161、X向調節機構和Y向調節機構，所述X向調節機構用于對可調節反射鏡161在X軸方向上的俯仰角度進行調節，所述Y向調節機構用于對可調節反射鏡161在Y軸方向上的俯仰角度進行調節；所述可調節反射鏡161上設置有與綜合控制顯示裝置7構成電連接的位移傳感器。在精跟蹤過程中，通過位移傳感器可以實施得到可調節反射鏡161的俯仰狀態，并可通過X向調節機構和Y向調節機構對可調節反射鏡161的俯仰角度進行精細調節。

如圖6-8所示，所述X向調節機構包括兩個X向音圈電機162、兩個X向柔性鉸鏈163和X向基座164，兩個X向音圈電機162彼此相對設置，兩個X向柔性鉸鏈163也彼此相對設置，且兩個X向音圈電機162的設置方向與兩個X向柔性鉸鏈163的設置方向正向交叉；所述可調節反射鏡161固定設置在兩個X向柔性鉸鏈163的頂部，且可調節反射鏡161與兩個X向音圈電機162構成鉸接連接；所述Y向調節機構包括兩個Y向音圈電機165、兩個Y向柔性鉸鏈166和Y向基座167，兩個Y向音圈電機165彼此相對設置，兩個Y向柔性鉸鏈166也彼此相對設置，且兩個Y向音圈電機165的設置方向與兩個Y向柔性鉸鏈166的設置方向正向交叉,兩個Y向音圈電機165的設置方向與兩個X向音圈電機162的設置方向也正向交叉；所述X向基座164固定設置在兩個Y向柔性鉸鏈163的頂部，且X向基座164與兩個Y向音圈電機162構成鉸接連接。

快反鏡16的調節過程如下：兩個X向音圈電機162一組作為X軸驅動機構，兩個Y向音圈電機165一組作為Y軸驅動機構。以繞_y軸轉動為例，工作時，一個Y向音圈電機伸長、另一個Y向音圈電機縮短，兩個Y向音圈電機彼此配合使得X向基座164繞兩個Y向柔性鉸鏈166頂部構成的軸線進行旋轉，從而通過兩個Y向柔性鉸鏈166，將兩個Y向音圈電機165各自的直線運動轉化為X向基座164的旋轉運動，由于可調節反射鏡161設置在X向基座164上，因此可調節反射鏡161也繞兩個Y向柔性鉸鏈166頂部構成的軸線進行旋轉，最終實現了以推拉方式驅動可調節反射鏡161繞_y軸轉動。繞x軸轉動的原理與此類似，此處不在贅述。所述反射鏡可調節反射鏡161具有方位和俯仰兩個自由度。

3.測距單元

測距單元用于完成對跟蹤目標的測距，迅速準確地測定目標的距離參數，將目標的距離信息發送給綜合控制顯示裝置7中的控制器。

如圖10所示，測距單元可以采用激光測距機，其主要負責在跟蹤器穩定狀態下，對目標進行測距，實時提供目標距離。從功能模塊上劃分，該激光測距機分為激光器、發射光學系統、接收光學系統、光電探測及前放組件、接收機、終端機、激光激勵源(激光電源)、瞄準望遠鏡及低壓電源組成。

下面結合附圖對整個激光主動拒止系統的工作過程進行詳細描述。

S1，首先按照附圖將各個部件安裝組裝完畢，從而得到所述激光主動拒止系統。

S2，然后對自適應激光遠場功率密度控制裝置進行調校，即通過視頻采集單元和移動調焦透鏡151，得到不同距離處的激光光斑的聚焦點。

具體說來，如圖9所示，對整個系統進行目標距離與電機移動位移標校。首先系統加電、直線電機13自動歸零位，打開激光光源觸發開關，采用測距單元(即附圖9中的測距模塊)測距并設置目標位置基準點(此基準點可以為設定打擊距離范圍內的任意一點)，然后通過控制器前后調整直線電機13的移動位置，找出所設定的基準點處的激光光斑的聚焦點，標定出基準點處對應的直線電機13的移動位置。設定增量改變目標位置，重復上述標校過程，直至完成全部目標位置的標定，將標校的結果擬合得到位移－距離函數，并將得到的位移－距離函數寫入控制器中的主控制單元程序。

S3，完成調校后的系統處于待機狀態時，通過綜合顯示控制裝置7的控制面板對旋轉支架2進行控制轉動，完成打擊目標的選取，設定對打擊目標的使用方式和使用強度(如衣物致燃或皮膚灼熱等)。

激光產生和發射裝置中含有激光輸出功率控制模塊，利用控制器控制數字電位器DS1867的輸出電阻，使開關電源控制端的電壓改變，從而控制了開關電源的輸出電流，改變光纖激光器功率的輸出。根據不同使用環境和打擊目標的要求，即用戶對光纖激光器的輸出功率性能的要求，針對不同打擊目標和使用種類預先標定好輸出功率。在綜合控制顯示裝置7的控制面板上設置手動激光功率調節旋鈕，對輸出激光功率可實施人工干預以調節激光輸出功率大小。

S4，通過綜合顯示控制裝置7的控制面板完成對目標細部構造(比如犯罪分子的手部)的選取，綜合控制顯示裝置7中的圖像處理模塊采用圖像光流場計算法，首先計算出圖像各像素的光流值，然后進行圖像分割處理，按照圖像的某些特性將圖像信息分割若干個不同區域，在這些不同的每個區域內的圖像像素信息都存在著相同或相近的某些圖像信息特性，但是分割出來的相鄰區域有著特性不同圖像信息，繼而提取特征物體，并找到物體形心位置，從而完成目標位置控制(此部分圖像處理方法具體可參見現有技術)。通過這種方法，系統根據打擊目標的移動信息產生控制信號，控制旋轉支架將激光發射窗口始終對準打擊目標。

S5，利用激光測距機完成對打擊目標的測距，迅速準確地測定目標的距離參數，將目標的距離信息呈現在綜合控制顯示裝置7的顯示器上，系統操作人員根據該距離信息，選擇系統的激光聚焦檔位，等待拒止命令。

S6，可人工設定或自動選擇使用開始信號，當接收到拒止命令后，系統發射的激光通過自適應激光遠場功率密度控制裝置匯聚于打擊目標表面，完成主動拒止動作。

S7，根據綜合控制顯示裝置7顯示的目標狀態判斷拒止行動效果，若達到效果則系統進入待機狀態，若效果不理想則再次發射激光。