CN110487120A - 一种远距离照明的激光防御系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种远距离照明的激光防御系统及方法，包括：跟踪机架、主激光发射系统、照明系统、粗跟踪探测器、精跟踪系统、调焦系统和控制器；主激光调节发射系统一方面通过光束调节系统发射发散激光为粗跟踪提供照明，另一方面实现目标锁定和会聚光束打击；发明提出对主激光系统进行连续可变调焦，在粗跟踪阶段对搜索空间进行照明，增加了粗跟踪照明能量，在相同条件下可实现更远距离探测或更大视场范围搜索。主激光发射能量为照明系统激光发射能量的2‑10倍时，粗跟踪极限探测距离是单照明系统探测距离的1.3‑1.8倍。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器中光束控制技术领域，具体涉及一种远距离照明的激光防御系统及方法。
背景技术
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操控的不载人飞机。20世纪90年代，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，纷纷采用各种新技术大力发展无人机。如今，无人机己经具有侦查、投弹、干扰等多种功能。随着军用和民用无人机的不断涌现，出于国民安全和国土安全需求，反无人机意识得以不断提升，各国早己开展这方面的研究工作。但采用传统手段抗击无人机，不仅成功率低，而且还有可能对地面和人群造成附带损伤，而激光防御是比较有效的手段之一。
在激光防御系统中，激光搜索作用距离平方与目标反射光功率成正比。在不带自照明的激光防御系统中目标只能通过对环境光反射，目标自身发光或热辐射进行搜索和捕获，其作用距离短且易受到环境光影响。在带有自照明的激光防御系统中，目标主要通过对照明光的反射光进行搜索和捕获，在照明光发射角和探测率一定的情况下，其作用距离主要由照明光的功率的决定。现有激光防御技术中目标的发现和跟踪对照明激光功率的高度依赖，照明系统需设计成大功率激光发射，不仅不利于系统小型化还增加了系统的成本。
如专利“一种近程激光防御系统”(201721280043.5)、“一种无人机低空防御系统”(201710827342.4)、“一种无人机综合防御系统及方法”(201610361694.0)、“无人机载激光武器反无人机系统”(201811097389.0)都采用了光电探测和跟踪的方式，但均未提到主动照明的方式。专利“一种基于高精度双波长强激光的要地防御系统”中提到也采用了双波长强激光，但并未用于照明搜索而是用于示警。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种远距离照明的激光防御系统及方法，通过对主发射激光的控制和调节在粗跟踪阶段实现双波段激光照明增加探测距离。
第一方面，本发明实施例提供了一种远距离照明的激光防御系统，包括：跟踪机架、主激光发射系统、照明系统、粗跟踪探测器、精跟踪系统、调焦系统和控制器；
跟踪机架为可电动调节的承载平台，主激光发射系统发射方向、粗跟踪探测器探测方向和精跟踪系统探测方向都随跟踪机架方向改变而改变，在无跟踪目标的情况下，由控制器发送控制信号给跟踪机架实现已规划搜索路径扫描，在有跟踪目标情况下，由控制器根据粗跟踪探测器信号计算控制信号输出给跟踪机架进行目标跟踪；
主激光发射系统，发射高功率激光束，用于目标打击或粗跟踪照明，由精跟踪执行器和跟踪机架控制出射方向，由控制器控制出射时间和出射功率；
主激光发射系统，发射1-10kW高功率单波长激光束，用于目标打击或粗跟踪照明，由精跟踪执行器和跟踪机架控制出射方向，由控制器控制出射时间和出射功率；(何为高功率，请给出范围)
粗跟踪探测器，响应主激光波段和照明光波段反馈光信号，实现1-5°大视场目标探测与目标位置信号反馈，探测精度约30″-5′，反馈信号由目标位置和跟踪机架决定，输出位置信号给控制器用于控制跟踪机架，粗跟踪残差约30″-5′；
精跟踪系统，通过控制器接收到的粗跟踪探测器和精跟踪系统中传感器回传位置控制精跟踪系统中执行器消除粗跟踪残差，由于接收发射共光路，经精跟踪系统校正后，激光发射激光应当能精确指向目标；
照明系统，对搜索空域进行照明，为粗跟踪探测器和精跟踪系统提供信号光，照明系统的激光发射角为1-5°度，照明系统开关由控制器控制，照明系统的激光发射与主激光发射系统为不同波段；
调焦系统，由控制器控制调焦器件，主激光发射系统发射激光经调焦系统后可在一定范围内连续改变主激光束发散角，主调节光束成发散状态用于目标搜索，将光束平行出射或会聚于目标上用于目标打击；
主控制器，控制照明系统，并根据粗跟踪探测器、精跟踪系统回传信号分别控制执行器件完成目标的捕获、锁定和聚焦，同时对照明、捕获、锁定、主动防御流程进行控制。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述精跟踪系统包含精跟踪传感器和精跟踪执行器；
所述精跟踪传感器，用于对指定范围内目标的搜索和位置反馈,跟踪范围为10′-20′，精跟踪传感器与主激光发射系统共口径，所述精跟踪传感器探测不可响应主激光波段光信号，信号由目标位置和跟踪机架和精跟踪执行器状态决定，输出位置信号给控制器用于控制精跟踪执行器；
所述精跟踪执行器由控制器通过精跟踪传感器信号进行控制对目标进行精跟踪，以锁定目标，精跟踪执行器一般选用压电陶瓷或音圈电机，通过控制精跟踪执行器镜面倾斜实现目标跟踪；
所述控制器的控制流程如下：
(1)系统工作时，首先打开照明激光，激光为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；
(2)主激光发射系统初始状态为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；
(3)在探测视场中无目标时，跟踪机架按已规划路径进行扫描；
(4)当粗跟踪探测器视场中出现目标时，由粗跟踪探测器向控制器反馈目标大致位置；
(5)控制器控制跟踪机机架对目标进行粗跟踪；
(6)当粗跟踪系统进行稳定跟踪后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束不断会聚，以增强粗跟踪传感器目标能量回波；
(7)目标进入精跟踪传感器，由精跟踪传感器向控制器反馈目标的精确位置；
(8)控制器控制精跟踪执行器对目标进行精跟踪；
(9)目标锁定后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束聚焦到目标上，进行激光打击或摧毁。
第二方面，本发明还提供一种远距离照明的激光防御方法，实现如下：
(1)在搜索的粗跟踪阶段，主激光发射系统初始状态为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等，主激光与照明激光波段不同，主激光发射能量约为照明系统激光发射能量的2-10倍；
(2)粗跟踪探测器同时响应主激光发射波段和照明激光波段，相同距离目标回波能量是单照明系统能量回波的3-11倍，极限探测距离是单照明系统探测距离的1.3-1.8倍；
(3)当粗跟踪系统进行稳定跟踪后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束不断会聚，以增强粗跟踪传感器目标能量回波，可进一步提高粗跟踪探测器信噪比。
(4)精跟踪传感器只响应照明激光波段，防止主激光发射系统对精跟踪传感器的影响而导致跟踪失效，使系统锁定目标；
(5)系统锁定目标后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束聚焦到目标上，可通过回波能量最大或光斑尺寸最小来判定聚焦精度。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供的远距离照明的激光防御系统，采用主控制器、主激光调节发射系统、粗跟踪探测器、精跟踪系统和照明系统使得整个系统一体化和自动化，采用主激光调节发射系统使能量采用率得以提高；现有激光防御技术中目标的发现和跟踪对照明激光功率的高度依赖，照明系统需设计成大功率激光发射，不仅不利于系统小型化还增加了系统的成本。利用主激光在粗跟踪阶段对探测区域进行照明，在要求相同作用距离情况下，可减少照明激光功率输出有利于系统小型化，在同等照明激光功率条件下可实现更远有效距离探测或更大视场范围搜索。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明第一实施例所提供的一种远距离照明的激光防御系统的原理示意图；
图2示出了本发明第一实施例所提供的一种远距离照明的激光防御系统的光机系统示意图；
图3示出了本发明第一实施例所提供的一种远距离照明的激光防御系统工作流程图；
图4示出了本发明第二实施例所提供的一种远距离照明的激光防御系统工作流程图；
主要元件符号说明：
1跟踪机架；2主激光发射系统；3照明系统；4粗跟踪探测器；5精跟踪系统；6调焦系统；7控制器；51精跟踪传感器；52精跟踪执行器；11跟踪机架承载平台；22主激光发射接收光学系统；33照明光学系统；44粗跟踪光学系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有激光防御技术中目标的发现和跟踪对照明激光功率的高度依赖，照明系统需设计成大功率激光发射，不仅不利于系统小型化还增加了系统的成本。利用主激光在粗跟踪阶段对探测区域进行照明，在要求相同作用距离情况下，可减少照明激光功率输出有利于系统小型化，在同等照明激光功率条件下可实现更远有效距离探测或更大视场范围搜索。
如图1所示，本发明的第一种实施例提供的远距离照明的激光防御系统具体包括：跟踪机架1、主激光发射系统2、照明系统3、粗跟踪探测器4、精跟踪系统5、调焦系统6和控制器7。
跟踪机架为可电动调节的承载平台，主激光发射系统发射方向、粗跟踪探测器探测方向和精跟踪系统探测方向都随跟踪机架方向改变而改变，在无跟踪目标的情况下，由控制器发送控制信号给跟踪机架实现已规划搜索路径扫描，在有跟踪目标情况下，由控制器根据粗跟踪探测器信号计算控制信号输出给跟踪机架进行目标跟踪；
主激光发射系统，发射高功率激光束，用于目标打击或粗跟踪照明，由精跟踪执行器和跟踪机架控制出射方向，由控制器控制出射时间和出射功率；
粗跟踪探测器，响应主激光波段和照明光波段反馈光信号，实现1-5°大视场目标探测与目标位置信号反馈，反馈信号由目标位置和跟踪机架决定，输出位置信号给控制器用于控制跟踪机架；
精跟踪系统，用于目标锁定，消除粗跟踪残差，使激光束能精准地打在目标上；
照明系统，对搜索空间照明，为粗跟踪探测器和精跟踪系统提供信号光，激光发射角为1-5°度，照明系统激光发射与主激光发射系统为不同波段；
调焦系统，在一定范围内可连续改变主激光束发散角，可主调节光束成发散状态用于目标搜索，可将光束平行出射或会聚于目标上用于目标打击；
主控制器，根据粗跟踪探测器、精跟踪系统回传信号分别控制执行器件完成目标的捕获和锁定，同时对照明、捕获、锁定、主动防御流程进行控制。
进一步的，本发明实施例中的精跟踪系统功能具体可以通过精跟踪传感器51、精跟踪执行器52和控制器7具体实现。目标进行入精跟踪传感器51视场后，精跟踪执行器52通过控制器7由精跟踪传感器51回传信号进行闭环跟踪控制。其中，精跟踪传感器光学系统与主激光发射系统光学系统共光路，所以目标反射主激光发射信号光不应作为精跟踪参考。故精跟踪传感器51不响应主发射激光波段。
系统光机接口如图2，系统光学发射接收光机系统由跟踪机架承载平台11、主激光发射接收光学系统22、照明光学系统33、粗跟踪光学系统44组成：
跟踪机架承载平台11为整个光学系统的承载平台，同时用作粗跟踪的执行器件，通常选用二维电动转台和云台等执行器件。
主激光发射接收光学系统22包含了主激光发射系统1、调焦系统6和精跟踪系统5中的光学系统部分，主激光口径大于照明光学系统和粗跟踪光学系统以便接收更多光信息；
粗跟踪光学系统44接收粗跟踪信号光；
照明光学系统33设计为发散的光学发射系统，发散角大于或等于粗跟踪探测器4的接收视场。
具体的控制流程，如图3所示，主要步骤：
(1)系统工作时，首先打开照明激光，激光为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；
(2)主激光发射系统初始状态为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；主激光与照明激光波段不同，主激光发射能量约为照明系统激光发射能量的2-10倍；相同距离目标回波能量是单照明系统能量回波的3-11倍，极限探测距离是单照明系统探测距离的1.3-1.8倍；
(3)在探测视场中无目标时，跟踪机架按已规划路径进行扫描；
(4)当粗跟踪探测器视场中出现目标时，由粗跟踪探测器向控制器反馈目标大致位置；
(5)控制器控制跟踪机机架对目标进行粗跟踪；
(6)当粗跟踪系统进行稳定跟踪后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束不断会聚，以增强粗跟踪传感器目标能量回波；同时目标进入精跟踪传感器，由精跟踪传感器向控制器反馈目标的精确位置；控制器控制精跟踪执行器对目标进行精跟踪；
(7)目标锁定后，对目标进行识别，如需要击毁，则控制器控制调焦系统将主激光发射光束聚焦到目标上，进行激光打击或摧毁。
另外，光电探测方式具有指向性好，精度高等优点，缺点是视场小。本发明还提供了第二种实施例，系统还包括微波雷达。工作流程如图4所示：
(1)系统工作时，首先打开照明激光，激光为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；
(2)主激光发射系统初始状态为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；主激光与照明激光波段不同，主激光发射能量约为照明系统激光发射能量的2-10倍；相同距离目标回波能量是单照明系统能量回波的3-11倍，极限探测距离是单照明系统探测距离的1.3-1.8倍；
(3)在无目标时由微波雷达扫描搜寻目标，微波雷达捕获到目标后控制跟踪机架将目标引导进行粗跟踪探测器视场。
(4)当粗跟踪探测器视场中出现目标时，由粗跟踪探测器向控制器反馈目标大致位置；
(5)控制器控制跟踪机机架对目标进行粗跟踪；
(6)当粗跟踪系统进行稳定跟踪后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束不断会聚，以增强粗跟踪传感器目标能量回波；同时目标进入精跟踪传感器，由精跟踪传感器向控制器反馈目标的精确位置；控制器控制精跟踪执行器对目标进行精跟踪；
(7)目标锁定后，对目标进行识别，如需要击毁，则控制器控制调焦系统将主激光发射光束聚焦到目标上，进行激光打击或摧毁。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种远距离照明的激光防御系统，其特征在于，包括：跟踪机架、主激光发射系统、照明系统、粗跟踪探测器、精跟踪系统、调焦系统和控制器；
跟踪机架为电动调节的承载平台，主激光发射系统发射方向、粗跟踪探测器探测方向和精跟踪系统探测方向都随跟踪机架方向改变；在无跟踪目标的情况下，由控制器发送控制信号给跟踪机架实现已规划搜索路径扫描；在有跟踪目标情况下，由控制器根据粗跟踪探测器信号计算控制信号输出给跟踪机架进行目标跟踪；
主激光发射系统，发射1-10kW高功率单波长激光束，用于目标打击或粗跟踪照明，由精跟踪执行器和跟踪机架控制出射方向，由控制器控制出射时间和出射功率；
粗跟踪探测器，响应主激光波段和照明光波段反馈光信号，实现1-5°大视场目标探测与目标位置信号反馈，粗跟踪探测精度30″-5′，反馈信号由目标位置和跟踪机架决定，输出位置信号给控制器用于控制跟踪机架；
精跟踪系统，通过控制器接收到的粗跟踪探测器和精跟踪系统中传感器回传位置控制精跟踪系统中执行器消除粗跟踪残差，由于接收发射共光路，经精跟踪系统校正后，激光发射激光应当能精确指向目标；
照明系统，对搜索空域进行照明，为粗跟踪探测器和精跟踪系统提供信号光，照明系统的激光发射角为1-5°度，照明系统开关由控制器控制，照明系统的激光发射与主激光发射系统为不同波段；
调焦系统，由控制器控制调焦器件，主激光发射系统发射激光经调焦系统后在一定范围内连续改变主激光束发散角，主调节光束成发散状态用于目标搜索，将光束平行出射或会聚于目标上用于目标打击；
主控制器，控制照明系统，并根据粗跟踪探测器、精跟踪系统回传信号分别控制执行器件完成目标的捕获、锁定和聚焦，同时对照明、捕获、锁定、主动防御流程进行控制。
2.根据权利要求1所述的远距离照明的激光防御系统，其特征在于：所述精跟踪系统包含精跟踪传感器和精跟踪执行器；
所述精跟踪传感器，用于对指定范围内目标的搜索和位置反馈,跟踪范围为10′-20′，精跟踪传感器与主激光发射系统共口径，所述精跟踪传感器探测不可响应主激光波段光信号，信号由目标位置和跟踪机架和精跟踪执行器状态决定，输出位置信号给控制器用于控制精跟踪执行器；
所述精跟踪执行器由控制器通过精跟踪传感器信号进行控制对目标进行精跟踪，以锁定目标，精跟踪执行器一般选用压电陶瓷或音圈电机，通过控制精跟踪执行器镜面倾斜实现目标跟踪。
3.根据权利要求1所述的远距离照明的激光防御系统，其特征在于：所述控制器的控制流程如下：
(1)系统工作时，首先打开照明激光，激光为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；
(2)主激光发射系统初始状态为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等；
(3)在探测视场中无目标时，跟踪机架按已规划路径进行扫描；
(4)当粗跟踪探测器视场中出现目标时，由粗跟踪探测器向控制器反馈目标大致位置；
(5)控制器控制跟踪机机架对目标进行粗跟踪；
(6)当粗跟踪系统进行稳定跟踪后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束不断会聚，以增强粗跟踪传感器目标能量回波；
(7)目标进入精跟踪传感器，由精跟踪传感器向控制器反馈目标的精确位置；
(8)控制器控制精跟踪执行器对目标进行精跟踪；
(9)目标锁定后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束聚焦到目标上，进行激光打击或摧毁。
4.一种远距离照明的激光防御方法，其特征在于，实现如下：
(1)在搜索的粗跟踪阶段，主激光发射系统初始状态为发散状态，发散角和粗跟踪探测器视场相等，主激光与照明激光波段不同，主激光发射能量为照明系统激光发射能量的2-10倍；
(2)粗跟踪探测器同时响应主激光发射波段和照明激光波段，相同距离目标回波能量是单照明系统能量回波的3-11倍，极限探测距离是单照明系统探测距离的1.3-1.8倍；
(3)当粗跟踪系统进行稳定跟踪后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束不断会聚，以增强粗跟踪传感器目标能量回波，进一步提高粗跟踪探测器信噪比；
(4)精跟踪传感器只响应照明激光波段，防止主激光发射系统对精跟踪传感器的影响而导致跟踪失效，实现锁定目标；
(5)锁定目标后，控制器控制调焦系统将主激光发射光束聚焦到目标上，通过回波能量最大或光斑尺寸最小来判定聚焦精度，再反馈控制调焦系统对焦实现目标跟踪和打击。
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