[发明专利]一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置

权利要求书

1.一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：包括视场压缩系统(1)、半透半反镜(2)、角度粗测模块(3)和角度精测模块(4)，所述视场压缩系统(1)的光路方向上设置有半透半反镜(2)，所述半透半反镜(2)的反射光路上设置角度粗测模块(3)，所述半透半反镜(2)的透射光路上设置有角度精测模块(4)；所述角度粗测模块(3)包括第一后置镜头(5)、四象限探测器(6)、粗测控制及数据处理电路(7)，所述第一后置镜头(5)设置在半透半反镜(2)的反射光路上，所述四象限探测器(6)设置在第一后置镜头(5)的光路方向上，所述四象限探测器(6)通过导线与粗测控制及数据处理电路(7)连接；所述角度精测模块(4)包括二维光栅(8)、第二后置镜头(9)、面阵探测器(10)、精测控制及数据处理电路(11)，所述二维光栅(8)设置在半透半反镜(2)的透射光路上，所述二维光栅(8)的衍射光路上依次设置有第二后置镜头(9)、面阵探测器(10)，所述面阵探测器(10)通过导线与精测控制及数据处理电路(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述视场压缩系统(1)将入射激光压缩，所述入射激光经半透半反镜(2)反射进入第一后置镜头(5)，所述第一后置镜头(5)将光斑成像在四象限探测器(6)上时，所述四象限探测器(6)将入射光强转化成相应光电流信号输出至粗测控制及数据处理电路(7)，当入射激光的角度发生变化时，所述四象限探测器(6)每个象限对应的光电流就会发生变化，通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测，最终实现入射激光角度的粗测。

3.根据权利要求1所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述视场压缩系统(1)将入射激光压缩，所述入射激光经半透半反镜(2)透射进入二维光栅(8)，然后经过二维光栅(8)衍射出衍射光，所述衍射光分为x和y方向，所述衍射光经过第二后置镜头(9)汇聚在面阵探测器(10)上形成光斑，通过精测控制及数据处理电路(11)对面阵探测器(10)上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测。

4.根据权利要求2所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测的方法为：

当光斑中心位于四象限探测器中心时，各象限输出相等的光电流，当光斑中心偏离其中心时，四个象限上随光斑面积S₁、S₂、S₃、S₄的不同而产生不同的光电流I₁、I₂、I₃、I₄，当光斑能量均匀且忽略时，光电流与光斑在四象限探测器每个象限上所占的面积成正比,当光斑中心偏离四象限探测器中心时，用σ_x和σ_y表示在四象限探测器上光斑在两个方向输出的位置信息，则有：

光斑的中心坐标(x₀,y₀)与光斑相对中心偏移量σ_x和σ_y之间的关系为：

所述k为比例系数，所述k＝4/π·r，所述r为光斑半径，所述光斑半径等于四象限探测器半径的一半；

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

根据几何光学理论得出入射激光角度方位角α_粗和俯仰角γ_粗粗测值为：

所述c为视场压缩系统的压缩比，所述l为第一后置镜头到四象限探测器的距离。

5.根据权利要求3所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述通过精测控制及数据处理电路(11)对面阵探测器(10)上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测的方法为：

设m和n分别代表入射激光在x和y方向的衍射级次，在x方向由光栅衍射方程得：

所述c为视场压缩系统的压缩比；

再由几何成像理论可知：

同理可得：在y方向，由光栅衍射方程和几何成像理论得到：

由(a)式和(c)式得到：

所述d为二维光栅常数，所述λ为入射激光波长，所述m为激光通过二维光栅(8)在面阵探测器(10)上的x的方向衍射级次，所述n为激光通过二维光栅(8)在面阵探测器(10)上的y的方向衍射级次，所述β_xm为在面阵探测器(10)上x方向的第m级衍射角，所述β_yn为在面阵探测器(10)上y方向的第n级衍射角，所述x(m,n)为面阵探测器(10)上激光第(m,n)级衍射光斑的x坐标值，所述y(m,n)为面阵探测器(10)上激光第(m,n)级衍射光斑的y坐标值；

结合(c)、(d)、(e)式推导出波长λ，将λ代入(a)式得到：

所述Δα_粗表示粗测的角度误差，所述α_粗为入射激光角度方位角粗测值；

以α_精为变量，以m为函数，m₁和m₂取整数，且abs(m₁-m₂)最小的m为所得的最终m₀，将得到的λ和m₀代入下式最终获得精确的方位角α_精：

以γ_精为变量，以n为函数，n₁和n₂取整数，且记abs(n₁-n₂)最小的n为所得的最终n₀，将得到的λ和n₀代入下式最终获得俯仰角的精确值γ_精：

角度精测模块(4)第二后置镜头(9)的长焦为f₂，只要保证光谱范围最长波长的激光衍射两级在面阵探测器(10)上就可实现角度的精确测量。