[发明专利]一种内补偿光学系统及光束稳定控制方法

权利要求书

1.一种内补偿光学系统，其特征在于，包括光源、准直光学系统以及光束扩束系统，所述光源位于准直光学系统的像面位置，所述光束扩束系统位于准直光学系统的平行出射光路中；

所述光源经准直光学系统准直后形成平行光束入射光束扩束系统，所述光束扩束系统用于将入射平行光束扩束后出射；所述光源可纵向移动以改变准直光学系统出射光束的出射角，进而补偿载体的纵摇；

所述光束扩束系统为柱面扩束镜，所述柱面扩束镜的入射表面由上至下均匀间隔布置有若干柱面镜单元，各柱面镜单元之间为平面镜单元；

所述柱面镜单元可绕其视轴旋转，进而使柱面扩束镜的出射光束同步旋转，所述柱面扩束镜出射光束的旋转角度用于补偿载体横摇。

2.根据权利要求1所述的内补偿光学系统，其特征在于，所述柱面镜单元的出射光张角α₀为：

当柱面镜单元的入射角为δ时，柱面镜单元的出射光张角变化量Δ为：

式中，f为柱面镜单元的焦距，s为柱面镜单元的弦长。

3.根据权利要求1所述的内补偿光学系统，其特征在于，所述光源纵向移动h距离时，所述准直光学系统的出射光束的出射角θ₀为：

θ₀＝arctan(h/f')

式中，f′为准直光学系统的焦距。

4.一种根据权利要求1所述内补偿光学系统的光束稳定控制方法，其中，所述内补偿光学系统包括光源、准直光学系统以及光束扩束系统，所述光源位于准直光学系统的像面位置，所述光束扩束系统位于准直光学系统的平行出射光路中；其特征在于，所述光束稳定控制方法包括：

移动所述光源的高低位置，以改变准直光学系统出射光束的出射角，补偿载体纵摇；

将所述柱面镜单元绕其视轴旋转，进而使柱面扩束镜的出射光束同步旋转，以补偿载体横摇。

5.根据权利要求4所述的光束稳定控制方法，其特征在于，还包括：

基于引导光束的中心光线稳定机理和引导光束的倾斜稳定机理，以保证引导光束中心光线稳定为目标，计算纵摇补偿角度和横摇补偿角度；其中，所述引导光束即为柱面扩束镜的出射光束。

6.根据权利要求5所述的光束稳定控制方法，其特征在于，基于引导光束的中心光线稳定机理，以保证引导光束中心光线稳定为目标，计算纵摇补偿角度，具体包括：

定义引导光束中心光线在纵补光束坐标系O-X_FY_FZ_F中的第一矢量为则所述中心光线在大地坐标系内的坐标为：

当载体纵摇α、横摇β时，相应内补偿光学系统的纵摇补偿θ、横摇补偿此时引导光束在大地坐标系内的坐标为：

要保证引导光束中心光线稳定，即要求：

由此可得纵摇补偿角度θ为：

上式中，表示载体坐标系相对于大地坐标系的变化矩阵；表示内补偿光学系统连体坐标系相对于载体坐标系的变化矩阵；表示纵补偿相对坐标系相对于内补偿光学系统连体坐标系的变化矩阵；λ表示内补偿光学系统与载体的安装夹角。

7.根据权利要求6所述的光束稳定控制方法，其特征在于，基于引导光束的倾斜稳定机理，以保证引导光束中心光线稳定为目标，计算横摇补偿角度，具体包括：

定义引导光束倾斜在引导光束坐标系O-X_LY_LZ_L的特征矢量为则此特征矢量在大地坐标系内的坐标为：

当载体纵摇α、横摇β时，相应内补偿光学系统的纵摇补偿θ、横摇补偿此时引导光束在大地坐标系内的坐标为：

要保证引导光束中心光线稳定，即要求：

由此可得横摇补偿角度为：

上式中，表示载体坐标系相对于大地坐标系的变化矩阵；表示内补偿光学系统连体坐标系相对于载体坐标系的变化矩阵；表示引导光束坐标系相对于内补偿光学系统连体坐标系的变化矩阵。