一种激光探测线性自动校准装置的制作方法

1.本发明属于光电测量及计量技术领域，涉及一种激光探测线性自动校准装置。


背景技术：

2.随着激光技术的快速发展，激光在工业加工、通信、医疗、国防等领域都得到了广泛应用。特别是将激光作为探测光束的应用相当广泛，如激光测距、激光制导、激光跟踪和激光告警等相关的军用激光仪器与武器在现代战争中显示了突出的优越性。而激光探测器灵敏度高、响应速度快，在发现信号、测量信号过程中起到至关重要的作用，是这些仪器与武器的“眼睛”，其性能优劣将影响整个探测系统的性能。
3.激光探测器朝着大动态范围、低噪声、低最小可探测功率、大靶面、大规模阵列发展，其光电响应性能是激光探测器的重要指标，也是激光能量/功率物理量测量准确性的关键参数，其准确性影响测量量值的准确，也是衡量激光探测器性能优劣的关键指标。
4.目前商用激光能量计可到pj级，然而激光探测器的最小可探测激光能量已低至fj级别。常用线性标定的方法来向下传递量值，主要是衰减法及面积法。衰减法是采用定倍率衰减，一级一级向下量传，每一级引入的测量不确定度主要是定倍衰减器自身的衰减倍率衰减，一般在1％以上，经过多次累加，不确定度很难控制。面积法采用不同面积在大光斑中取孔取孔来传递量值，主是受限于光斑分布的均匀性所引起的衰减误差。这两种方法测量不确定度比较大，且不能闭环验证，特别是到了fj量级，可靠性极低，因此其线性特性的测量与校准还处于不确定度较大、难以验证的技术水平。
5.可见，激光能量校准虽然可溯源到上级激光能量标准，但仅是单点的校准方法，在mj级有较小的测量不确定度，再往下的量程都需要通过线性校准进行传递。探测线性基本上采用定倍率衰减法，或面积比较法。但这两种方法一是受限于定倍衰减片的衰减比准确性，另受限于光斑均匀性，并且比较结果都无法闭环验证。激光标准量值来源于低温辐射计，因此在常规量程，传递的量值准确性可控制在3％以内。以向低量程扩展为例，到了nj级，所传递的不确定度已达8％以上。而目前激光探测器的最小可探测能量已低于fj级，因此现有线性校准的不确定度仅量值传递一项已难以达到精确要求。


技术实现要素：

6.(一)发明目的
7.本发明的目的是：针对激光能量/功率的线性标定方法依赖于利用衰减定倍率衰减法，或面积比较法，其线性标定引入测量不确定度较大，导致mj以下量程量值测量不确定度较大，到fj级测量不确定度可达10％以上的问题，同时改进线性标定的自动化程度，提供了一种全自动化操作与数据处理，并且可将线性校准测量不确定度优化到2％的一种激光探测线性自动校准装置。
8.(二)技术方案
9.为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光探测线性自动校准装置，其包括：稳
定激光束1、准直缩束光学系统2、电控渐变衰减器3、多片固定倍率电控衰减器4、微反射镜阵列5、被校探测器6、标准探测器7、电脑控制端8，稳定激光束1经准直缩束光学系统2输出准直小口径激光束，经电控渐变衰减器3以及多片固定倍率电控衰减器4，照射到微反射镜阵列5上；微反射镜阵列5设置控制全开时，即由电脑控制端8输出全白图像，激光束反射到被校探测器7；微反射镜阵列5设置控制全关时，即由电脑控制端8输出全黑图像，激光束反射到标准探测器6。
10.其中，所述电控渐变衰减器3产生30db连续衰减调节。
11.其中，所述固定倍率电控衰减器4包括五片20db衰减递增的衰减片，最大衰减为100db。
12.其中，所述微反射镜阵列5选择靶面小于8mm，分辨率1024
×
760。
13.其中，所述微反射镜阵列5中，每个微镜单元包含反射镜，反射镜采用铝制平面镜，在可见光波段和红外波段高反。
14.其中，所述微反射镜阵列5中，反射镜沿着对角线方向翻转，翻转角度为 12
°
和-12
°
，分别代表着“开”和“关”状态。
15.本发明还提供一种激光探测线性自动校准方法，基于激光探测线性自动校准装置进行校准，由电脑控制端8根据校准量程控制多片固定倍率电控衰减器4，输出被校量程激光束最大值；再控制电控渐变衰减器3在量程中进行细分；微反射镜阵列5设置控制全开，电脑控制端8读取被校探测器7测量激光能量值q1，微反射镜阵列5设置控制全关，电脑控制端8读取标准探测器6测量激光能量值q2，将q2值赋值给被校探测器；根据黑白图控制微反射镜阵列5微反射镜阵列开关的数量，当满足设定图像与该图像取反时，被校探测器7输出激光能量值相同，即为q2/2值，赋值给被校探测器7；调节电控渐变衰减器3，以及多片固定倍率电控衰减器4，自动重复操作，得到被校探测器7整个测量量程中的线性赋值曲线，再通过向微反射镜阵列5输出不同比例黑白图进行验证。
16.进行被校探测器修正系数校准时，首先设置微反射镜阵列全关，激光束反射到标准探测器6上，以标准探测器6溯源校准证书出具的校准点为准，调节衰减量，激光能量到达校准点值
±
5％范围内，作为线性校准的起始点；设置微反射镜阵列5全开，激光束反射到被校探测器7，记录激光能量测量值q1；设置微反射镜阵列全关，激光束反射到标准探测器，记录激光能量测量值q2。得到修正系数校准值：
[0017][0018]
式中：
[0019]
——q2能量点处被校探测器修正系数校准值；
[0020]
q1——被校探测器能量测量值，j；
[0021]
q2——标准探测器校准点能量测量值，j。
[0022]
根据黑白图控制微反射镜阵列微反射镜开关数量，当满足设定图像与该图像取反时，被校探测器输出激光能量值相同，测量值为q
11
，而标准值则为q2/2值，将该值以修正系数形式赋值给被校探测器：
[0023][0024]
——q2/2能量点处被校探测器修正系数标准值；
[0025]q11
——被校探测器能量测量值，j；
[0026]
设置微反射镜阵列全开，调节衰减量，激光能量到达q2/2值
±
5％范围内，记录被校探测器测量值，再取50％激光，记录测量值；重复n次后，可校准到q1/2n量值。
[0027]
(三)有益效果
[0028]
上述技术方案所提供的激光探测线性自动校准装置，采用微反射镜阵列(dmd器件)作为分光元件，相比于传统的定倍率衰减法及面积比较法，分光比例调节简易、可控，且没有衰减倍率定标不准确、面积标定不准确、光斑分布不均匀所引入的测量不确定度分量；结合标准探测器的监视作用，其标定不确定仅来源于探测器自身的重复性影响。再配合电控渐变衰减器，以及多片固定倍率电控衰减器，可实现120db范围内的细微步长的探测线性自动校准，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0029]
图1是本发明激光探测线性自动校准装置原理示意图。
[0030]
图中：1-稳定激光束，2-准直缩束光学系统，3-电控渐变衰减器，4-多片固定倍率电控衰减器，5-微反射镜阵列(简称dmd器件)，6-被校探测器，7-标准探测器，8-电脑控制端。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0032]
参阅图1，在以下描述的实施例中，能够实现激光探测线性自动校准，产生灵敏度或修正系数拟合曲线或数据表。
[0033]
本实施例激光探测线性自动校准装置包括：稳定激光束1，准直缩束光学系统2，电控渐变衰减器3，多片固定倍率电控衰减器4，微反射镜阵列(简称dmd器件)5，被校探测器6，标准探测器7，电脑控制端8。
[0034]
稳定激光束1经准直缩束光学系统2输出准直小口径激光束，经电控渐变衰减器3，以及多片固定倍率电控衰减器4，照射到微反射镜阵列(简称dmd器件)5上。dmd器件5设置控制全开时，即由电脑控制端8输出全白图像，激光束反射到被校探测器7；dmd器件5设置控制全关时，即由电脑控制端8输出全黑图像，激光束反射到标准探测器6。工作时，由电脑控制端8根据校准量程控制多片固定倍率电控衰减器4，输出被校量程激光束最大值；再控制电控渐变衰减器3在量程中进行细分。dmd器件5设置控制全开，电脑读取被校探测器7测量激光能量值q1，dmd器件5设置控制全关，电脑读取标准探测器6测量激光能量值q2，将q2值赋值给被校探测器。根据黑白图控制dmd器件5微反射镜阵列开关的数量，当满足设定图像与该图像取反时，被校探测器7输出激光能量值相同，即为q2/2值，赋值给被校探测器7。调节电控渐变衰减器3，以及多片固定倍率电控衰减器4，自动重复操作，即可得到被校探测器7整个测量量程中的线性赋值曲线。再通过向dmd器件5输出不同比例黑白图进行验证。
[0035]
准直缩束光学系统输出准直小口径稳定激光束，由于激光探测器靶面一般较小，小于φ5mm，因此准直光束小于φ5mm，dmd器件选择靶面小于8mm，分辨率1024
×
760。当激光探测器靶面小至mm级以下时，可以调节准直系统，实现聚焦小光斑效果。
[0036]
电控渐变衰减器及多片固定倍率电控衰减器的作用在于在较大的量程中产生能量/功率连续可调的激光输出，其中固定倍率电控衰减器安装五片20db衰减递增的衰减片，最大衰减可达100db；渐变衰减器产生30db连续衰减调节。
[0037]
dmd器件每个微镜单元主要包含反射镜面，寻址电极，cmos存储单元，以及其他的一些连接结构。反射镜采用铝制平面镜，在可见光波段和红外波段都有很好的反射率。微镜的翻转是沿着对角线方向，翻转角度为 12
°
和-12
°
，分别代表着“开”和“关”状态。因此可以控制激光束的照射方向，以及各个方向上的面积。
[0038]
以被校探测器修正系数校准为例，首先设置dmd器件全关，激光束反射到标准探测器上，以标准探测器溯源校准证书出具的校准点为准，调节衰减量，激光能量到达校准点值
±
5％范围内，作为线性校准的起始点。
[0039]
设置dmd器件全开，激光束反射到被校探测器，记录激光能量测量值q1；设置dmd器件全关，激光束反射到标准探测器，记录激光能量测量值q2。得到修正系数校准值：
[0040][0041]
式中：
[0042]
——q2能量点处被校探测器修正系数校准值；
[0043]
q1——被校探测器能量测量值，j；
[0044]
q2——标准探测器校准点能量测量值，j。
[0045]
被校探测器(7)若输出激光能量值v1，则得到灵敏度系数：
[0046][0047]
式中：
[0048]v1
——被校探测器电压测量值，v。
[0049]
q2——标准探测器校准点能量测量值，或计算能量标准值，j；
[0050]
根据黑白图控制dmd器件微反射镜开关数量，当满足设定图像与该图像取反时，被校探测器输出激光能量值相同，测量值为q
11
，而标准值则为q2/2值，将该值以修正系数形式赋值给被校探测器：
[0051][0052]
——q2/2能量点处被校探测器修正系数标准值；
[0053]q11
——被校探测器能量测量值，j；
[0054]
设置dmd器件全开，调节衰减量，激光能量到达q2/2值
±
5％范围内，记录被校探测器测量值，再取50％激光，记录测量值。重复n次后，可校准到q1/2n量值，也即10次校准可达103量程。
[0055]
得到的修正系数可通过插值拟合的方法形成修正曲线，或是从不同的q1值开始重
复扫描，得到数据表。当被校探测器测量值为电压时，通过同样的流程可得到灵敏度校准曲线或数据表。
[0056]
该方法的测量不确定度主要来源于激光器及探测器的稳定性。从长期实验数据来看，在多样本测量情况下，其稳定性可控制在2
‰
，n次测量的合成标准不确定度cn为
[0057][0058]
由此可见，从mj级能量测量线性到pj级能量，标准测量不确定度仅为1％，远远优于传统线性校准方法。且全程采用电控模式，实现全自动流程。
[0059]
该方法的另一大优势，则是校准的结果，可通过改变dmd器件的翻转阵列，得到不同的光束比，闭环自动验证测量不确定度的可靠性。
[0060]
本发明装置各分系统参数如表1所示。
[0061]
表1激光探测线性自动校准装置部件参数
[0062][0063]
相比现有线性校准方法，本发明具有如下有益效果：
[0064]
传统线性校准方法主要采用定倍率衰减法及面积比较法，本发明采用微反射镜阵列(dmd器件)作为分光元件，分光比例调节简易、可控，且没有衰减倍率定标不准确、面积标定不准确、光斑分布不均匀所引入的测量不确定度分量。结合标准探测器的监视作用，其标定不确定仅来源于探测器自身的重复性影响。再配合电控渐变衰减器，以及多片固定倍率电控衰减器，可实现120db范围内的细微步长的探测线性自动校准，具有广泛的应用前景。
[0065]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。