本发明实施例涉及光学助降领域，尤其涉及一种内补偿光学系统及光束稳定控制方法。
背景技术：
光学内补偿技术可用于光学着舰引导或实现相似功能的领域。飞机的着舰引导光束一般为大长宽比的条带型光束，光学补偿就通过控制该条带型光束对载机平台纵横摇运动进行实时解耦补偿以实现光束在飞行员视角中的稳定效果。
目前，现有的光学补偿技术大多采用外部稳定方式进行补偿，即将光学系统整体装载于两轴稳定平台上，该两轴平台用于抵消载体平台的纵、横摇运动。然而采用这种方式，由于装载于两轴稳定平台上的光学系统本身重量不轻，为提高两轴稳定平台自身负载能力，往往其结构尺寸和重量都比较大。同时，稳定平台转动轴系存在转动密封环节，转动密封所使用的橡胶密封圈在长时间服役后会有驰豫现象，导致轴系的回转阻力矩会降低，从而使稳定平台的伺服性能受到影响。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种内补偿光学系统及光束稳定控制方法，用以解决现有技术将光学系统整体装载于两轴稳定平台上，其结构复杂，尺寸和重量都较大，不便于安装使用的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种内补偿光学系统，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；
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。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，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。
第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面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。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。
进一步，所述光束稳定控制方法还包括：
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。
进一步，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-xfyfzf中的第一矢量为
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
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，
进一步，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-xlylzl的特征矢量为
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
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
上式中，
本发明实施例提供的内补偿光学系统及光束稳定控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明实施例提供的内补偿光学系统，通过改变光学系统中主要光学元件的位姿以控制条带型光束的位姿发生改变，与现有的外部稳定补偿方式通过整体转动光学系统使其发射光束位姿变化相比，本发明不需要带轴系的稳定平台，能显著降低系统高度并降低重量。
2)本发明实施例提供的内补偿光学系统，与现有技术将光学系统整体装载于两轴稳定平台上相比，其结构更加紧凑，大大提高了系统的适装性。
3)本发明实施例提供的内补偿光学系统不需设置两轴稳定平台，与现有技术相比不存在平台轴系的转动密封，伺服的稳定性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的内补偿光学系统的结构示意图；
图2为准直光学系统的光学原理示意图；
图3为柱面扩束镜的局部放大图；
图4为单个柱面镜单元的光学原理示意图；
图5为本发明实施例提供的光束稳定控制方法流程示意图；
图6为光束稳定控制原理的坐标系定义示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、光源，2、准直光学系统，2.1、第一透镜，2.2、第二透镜，2.3、第三透镜，2.4、第四透镜，2.5、第五透镜，2.6、第六透镜，3、光束扩束系统。
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的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
当前的光学补偿技术大多采用外部稳定方式进行补偿，即将光学系统整体装载于两轴稳定平台上，该两轴平台用于抵消载体平台的纵、横摇运动。然而采用这种方式，由于装载于两轴稳定平台上的光学系统本身重量不轻，为提高两轴稳定平台自身负载能力，往往其结构尺寸和重量都比较大，安装使用不便。
因此，本发明实施例提供一种内补偿光学系统，通过改变光学系统中主要光学元件的位姿以控制条带型光束的位姿发生改变，与现有的外部稳定补偿方式通过整体转动光学系统使其发射光束位姿变化相比，本发明不需要带轴系的稳定平台，能显著降低系统高度并降低重量。并且其结构更加紧凑，大大提高了系统的适装性。解决了现有技术将光学系统整体装载于两轴稳定平台上，结构复杂，尺寸和重量过大的问题。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。
图1为本发明实施例提供的内补偿光学系统的结构示意图，如图1所示，内补偿光学系统包括光源1、准直光学系统2以及光束扩束系统3，所述光源1位于准直光学系统2的像面位置，所述光束扩束系统3位于准直光学系统2的平行出射光路中；
所述光源1经准直光学系统2准直后形成平行光束入射光束扩束系统3，所述光束扩束系统3用于将入射平行光束扩束后出射，所述光源1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。
具体地，本实施例提供的光学内补偿系统可应用于光学着舰引导，飞机的着舰引导光束一般为大长宽比的条带型光束，本实施例提供的内补偿光学系统，通过控制着舰引导光束对载机平台纵横摇运动进行实时解耦补偿，以实现光束在飞行员视角中的稳定效果。本实施例中，内补偿是指通过改变光学系统内部光学元件的位姿，控制着舰引导光束对载机平台纵横摇运动进行实时解耦补偿。
参照图1，内补偿光学系统包括光源1、准直光学系统2和光束扩束系统3。准直光学系统2能够将发散的光束准直为平行光束。参照图1，本实施例中，准直光学系统2包括第一透镜2.1、第二透镜2.2、第三透镜2.3、第四透镜2.4、第五透镜2.5和第六透镜2.6。光源1经准直光学系统2准直后形成平行光束入射光束扩束系统3，光束扩束系统3将入射平行光束扩束后出射。本发明实施例中，光束扩束系统3的出射光束即是飞机的着舰引导光束。
图2为准直光学系统的光学原理示意图，移动光源1的高低位置可改变准直光学系统2出射光束的出射角，进而补偿载体的纵摇。参照图2，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。
本发明实施例提供的内补偿光学系统及光束稳定控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明实施例提供的内补偿光学系统，通过改变光学系统中主要光学元件的位姿以控制条带型光束的位姿发生改变，与现有的外部稳定补偿方式通过整体转动光学系统使其发射光束位姿变化相比，本发明不需要带轴系的稳定平台，能显著降低系统高度并降低重量。
2)本发明实施例提供的内补偿光学系统，与现有技术将光学系统整体装载于两轴稳定平台上相比，其结构更加紧凑，大大提高了系统的适装性。
在上述实施例的基础上，所述光束扩束系统为柱面扩束镜，图3为柱面扩束镜的局部放大图，即图1中标出i处的局部放大图。参照图1和图3，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。
具体地，图4为单个柱面镜单元的光学原理示意图，如图4所示，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为β0，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。
以一实际应用为例，取以下参数值：柱面镜单元的出射光张角α0不低于20°，当柱面镜弦长s为5mm，且柱面镜入射角取0.4°时，求出δ值不到2.52″，该值远小于光束张角20゜，因此，可近似认为柱面扩束镜3的出射光束张角α0不受柱面镜单元入射光入射角影响，且柱面镜单元的扩束范围始终沿着垂直于凸形柱面的截面展开。基于此原理，当柱面镜单元的入射光不变时，将柱面镜单元绕其视轴旋转，柱面扩束镜3的出射光束带也将同步绕其视轴旋转，该旋转角度可用于补偿载体横摇。可以理解的是，本实施例应用于光学着舰引导，载体即是指船体。
图5为本发明实施例提供的光束稳定控制方法流程示意图，本发明实施例提供一种基于第一方面所述内补偿光学系统的光束稳定控制方法，包括：
步骤501，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；
步骤502，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。
具体地，本实施例提供的光束稳定控制方法应用于光学着舰引导，飞机的着舰引导光束一般为大长宽比的条带型光束，本实施例提供的光束稳定控制方法，通过控制引导光束对载体纵横摇运动进行实时解耦补偿，以实现光束在飞行员视角中的稳定效果。其中，引导光束即是柱面扩束镜的出射光束。
在上述实施例的基础上，图6为光束稳定控制原理的坐标系定义示意图，参照图6，光束稳定控制方法还包括：
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。
具体地，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，包括：
定义引导光束中心光线在纵补光束坐标系o-xfyfzf中的第一矢量为
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
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，
进一步地，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-xlylzl的特征矢量为
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
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
上式中，
按照上述实施例提供的方法，根据载体纵摇角度α和载体横摇角度β，能够计算出纵摇补偿角度θ和横摇补偿角度
本发明实施例提供的内补偿光学系统及光束稳定控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明实施例提供的内补偿光学系统，通过改变光学系统中主要光学元件的位姿以控制条带型光束的位姿发生改变，与现有的外部稳定补偿方式通过整体转动光学系统使其发射光束位姿变化相比，本发明不需要带轴系的稳定平台，能显著降低系统高度并降低重量。
2)本发明实施例提供的内补偿光学系统，与现有技术将光学系统整体装载于两轴稳定平台上相比，其结构更加紧凑，大大提高了系统的适装性。
3)本发明实施例提供的内补偿光学系统不需设置两轴稳定平台，与现有技术相比不存在平台轴系的转动密封，伺服的稳定性更高。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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。
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。
3.根据权利要求2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。
4.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。
5.一种根据权利要求2所述基于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。
6.根据权利要求5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。
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-xfyfzf中的第一矢量为
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
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，
8.根据权利要求7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-xlylzl的特征矢量为
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
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
上式中，
