专利名称：主动靶及采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法
技术领域：
本发明涉及高精度激光打靶技术领域，具体涉及主动靶及采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法。
背景技术：
惯性约束聚变是利用高能粒子束在几纳秒的时间内将氘氚靶丸压缩到每立方厘米几百克的高密度，压强为几亿个大气压，从而使靶丸在局部形成热斑点火并燃烧。上世纪80年代末，美国科学家曾利用地下核爆的辐射能量成功地驱动了惯性约束核聚变，证实了这一技术路线的可行性。随着激光技术的出现，人们开始研究利用强激光的极高功率密度和极好的方向性来轰击氘-氚靶，让它们产生受控的惯性约束核聚变从而释放出聚变能，这就是“激光核聚 变”。为了将多束激光引导到直径为几毫米的靶上，需要专门的精密仪器，从而基于共轭原理的束靶耦合传感器应运而生，该束靶传感器2010年己获得发明专利(专利号ZL200810064874. 8)。为了保证该传感器引导激光的打靶精度，需要对该传感器进行专门的精密离线校准。但仪器校准参数会发生缓慢的漂移，影响打靶精度。现有技术的束靶传感器离线标定过程中，通常采用直径2_的圆柱靶，如图3和图
4所示。在外部视觉监测系统的监测下，将激光聚焦到圆柱靶上下端面的中心，通过传感器上下监测单元分别对靶端面圆和激光光斑成像，通过多组靶成像位置和光斑成像位置对传感器参数进行标定。采取这种标定靶有以下几个问题1)标定靶的制作非常困难，首先要求靶端面的漫反射特性好,如果靶端面粗糙度过高,则入射激光大部分被反射掉,外部监测系统很难对光点位置进行监测，如果粗糙度低，则激光光斑会出现散斑，并且表面的加工纹理、划痕会对光斑的定位精度产生很大影响，因此，靶端面的表面处理难度很大，另外，对于直径为2mm的靶端面，难以打磨平整，因此会对靶瞄准带来误差；2)需要外部监测系统对靶和光斑进行定位，不仅系统复杂，而且靶表面特性对光斑定位精度有较大影响；3)无法实现传感器在线标定。
发明内容
本文发明为了解决现有技术无法实现在线对传感器在线标定及对传感器参数进行校准，且束靶耦合精度差的问题，从而提出了主动靶及采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法。主动靶，它包括靶杆、定位标志、支撑座、第一电路板、第二电路板、上路CXD图像传感器、下路CCD图像传感器、第一外壳和第二外壳，所述的支撑座的一侧固定有靶杆，支撑座和靶杆同轴连接，支撑座临近靶杆的一侧的内部固定有定位标志，支撑座的另一侧分别固定安装第一外壳和第二外壳，第一外壳和第二外壳关于支撑座和祀杆的同轴线对称分布，
第一电路板4和上路CXD图像传感器位于第一外壳的内部，上路CXD图像传感器固定于第一电路板上方，位于远离支撑座的一侧，且上路CCD图像传感器的光敏面暴露在壳体外侧；第二电路板和下路CCD图像传感器位于第二外壳的内部，第二电路板与第一电路板关于支撑座和靶杆的同轴线对称，下路CCD图像传感器固定于第二电路板下方，与上路CCD图像传感器关于支撑座和靶杆的同轴线对称，且下路CCD图像传感器的光敏面暴露在壳体外侧；在上路CXD图像传感器的光敏面上和下路CXD图像传感器的光敏面上，通过激光刻划出3X3阵列的十字标志，且上路CXD图像传感器的光敏面与下路CXD图像传感器的光敏面尺寸一致。采用主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法，它包括下述步骤
步骤一、将待标定的束靶耦合传感器送入真空靶室中心，通过外部监测仪调整束靶耦合传感器姿态，上路CCD图像传感器的光敏面尺寸与待标定的束靶耦合传感器的上路CXD图像传感器的光敏面尺寸一致；步骤二、将主动靶送入真空靶室中心，将主动靶的靶杆固定于靶架上，将主动靶固定于束靶耦合传感器的视场内，通过束靶耦合传感器的中上部监测单元和中下部监测单元检测主动靶的水平位置和姿态，并通过靶架将主动靶调正；步骤三、将束靶耦合传感器移出真空靶室中心；步骤四、打开激光器，产生上下各9路激光束，其中9路激光入射至主动靶的上路CXD图像传感器的光敏面上，在上路CXD图像传感器的光敏面上形成9个光斑；另外9路激光入射至主动靶的下路CXD图像传感器的光敏面上，在下路CXD图像传感器的光敏面上形成9个光斑；调整各个激光束的入射方向，使得上路CCD图像传感器的光敏面上的9个光斑分别与该上路C⑶图像传感器上的9个十字标志的中心重合、下路CXD图像传感器的光敏面上的9个光斑分别与该下路CXD图像传感器上的9个十字标志的中心重合为止，关闭激光器;步骤五、再将待标定的束靶耦合传感器送入靶室中心并调整好位置和姿态；步骤六、通过束靶耦合传感器上监测单元和下监测单元对主动靶上下各9个十字标志成像，获得每个十字标志在上路CCD图像传感器和下路CCD图像传感器的光敏面上的位置；
步骤七、打开激光器，激光束经束靶耦合传感器的反射镜反射到待测传感器的上路CCD图像传感器和待测传感器的下路CCD图像传感器上，分别在上路CCD图像传感器和下路CCD图像传感器上形成9个光斑，束靶耦合传感器上部监测单元和中下部监测单元分别进行上下开合运动，使各自光斑与相应十字标志的中心位置距离最小，分别计算此时上路CXD图像传感器上的9个光斑的中心位置与上路CXD图像传感器的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离、下路(XD图像传感器上的9个光斑的中心位置与下路(XD图像传感器的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离，根据计算结果获得束靶耦合误差，从而实现在线标定。本发明提出一种基于主动靶的束靶耦合方法，该主动靶采用十字标志，实现传感器的在线检测和校准。当激光入射到C⑶上时，可以通过C⑶测得激光光斑位置，调整激光光斑位置与十字线重合，即建立起了靶点-光斑重合的标定基准。由于采用了 C⑶芯片作为靶面，主动靶可以直接测量激光光斑在靶上的位置和靶上标志的位置，因此不需要外部的监测设备来监测束靶耦合，不需要考虑靶面的反射特性，靶面的平整性也达到纳米级精度，因此可大大提高使用的方便性和标定精度。传感器的定位标志用于靶场监测仪对其进行定位。
图I为主动靶的结构示意图；图2为应用主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法的原理图；图3为传感器采集的靶和激光光斑的图像；图4为CXD图像传感器采集激光光斑的图像；图5为上路CXD图像传感器6的平面图；图6为激光刻划CXD芯片上的十字线示例照片图像；图7为刻划十字线的CXD采集的图像。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I具体说明本实施方式，本实施方式所述的主动靶，它包括靶杆I、定位标志2、支撑座3、第一电路板4、第二电路板5、上路CXD图像传感器6、下路CXD图像传感器7、第一外壳8和第二外壳9，所述的支撑座3的一侧固定有靶杆1，支撑座3和靶杆I同轴连接，支撑座3临近靶杆I的一侧的内部固定有定位标志2，支撑座3的另一侧分别固定安装第一外壳8和第二外壳9,第一外壳8和第二外壳9关于支撑座3和祀杆I的同轴线对称分布，第一电路板4和上路(XD图像传感器6位于第一外壳8的内部，上路(XD图像传感器6固定于第一电路板4上方,位于远离支撑座3的一侧,且上路(XD图像传感器6的光敏面暴露在壳体外侧；第二电路板5和下路CXD图像传感器7位于第二外壳9的内部，第二电路板5与第一电路板4关于支撑座3和祀杆I的同轴线对称，下路CCD图像传感器7固定于第二电路板5下方，与上路CXD图像传感器6关于支撑座3和靶杆I的同轴线对称，且下路CXD图像传感器7的光敏面暴露在壳体外侧；在上路CXD图像传感器6和下路CXD图像传感器7的光敏面上，通过激光刻划出3X3阵列的十字标志，且上路CXD图像传感器6的3X3阵列的十字标志与下路CXD图像传感器7的3X3阵列的十字标志完全一致。上路CXD图像传感器6和下路CXD图像传感器7均由高度集成化的CXD组成，上路CCD图像传感器6和下路CCD图像传感器7的保护玻璃被去掉，以消除保护玻璃对入射光束的折射偏移。激光刻划CCD芯片上的十字线示例照片如图5所示，刻划十字线的CCD采集的图像如图6和图7所示。十字线在图像中的位置通过图像处理可以得到。当激光入射到CXD上时，可以通过CXD测得激光光斑位置，调整激光光斑位置与十字线重合，即建立起了靶点-光斑重合的标定基准。
具体实施方式
二、本实施方式与具体实施方式
一所述的主动靶的区别在于，上路、CCD图像传感器6和下路CCD图像传感器7上激光刻划出的十字标志的十字线的宽度范围均为8 u m 12 u m。
具体实施方式
三、结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式
一所述的采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法，束靶耦合传感器的上监测单元包括上路CXD图像传感器10、上显微物镜11和上激光反射镜12，束靶耦合传感器的下监测单元包括下路CCD图像传感器17、下激光反射镜18和下显微物镜19，上监测单元和下监测单元用于检测打靶的成像，束靶耦合传感器的中上部监测单元包括中上路C⑶图像传感器13和中上显微物镜14，束靶耦合传感器的中下部监测单元包括中下显微物镜15和中下路CXD图像传感器16，中上部监测单元和中下部监测单元用于检测打靶的位置，
采用主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法，它包括下述步骤步骤一、将待标定的束靶耦合传感器送入真空靶室中心，通过外部监测仪调整束靶耦合传感器姿态，上路CCD图像传感器6的光敏面尺寸与待标定的束靶耦合传感器的上路CCD图像传感器10的光敏面尺寸一致；步骤二、将主动靶送入真空靶室中心，将主动靶的靶杆I固定于靶架上，将主动靶固定于束靶耦合传感器的视场内，通过束靶耦合传感器的中上部监测单元和中下部监测单元检测主动靶的水平位置和姿态，并通过靶架将主动靶调正；靶架是一个六维可调的支撑架，可以根据监测单元的监测结果实现靶的空间姿态的调整，使其边缘与束靶耦合传感器的基准线重合即为调正；步骤三、将束靶耦合传感器移出真空靶室中心；步骤四、打开激光器，产生上下各9路激光束，其中9路激光入射至主动靶的上路CXD图像传感器6的光敏面上，在上路CXD图像传感器6的光敏面上形成9个光斑；另外9路激光入射至主动靶的下路CXD图像传感器7的光敏面上，在下路CXD图像传感器7的光敏面上形成9个光斑；上路CXD图像传感器6和下路CXD图像传感器7测得激光光斑位置数据分别通过第一电路板4和第二电路板5传输至计算机，通过计算机测量光斑的位置，调整各个激光束的入射方向，使得上路CCD图像传感器6的光敏面上的9个光斑分别与该上路(XD图像传感器6上的9个十字标志的中心重合、下路(XD图像传感器7的光敏面上的9个光斑分别与该下路CXD图像传感器7上的9个十字标志的中心重合为止，关闭激光器；步骤五、再将待标定的束靶耦合传感器送入靶室中心并调整好位置和姿态；步骤六、通过束靶耦合传感器上监测单元和下监测单元对主动靶上下各9个十字标志成像，获得每个十字标志在上路CCD图像传感器6和下路CCD图像传感器7的光敏面上的位置；步骤七、打开激光器，激光束经束靶耦合传感器的反射镜反射到待测传感器的上路CXD图像传感器10和待测传感器的下路CXD图像传感器17上，分别在上路CXD图像传感器10和下路CXD图像传感器17上形成9个光斑，通过控制束靶耦合传感器的计算机计算上路CXD图像传感器13和下路CXD图像传感器17上的各光斑位置，束靶耦合传感器上部监测单元和中下部监测单元分别进行上下开合运动，使各自光斑与相应十字标志的中心位置距离最�。捎米钚《朔ń蟹治觯直鸺扑愦耸鄙下稢XD图像传感器10上的9个光斑的中心位置与上路CXD图像传感器6的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离、下路CXD图像传感器17上的9个光斑的中心位置与下路CXD图像传感器7的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离，根据计算结果获得束靶耦合误差，从而实现在线标定。分别计算上路CXD图像传感器10上的9个光斑的中心位置与上路CXD图像传感器6的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离，是获得了 9个距离参数，每个距离参数表示位于上路CXD图像传感器10和上路CXD图像传感器6同一位置的光斑和十字标志的中心位置的距离。同理，下路CXD图像传感器17上的9个光斑的中心位置与下路CXD图像传感器7的光敏面上9个十字线的中心位置的距离也是9个距离参数，每个距离参数表示位于下路CXD图像传感器17和下路CCD图像传感器7同一位置的光斑和十字标志的中心位置的距离。本实施方式采用了 CCD芯片作为靶面，主动靶可以直接测量激光光斑在靶上的位置和靶上标志的位置，因此不需要外部的监测设备来监测束靶耦合，不需要考虑靶面的反 射特性，靶面的平整性也达到纳米级精度，因此可大大提高使用的方便性和标定精度。传感器的定位标志用于靶场监测仪对其进行定位。
权利要求
1.主动靶，其特征在于，它包括靶杆(I)、定位标志(2)、支撑座(3)、第一电路板(4)、第ニ电路板(5)、上路CXD图像传感器(6)、下路CXD图像传感器(7)、第一外壳(8)和第二外壳(9)， 所述的支撑座(3)的ー侧固定有靶杆(I)，支撑座(3)和靶杆(I)同轴连接，支撑座(3)临近靶杆(I)的ー侧的内部固定有定位标志(2)，支撑座(3)的另ー侧分别固定安装第一外壳(8)和第二外壳(9),第一外壳(8)和第二外壳(9)关于支撑座(3)和革巴杆(I)的同轴线对称分布， 第一电路板⑷和上路(XD图像传感器(6)位于第一外壳⑶的内部，上路(XD图像传感器(6)固定于第一电路板⑷上方，位于远离支撑座(3)的ー侧，且上路C⑶图像传感器(6)的光敏面暴露在壳体外侧； 第二电路板(5)和下路CCD图像传感器(7)位于第二外壳(9)的内部，第二电路板(5)与第一电路板⑷关于支撑座⑶和靶杆⑴的同轴线对称，下路CCD图像传感器(7)固 定于第二电路板(5)下方，与上路CCD图像传感器(6)关于支撑座(3)和靶杆(I)的同轴线对称，且下路CCD图像传感器(7)的光敏面暴露在壳体外侧； 在上路CXD图像传感器￠)的光敏面上和下路CXD图像传感器(7)的光敏面上，通过激光刻划出3X3阵列的十字标志，且上路CXD图像传感器(6)的光敏面与下路CXD图像传感器(7)的光敏面尺寸一致。
2.根据权利要求I所述的主动靶，其特征在于，上路CCD图像传感器(6)和下路CCD图像传感器(7)上激光刻划出的十字标志的十字线的宽度范围均为8μπι 12μπι。
3.基于权利要求I所述的采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法，其特征在于，它包括下述步骤 步骤一、将待标定的束靶耦合传感器送入真空靶室中心，通过外部监测仪调整束靶耦合传感器姿态，上路CCD图像传感器￠)的光敏面尺寸与待标定的束靶耦合传感器的上路CXD图像传感器(10)的光敏面尺寸一致； 步骤ニ、将主动靶送入真空靶室中心，将主动靶的靶杆(I)固定于靶架上，将主动靶固定于束靶耦合传感器的视场内，通过束靶耦合传感器的中上部监测单元和中下部监测单元检测主动靶的水平位置和姿态，并通过靶架将主动靶调正； 步骤三、将束靶耦合传感器移出真空靶室中心； 步骤四、打开激光器，产生上下各9路激光束，其中9路激光入射至主动靶的上路CXD图像传感器(6)的光敏面上，在上路CXD图像传感器￠)的光敏面上形成9个光斑；另外9路激光入射至主动靶的下路CXD图像传感器(7)的光敏面上，在下路CXD图像传感器(7)的光敏面上形成9个光斑；调整各个激光束的入射方向，使得上路CCD图像传感器(6)的光敏面上的9个光斑分别与该上路CXD图像传感器(6)上的9个十字标志的中心重合、下路CCD图像传感器(7)的光敏面上的9个光斑分别与该下路CCD图像传感器(7)上的9个十字标志的中心重合为止，关闭激光器； 步骤五、再将待标定的束靶耦合传感器送入靶室中心并调整好位置和姿态； 步骤六、通过束靶耦合传感器上监测单元和下监测单元对主动靶上下各9个十字标志成像，获得每个十字标志在上路CCD图像传感器(6)和下路CCD图像传感器(7)的光敏面上的位置；步骤七、打开激光器，激光束经束靶耦合传感器的反射镜反射到待测传感器的上路CCD图像传感器(10)和待测传感器的下路CCD图像传感器(17)上，分别在上路CCD图像传感器(10)和下路CCD图像传感器(17)上形成9个光斑，束靶耦合传感器上部监测单元和中下部监测单元分别进行上下开合运动，使各自光斑与相应十字标志的中心位置距离最�。� 分别计算此时上路CXD图像传感器(10)上的9个光斑的中心位置与上路CXD图像传感器(6)的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离、下路(XD图像传感器(17)上的9个光斑的中心位置与下路CXD图像传感器(7)的光敏面上9个十字标志的中心位置的距离，根据计算结果获得束靶耦合误差，从而实现在线标定。
全文摘要
主动靶及采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法，涉及主动靶及采用该主动靶对束靶耦合传感器在线标定方法。它为了解决现有技术无法实现在线对传感器在线标定及对传感器参数进行校准，且束靶耦合精度差的问题。将主动靶移入靶室中心，打开激光器使激光器发射的上下9路激光分别入射至主动靶的CCD图像传感器的光敏面上，分别形成上下9个光斑；上下9个光斑与主动靶的上下9个十字线的中心重合为止，关闭激光器，使主动靶在传感器视场内，通过上、下监测单元对主动靶上下各9个十字标志成像，计算十字标志在CCD图像传感器上的位置；打开各路激光，计算束靶耦合传感CCD上的各光斑位置，实现在线标定。本发明适用于大型激光驱动器高精度激光打靶技术领域。
文档编号G01B11/00GK102679875SQ20121017359
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者刘国栋, 刘炳国, 庄志涛, 胡涛, 陈凤东 申请人:哈尔滨工业大学
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