结构扭扰引起定向光束能量扩散的统计特征

　　定向光束的辐射效能有赖于最大限度地提高光斑功率密度,把尽可能高的能量份额集中到受光面预定部位的面积上。然而,引起光束能量扩散除了光学部件性能、光束质量、大气效应等因素外,光机系统结构的稳定性同样是一个不能忽视的重要因素。光机系统结构是由平台、支架、镜架、转台等部分组成的多环节复杂结构。当系统结构受到来自于系统外部及内部多个不同动力学激励源作用时,系统结构无论是其内部各子系统之间还是与其外部惯性系之间,将依照其模态特性以及系统振动传递特性产生出不同方向和大小的平直振动与扭转振动,其中的扭转振动引起的光束偏转抖动对远距定向造成的负面影响非常明显。扭扰则是指系统结构被诱发的带宽随机振动在各转动自由度上的分量,它对光束精确定向干扰的程度最终将影响到受光面上辐射能量的集中度。

     1　结构扭振对定向光束的干扰作用

　　系统结构作为一个多环节的空间多自由度弹性体结构,当受到环境振源激励时,它们在各个方向受到空间动态力矩场的作用而发生微扭扰。系统结构的多自由度扭扰简化力学模型可视为由n个集中惯量和周围相应的不计质量的弹性轴段组成,即

式中:J为转动惯量n×n阶系数矩阵;C为阻尼n×n阶系数矩阵;G为扭转刚度n×n阶系数矩阵;M(t)为扭振n维力矩向量矩阵;θ(t)为n维角位移向量矩阵。

　　系统结构各自由度之间振动相互耦合过程中,为整体动态关联效果上形成多个集中参数较大的子结构产生较大面积的轴向扭转和横向弯曲的变形振动,光束通过系统内光路多个反射传输环节时,光束的动态角偏移量在某些时刻获得瞬态累积,最终导致输出光束在空间一定范围发生偏转抖动。

　　若忽略非结构扰动因素,只考虑结构振动对光束方向发散的独立作用时,将出射光束视为一个刚性辐射柱体为此,建立的定向束辐射空间参考系(图1)中取原点为系统结构的光束出射点,z轴为稳定光束中心轴,光束辐射距为R,束轴空间抖动角范围为±θxy。

　　由于沿x,y,z坐标轴方向的平直振动分量x(t), y(t),z(t)以及绕z轴旋转的振动分量θz(t)对光束偏转均不产生贡献,只有绕x轴和y轴两个转动自由度上的振动分量θx(t)和θy(t)对光束偏转产生贡献。N自由度系统对光束绕x轴和y轴两个偏转方向对空间角位移的贡献为

光束偏转程度取决于空间角位移合矢量模的大小

　　光束随机角抖动的分量波形如图2所示。受扰光束随机抖动在空间形成一个在一定视场范围内的束轴扫描偏转场,其扫描规律最终反映于束轴与受光平面交点的运动轨迹上。由图3可见,光束远场光斑质心在受光面上的运动方向和位移量是随机变化的。运动轨迹无序性表明了光束在x和y两个偏转方向上角度抖动幅度和相位的无序性,形成了系统构随机扭扰对输出光束方向的空间动态调制效果。在空间坐标系的受光面上,平面有向矢径与空间束轴偏转角位移的关系为