金旭阳,高云国,于 萍,薛向尧

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院大学,北京 100049)

·光电技术与系统·

全天域激光发射光轴平行度检测方法研究

金旭阳1,2,高云国1,于 萍1,薛向尧1

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院大学,北京 100049)

为在全天域范围内检测发射系统的光轴平行度,提出了一种检测方法并设计了检测结构。该方法利用系统上安装的可见光探测器实现检测,而且检测结构带入的误差可以通过标定测量被确定并剔除,所得结果具有较高精度。首先介绍了检测原理、检测结构及装调；然后利用矢量旋转与坐标变换方法,分析了反射镜角度变化与结构带入误差的关系；最后进行了自重变形实验,确定了检测时结构在不同位置的变形,完成了平行度检测试验,剔除结构带入误差并最终确定了系统平行度。结果表明：检测结果与真值的偏差在2″以内,满足使用要求。

发射系统；光轴平行度；快速检测；全天域检测

1 引 言

激光发射系统是激光外场应用的重要设备,系统的发射轴与探测器视轴的平行程度(以下称平行度)是影响跟瞄发射精度的重要因素[1-3]。由于制造和装调时存在误差,加之长时间外场工作的影响,都会造成视轴和发射轴不平行。而且系统光路由多个折转光路组成(包括库德光路),轴系回转时,系统指向发生变化,这个不平行情况也随之变化。为此,必须设计一种方法,满足在实验室装调时和外场环境下都能使用,而且要使系统在全指向范围内(全天域)的光轴平行度得到检测,以便充分掌握其变化规律,为进一步对系统进行精度判定创造条件,并为误差修正提供参数,这具有非常重要的意义。

目前,在对光轴平行度的实测方面,相应产生的检测方法有两类应用：实验室测量和野外测量。前者包括大口径平行光管法、激光光轴仪法、五棱镜法、投影靶板法、分光路投影法和靶面扫描拟合法等,这些方法精度较高,但对设备和环境要求高,不适合外场使用。现有的野外测量方法不仅需要多人操作、效率低,测量结果也需要通过人眼主观判读,精度不理想。而且上述方法共同存在的问题是无法实现全天域测量。

为此,本文以水平式激光发射系统为例,介绍一种检测方法和检测结构,该方法利用发射系统上安装的可见光探测器实现全天域检测光轴平行度。检测结构的带入误差可以通过标定测量被确定并剔除,得到的检测结果具有较高精度,而且可对其他波段激光具有一定的适用性。理论分析和实验结果表明：检测结果与系统平行度真值的偏差在2″以内,满足使用要求,方法可行。

2 检测方法和工作原理

系统光路如图1所示,短波激光器发出的激光经一级扩束后进入跟踪发射光路,随跟踪架跟踪回转,被跟踪发射光路导向形成具有一定指向精度的激光光束,从发射窗口出射。

图1 系统光路示意图

据此,提出的检测方法是：以探测器视轴为基准,利用检测结构,将发射窗口的短波激光衰减至对可见光探测器安全的能量范围后,高精度平行折返引入可见光探测器[4],从探测器电视屏幕可读出激光指向脱靶量(单位为 ″)。轴系转动,系统指向变化时,电视屏幕上脱靶量的变化量代表了发射轴与视轴间的平行度。

图2说明了检测时结构的安装情况。项目中的发射系统采用水平式结构,在系统发射窗口的对称位置安装了用于探测目标的可见光探测器,检测时用测量光轴平行度。以天顶为坐标零点,系统的有效指向范围(全天域)：经角——东向45°至西向45°；纬角——南向45°至北向45°。

图2 发射系统与结构安装图

检测结构工作原理如图3所示,结构构成分为两个模块：支板模块和基座模块。支板模块包括支板、反射镜1、2及相关组件；基座模块则由连接件和三个均布的微调组件构成。结构通过连接件上的螺纹固定在发射窗口,微调组件被用以实现两模块的连接和相对角度微调。

图3 检测结构工作原理图

发射窗口的短波激光先经过连接件上的衰减片被衰减到对可见光探测器安全的能量范围,再先后经过反射镜2、反射镜1被平行折返引入可见光探测器实现检测。

3 结构带入误差分析

作为检测设备,检测结构自身应该具有高的光路折返精度、小的带入误差。而检测时,结构存在自重变形,使反射镜偏离装调时的位置一定角度,这将影响光路折返精度。因此需要详细地分析两反射镜角度变化造成的这种影响,以便进一步确定结构的带入误差。以下分析中,正、余弦函数分别用s、c表示。

3.1 坐标系与坐标变换

如图4所示,检测结构中两反射镜通过严格装调构成高精度平行折返光路,具体地：以一块大平面镜为基准,将两个间距200 mm、精度0.1″ 的自准直平行光管标平行；固定检测结构,调整两平面镜使从任一平行光管看到的两十字叉丝重合,则装调完成。最终的理想效果应为两镜相互垂直且分别与光线夹角45°。

图4 建立坐标系示意图

根据上述情况,为便于分析,如图4建立三个右手坐标系,各坐标系X轴均垂直纸面向外：

1)坐标系Ⅰ：以光线上一点为原点,沿光线向右为Y1轴,Z1轴与X1、Y1构成右手系；

2)坐标系Ⅱ：在Reflector 1中,以激光入射点为原点,Y2轴与镜面法线方向重合,Z2轴与X2、Y2构成右手系；

3)坐标系Ⅲ：在Reflector 2中,以激光入射点为原点,Y3轴与镜面法线方向重合,Z3轴与X3、Y3构成右手系。

如图5所示,任意坐标系OXYZ先绕Z轴转α角,再绕旋转后的X轴(图中X′轴)转β角得到坐标系OX′Y″Z′,其坐标变换矩阵[4]：

图5 坐标系旋转示意图

(1)

图4中任意反射镜产生偏离理想位置的角度变化时,可以描述为：

1)在坐标系Ⅱ中：Reflector 1绕Z2轴转过α1角,再绕旋转后的X2轴转过β1角,坐标系Ⅱ随之转动形成新坐标系Ⅳ；

2)在坐标系Ⅲ中：Reflector 2绕Z3轴转过α2角,再绕旋转后的X3轴转过β2角,坐标系Ⅲ随之转动形成新坐标系Ⅴ。

3.2 分析推导

设入射激光单位矢量R0,根据坐标变换原理和光的矢量反射定律[5-9]可以得出,经过检测结构折返后的出射矢量：

=R0·MⅠ-Ⅱ·T1·MⅡ-Ⅲ·T2·MⅢ-Ⅰ

(2)

式中,R0与R3是坐标系Ⅰ中的坐标行阵;Mi-j为坐标系i到坐标系j的坐标转换矩阵;Km为坐标系m中的反射镜作用矩阵[9],且：

理想情况下R0=[0 1 0],α1=α2=β1=β2=0,R理想=[0-1 0]。反射镜角度变化时,R3相对于R理想产生偏角θ,采取单因素法分析,得到单一反射镜分别转动α角、β角时与偏角θ的关系,如图6所示。可以看出,θ与α之间为非线性关系,而θ∶β=2∶1,这个结论将有助于利用结构变形计算引入误差。

3.3 带入误差计算

检测时,结构的工作范围如图7所示。随系统轴系回转,自重引起支板在不同位置产生不同变形,变形的方式为弯曲和扭转,其中扭转变形可以忽略。而系统指向天顶时,重力垂直于支板,由于支板厚度方向刚度差,此处自重变形最大。利用电感测微仪,取检测时跨越全天域范围的13个位置测量支板变形,所得结果如表1所示。

图6 偏角θ随α、β的变化关系图

图7 检测时支板的工作范围示意图

由于变形量微小,变形挠曲线简化为折线。支板变形M(mm)引起图4中Reflector 1绕坐标系Ⅱ中X轴逆时针旋转β1角,此时α1=α2=β2=0°。计入平行光管装调误差,根据前述推导θ=2β,得到检测结构的带入误差公式[5]：

(3)

因此可以认为带入误差即自重变形误差,带入误差将导致探测器电视屏幕上X方向脱靶量偏大。结构指向天顶时,自重变形最大,带入误差：

σmax=2arctan(0.001227/130)≈4″

4 检测试验与结果分析

如图8所示,取前述13个位置,利用检测结构进行光轴平行度检测。将对应的位置坐标、变形量,检测结构带入的误差、剔除误差前的结果(试验结果)和剔除误差后的结果列于表1。

图8 检测试验图

(Longitude,Latitude)Deformation/μmEntrainederror/(″)Errornotexcluded(X/(″),Y/(″))Errorexcluded(X/(″),Y/(″))(-45°,0°)0.902.8560(227.84,66.56)(224.98,66.56)(-30°,0°)1.113.5224(234.88,62.70)(231.36,62.70)(-15°,0°)1.183.7445(237.44,67.20)(233.70,67.20)(15°,0°)1.183.7445(232.96,64.64)(229.22,64.64)(30°,0°)1.123.5541(232.96,62.08)(229.41,62.08)(45°,0°)0.932.9512(230.40,58.24)(227.45,58.24)(0°,0°)1.284.0618(236.80,67.20)(232.74,67.20)(0°,-45°)0.872.7608(242.56,70.40)(239.80,70.40)(0°,-30°)1.103.4906(240.00,69.12)(236.51,69.12)(0°,-15°)1.173.7128(236.80,67.20)(233.09,67.20)(0°,15°)1.193.7762(232.96,63.36)(229.18,63.36)(0°,30°)1.133.5858(231.68,60.80)(228.09,60.80)(0°,45°)0.922.9194(230.40,56.96)(227.48,56.96)

图9 消除引入误差前后比较图

可知：纬轴回转平行度10.41″,经轴回转平行度11.51″。发射系统的装调指标为纬轴回转平行度10″,经轴回转平行度10″,则剔除带入误差后的结果与系统平行度真值的偏差在2″以内,这说明结果可信,方法精度较高。

5 结 论

本文介绍了一种全天域发射光轴平行度检测方法和检测结构,该方法的创新性在于利用系统上安装的可见光探测器实现检测,而且结构带入的误差可以通过标定测量被确定并剔除,得到的结果与系统平行度真值的偏差在2″以内,具有较高精度。检测结构体积小重量轻,安装测量方便。另外,在这种方法中,检测结构上进一步还设计了频率转换模块,对其他波段激光具有一定的适用性。

[1] SHI Yali,GAO Yunguo,DENG Guojie,et al.Design and analysis of a novel assistant instrument for aligning the optical-axis parallelism[J].Laser & Infrared,2007,7(10)：1098-1104.(in Chinese) 史雅莉,高云国,邓伟杰，等.新型光轴平行度装调仪的设计与分析[J].激光与红外,2007,7(10)：1098-1104.

[2] YE Lu,WU Xiaoyang,NIE Zhenwei.Development of measuring instrument of optical-axis parallelism for strong laser and infrared sensor[J].Chinese Journal of Optics and Appllied Optics,2008,1(1)：100-104.(in Chinese) 叶露,武晓阳,聂真威.强激光与红外传感器光轴平行性测量仪器的研制[J].中国光学与应用光学,2008,1(1)：100-104.

[3] SHI Yali,GAO Yunguo,DENG Weijie,et al.Fast test method of optical-axis parallelism of CO2laser-launching system[J].Optical Technique,2008,34(6)：933-938.(in Chinese) 史亚莉,高云国,邓伟杰，等.CO2激光发射装置光轴平行度的快速检测方法[J].光学技术,2008,34(6)：933-938.

[4] WANG Min,YU Yi,WANG Chunxia.Application of reflex light-tube to photoelectric pointing system[J].Chinese Optics,2012,5(6)：618-623.(in Chinese) 王旻,余毅,王春霞.折转光管在光电瞄准系统中的应用[J].中国光学,2012,5(6)：618-623.

[5] LU Zhen.Higher mechanical principle[M].Beijing:Beihang University Press,2001.(in Chinese) 陆震.高等机械原理[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001.

[6] OUYANG Dingxi.Analysis and design of photoelectric tracking system on automatic tracking and aiming device on mobile[D].Xi′an：Xidian University,2005.(in Chinese) 欧阳订喜.车载自动跟瞄装置中光电跟踪系统的分析与设计[D].西安：西安电子科技大学,2005.

[7] LIU Pin,LI Zhe.Design of Mechanical preclsion and foundation of geometrical capacity survey[M].Harbin：Harbin Institute of Technology Press,2003.(in Chinese) 刘品,李哲.机械精度设计与检测基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003.

[8] YANG Yang.The Calibration technology of the multi-axes parallelism[D].Xi′an：Xi′an Technological University,2012.(in Chinese) 杨旸.多光轴光学系统平行性校准技术研究[D].西安：西安工业大学,2012.

[9] CAO Xuedong.The analysis of the factor of affecting tracking precision of the TV photoelectric theodolites and its measurement method[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2003.(in Chinese) 曹学东.电视光电经纬仪跟踪精度影响因素分析及检测方法研究[D].成都：电子科技大学,2003.

Research on the all-sky detection method of the laser beam optical-axis parallelism

JIN Xu-yang1,2,GAO Yun-guo1,YU Ping1,XUE Xiang-yao1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

To detect the all-sky optical-axis parallelism of the beam launching system,a detection method was proposed and the detection devices were designed. This method works with the visible-detector on the system,and the errors that introduced by detection devices can be measured and wiped out,thus the detecting results are of high precision. Firstly,the principle,the devices and its assembly are introduced; then the relationship between reflector angular variation and the introduced errors is analyzed according to the transformation of coordinates and vector rotation. Finally,an experiment was done to ascertain the deformation of the device,and the introduced errors were wiped out. The parallelism of the system was determined at last. The results show that the deviation of detection results with the actual value is within 2″.

beam launching system;optical-axis parallelism;quick detection;all-sky detection

1001-5078(2015)02-0176-05

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新工程项目(No. 057X22C050)资助。

金旭阳(1989-)，男，硕士，主要从事光电设备光轴平行度检测方面的研究工作。 E-mail：a821850479qq@126.com

2014-06-12

TH745；TH741

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.013