李慧珍，刘张飞，王国聪，张永安，崔 洁，李旭东，米建军，宋亚民

（1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710000；2.河南平原光电有限公司，河南 焦作 454001）

引言

激光主动探测系统是利用光学瞄准镜对照明激光的“猫眼效应”对隐藏在复杂背景中的光学瞄准镜进行主动探测。自20世纪80年代“猫眼效应”原理在军事领域首次应用以来，激光主动探测系统就以更高的定位精度、更远的探测距离和更快的探测速度在国内外受到越来越多的重视。美欧等西方发达国家已将激光主动探测技术应用于车载、人员便携、舰载和机载等激光侦察告警系统中，并取得了良好的效果。国内激光主动探测技术起步相对较晚，目前多应用于单兵手持、车载等领域[1-3]。

激光主动探测系统主要由照明激光光源、基于CCD探测器的探测接收组件、信息处理组件、扫描机构等组成[4-7]。其中，探测接收组件作为激光主动探测系统的关键部件，除了要具备较大的探测视场外，还需具备较高的目标角分辨率，同时，系统设计时还要压缩光学系统体积，减轻探测系统质量。由于照明光源视场、光斑均匀性，及CCD 传感器响应度、分辨率限制，传统的单孔径成像系统已经无法同时满足大视场和高分辨率的需求[8-10]。因此，提出采用双视场（双孔径）、双CCD拼接获得较大视场范围的方法，在保证系统小型化、轻量化的基础上可提高系统的探测效率。国外对CCD 焦平面拼接技术的研究比较成熟，但国内由于种种条件的限制，在该领域的研究与欧美发达国家还有一定的差距。近年来，有学者提出一种多镜头外拼接的方法，把多个独立镜头成像所得的多幅图像拼接成一幅图像来获得较大视场的高分辨率图像，从而提高系统的探测效率[11-16]。

本文基于某激光主动探测系统，提出一种由两组8°×6°视场的光学系统在水平方向视场拼接，实现15°×6°视场要求的双视场拼接探测接收系统，同时满足探测距离、探测效率与探测角分辨率技术指标要求。单视场采用分光棱镜分光的形式进行CCD 拼接。由于本系统涉及视场拼接、光路折转、CCD拼接等，装调难度较大。为合理安排装调流程，避免装调过程反复，本文对所设计的光学系统进行了分解和分析，对装调方法和装调步骤进行了详细设计，对各装调步骤的精度指标进行了分配。重点对单组系统内两条折转光路的光轴平行性和焦距进行控制，并利用专用工装仪器对两组光路的拼接视场进行精确调试。

1 光学系统和光机结构

根据某激光主动探测系统总体指标和外形尺寸要求，该系统通过两组体积较小的光路拼接来获得较大的视场，同时为了控制系统的轴向长度并提高探测效率，单组光学系统设计为两路折转光路以便进行CCD 拼接。单组光学系统如图1所示。主要由前透镜组、分光棱镜、平面反射镜、后透镜组、窄带滤光片、2个光谱响应度不同的CCD组成。通过分光棱镜快速采集不同光谱波段的目标及背景的回波信号，并在信息处理系统中进行光谱信息融合，提取“猫眼目标”信息。

图1 光学系统图Fig.1 Optical system diagram

光学系统主要性能指标见表1所示。

表1 光学系统主要性能指标Table1 Main performance indexes of optical system

根据光学系统的性能指标要求，结合光机零件的加工和装调水平，单组光机结构设计模型如图2所示，视场拼接后的探测接收系统三维模型如图3所示。单组光机结构主要由前透镜组、结构本体、带座分光棱镜、带座反射镜、隔圈、后透镜组（两组）、CCD探测器（两组）等组成。

图2 单组光机结构图Fig.2 Structure diagram of single-group optical mechine

单组光机结构中，前后透镜组中各光学透镜的轴向定位间隔通过修切隔圈来保证，前后透镜组光轴之间的夹角通过结构本体的精密机械加工以及调整带座分光棱镜、带座反射镜来实现。考虑到该光机结构涉及分光棱镜、平面反射镜的安装调试以及前后透镜组焦距的测量等装调因素，系统反复调整环节多，装调流程长，有必要对其装调方法及流程进行详细设计。

图3 探测接收系统三维模型Fig.3 3D model of detection and receiving system

2 装调流程设计

2.1 单组光学系统装调流程

该探测接收光学系统由两组相同的光学系统拼接而成，装调时需首先完成单组光学系统的两路光在可见光波段下的光轴平行性调试、焦距以及分辨率调试，然后进行两组光学系统视场拼接调试。根据系统总体指标要求，结合装配现场试验条件对单组光学系统的装调流程进行详细设计，单组光学系统的装调流程图如图4所示。

2.2 装调步骤的光学指标分配

根据图4所示的装调流程以及系统总体指标要求，对各装调步骤的光学指标进行了计算分配。各主要装调步骤需达到的精度要求如表2所示。

图4 单组光学系统装调流程Fig.4 Alignment process of single-group optical system

表2 主要装调步骤精度要求Table2 Accuracy requirements of main installation and adjustment steps

2.3 关键点调试思路和方法

2.3.1 分光棱角和反射镜的装调

装调分光棱镜及反射镜需要的仪器和设备有：可调工作台、工装平面反射镜以及500 mm 焦距前置镜。

将安装了带座分光棱镜和带框反射镜的结构本体固定在可调工作台上，放置在500 mm 焦距前置镜前方（前置镜和结构本体位置见图5），将工装反射镜的非反射面靠紧结构本体A面，从前置镜目镜观察工装反射镜的自准直像。通过调整工作台，使结构本体A面的反射光（即工装反射镜的自准直像）与前置镜分划中心重合，此时结构本体前组透镜光轴与前置镜光轴平行，固定结构本体和可调工作台。然后将工装反射镜的反射面靠紧结构本体的B面，通过调整带座分光棱镜的位置，使结构本体B面的反射光与前置镜分划中心重合，此时后透镜组Ⅱ光轴与前透镜组光轴垂直，为保证前透镜组和后透镜组间的光轴对接精度，要求光轴折转精度达到90°±30″，即自准直像偏差小于1′，随后固定带座分光棱镜。同理，将工装反射镜的反射面靠紧结构本体的C面，通过调整带框反射镜的位置，使结构本体C面的反射光与前置镜分划中心重合，此时后透镜组Ⅰ光轴与前透镜组光轴垂直，为保证前透镜组和后透镜组间的光轴对接精度，要求光轴折转精度达到90°±30″，即自准直像偏差小于1′，随后固定带框反射镜。

图5 分光棱镜和平面反射镜的装调示意图Fig.5 Alignment schematic of dichroic prism and plane mirror

该环节调试方案的确定需要在设计时充分考虑，设计结构本体需要对安装面，调试需要的工艺面（A、B、C面）提出平面度及垂直度的要求，才能保证调试精度。另外，调试的难点在于分光棱镜与反射镜在调试过程中需要反复调整，2个方向兼顾。

2.3.2 系统焦距及分辨率调试

分光棱镜和平面反射镜安装调试完成后，安装前透镜组和后透镜组，通过焦距测量仪测量系统焦距，组合焦距满足f′=（52.7±0.3） mm后，安装带支架的CCD；调整CCD 前后位置，通过焦距为1 600 mm的平行光管和鉴别率板测量系统分辨率。成像分辨率需达到CCD探测器的理论值，即CCD成像分辨率优于51″。

2.4 拼接模块的调试

拼接模块的调试主要是对安装在一起的两组光路进行俯仰轴的一致性调节和两组光路拼接视场大小的调整。该过程调试所需的仪器设备有：拼接模块工装支架、反射式平行光管、电源、工装显示器、铅垂线、台灯。调试方法及原理如图6所示。在拼接模块两组光路中各取一个CCD 同时连接电源与工装显示器；将铅垂线置于平行光管焦面十字靶板处，并用台灯照亮铅垂线和十字靶板；通过工装显示器观察，调整两组光路之间的夹角，使显示器观察到的两条铅垂线之间夹角≥7.5°；分别调整两组拼接光路的俯仰位置，使工装显示器观察到的靶板十字水平线与工装显示器电子分划水平线重合。为满足后续图像拼接的要求，从CCD可观察到靶板十字水平线与工装显示器电子分划水平线平行偏差不大于9.6′，即每组成像单元从CCD 观察到的靶板十字水平线与工装显示器电子分划水平线平行边缘偏差不大于2个像素。最后将两组拼接光路固定在一起。

图6 拼接模块调试原理图Fig.6 Schematic of splicing module debugging

3 装调精度（误差）与结果分析

3.1 装调误差

按本文所提出的装调方法和流程进行光机装调，各步骤中达到的装调误差如表3所示，均满足设计指标要求。

表3 主要装调步骤的误差Table3 Error of main installation and adjustment steps

3.2 结果分析

按本文所提出的装调方法和流程进行产品装配和调试，每组成像单元中的2个CCD 匹配装调满足后续图像处理要求，最终测得系统焦距52.7 mm，拼接后视场为15.2°×6.2°，满足设计指标要求。

4 结论

本文介绍了一种由两组视场为8°×6°的光学系统拼接为15°×6°视场的光学系统的装调步骤及方法，根据装配精度要求和现场试验条件设计了详细的装调流程。根据实际应用中对系统的要求，重点对系统单组两路折转光路的光轴平行性和两组拼接光路的光轴一致性进行控制，对拼接后的探测接收系统视场大小进行精确调试，测试结果满足水平视场15°要求。

该探测接收系统集成到激光主动探测系统后，经过外场试验验证，满足15°×6°全视场无假目标，100 m～3 000 m 无误警与虚警的总体性能要求。