全天域激光發(fā)射光軸平行度檢測方法研究

金旭陽,高云國,于 萍,薛向堯

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院大學,北京 100049)

·光電技術與系統(tǒng)·

全天域激光發(fā)射光軸平行度檢測方法研究

金旭陽1,2,高云國1,于 萍1,薛向堯1

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院大學,北京 100049)

為在全天域范圍內檢測發(fā)射系統(tǒng)的光軸平行度,提出了一種檢測方法并設計了檢測結構。該方法利用系統(tǒng)上安裝的可見光探測器實現檢測,而且檢測結構帶入的誤差可以通過標定測量被確定并剔除,所得結果具有較高精度。首先介紹了檢測原理、檢測結構及裝調；然后利用矢量旋轉與坐標變換方法,分析了反射鏡角度變化與結構帶入誤差的關系；最后進行了自重變形實驗,確定了檢測時結構在不同位置的變形,完成了平行度檢測試驗,剔除結構帶入誤差并最終確定了系統(tǒng)平行度。結果表明：檢測結果與真值的偏差在2″以內,滿足使用要求。

發(fā)射系統(tǒng)；光軸平行度；快速檢測；全天域檢測

1 引 言

激光發(fā)射系統(tǒng)是激光外場應用的重要設備,系統(tǒng)的發(fā)射軸與探測器視軸的平行程度(以下稱平行度)是影響跟瞄發(fā)射精度的重要因素[1-3]。由于制造和裝調時存在誤差,加之長時間外場工作的影響,都會造成視軸和發(fā)射軸不平行。而且系統(tǒng)光路由多個折轉光路組成(包括庫德光路),軸系回轉時,系統(tǒng)指向發(fā)生變化,這個不平行情況也隨之變化。為此,必須設計一種方法,滿足在實驗室裝調時和外場環(huán)境下都能使用,而且要使系統(tǒng)在全指向范圍內(全天域)的光軸平行度得到檢測,以便充分掌握其變化規(guī)律,為進一步對系統(tǒng)進行精度判定創(chuàng)造條件,并為誤差修正提供參數,這具有非常重要的意義。

目前,在對光軸平行度的實測方面,相應產生的檢測方法有兩類應用：實驗室測量和野外測量。前者包括大口徑平行光管法、激光光軸儀法、五棱鏡法、投影靶板法、分光路投影法和靶面掃描擬合法等,這些方法精度較高,但對設備和環(huán)境要求高,不適合外場使用。現有的野外測量方法不僅需要多人操作、效率低,測量結果也需要通過人眼主觀判讀,精度不理想。而且上述方法共同存在的問題是無法實現全天域測量。

為此,本文以水平式激光發(fā)射系統(tǒng)為例,介紹一種檢測方法和檢測結構,該方法利用發(fā)射系統(tǒng)上安裝的可見光探測器實現全天域檢測光軸平行度。檢測結構的帶入誤差可以通過標定測量被確定并剔除,得到的檢測結果具有較高精度,而且可對其他波段激光具有一定的適用性。理論分析和實驗結果表明：檢測結果與系統(tǒng)平行度真值的偏差在2″以內,滿足使用要求,方法可行。

2 檢測方法和工作原理

系統(tǒng)光路如圖1所示,短波激光器發(fā)出的激光經一級擴束后進入跟蹤發(fā)射光路,隨跟蹤架跟蹤回轉,被跟蹤發(fā)射光路導向形成具有一定指向精度的激光光束,從發(fā)射窗口出射。

圖1 系統(tǒng)光路示意圖

據此,提出的檢測方法是：以探測器視軸為基準,利用檢測結構,將發(fā)射窗口的短波激光衰減至對可見光探測器安全的能量范圍后,高精度平行折返引入可見光探測器[4],從探測器電視屏幕可讀出激光指向脫靶量(單位為 ″)。軸系轉動,系統(tǒng)指向變化時,電視屏幕上脫靶量的變化量代表了發(fā)射軸與視軸間的平行度。

圖2說明了檢測時結構的安裝情況。項目中的發(fā)射系統(tǒng)采用水平式結構,在系統(tǒng)發(fā)射窗口的對稱位置安裝了用于探測目標的可見光探測器,檢測時用測量光軸平行度。以天頂為坐標零點,系統(tǒng)的有效指向范圍(全天域)：經角——東向45°至西向45°；緯角——南向45°至北向45°。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)與結構安裝圖

檢測結構工作原理如圖3所示,結構構成分為兩個模塊：支板模塊和基座模塊。支板模塊包括支板、反射鏡1、2及相關組件；基座模塊則由連接件和三個均布的微調組件構成。結構通過連接件上的螺紋固定在發(fā)射窗口,微調組件被用以實現兩模塊的連接和相對角度微調。

圖3 檢測結構工作原理圖

發(fā)射窗口的短波激光先經過連接件上的衰減片被衰減到對可見光探測器安全的能量范圍,再先后經過反射鏡2、反射鏡1被平行折返引入可見光探測器實現檢測。

3 結構帶入誤差分析

作為檢測設備,檢測結構自身應該具有高的光路折返精度、小的帶入誤差。而檢測時,結構存在自重變形,使反射鏡偏離裝調時的位置一定角度,這將影響光路折返精度。因此需要詳細地分析兩反射鏡角度變化造成的這種影響,以便進一步確定結構的帶入誤差。以下分析中,正、余弦函數分別用s、c表示。

3.1 坐標系與坐標變換

如圖4所示,檢測結構中兩反射鏡通過嚴格裝調構成高精度平行折返光路,具體地：以一塊大平面鏡為基準,將兩個間距200 mm、精度0.1″ 的自準直平行光管標平行；固定檢測結構,調整兩平面鏡使從任一平行光管看到的兩十字叉絲重合,則裝調完成。最終的理想效果應為兩鏡相互垂直且分別與光線夾角45°。

圖4 建立坐標系示意圖

根據上述情況,為便于分析,如圖4建立三個右手坐標系,各坐標系X軸均垂直紙面向外：

1)坐標系Ⅰ：以光線上一點為原點,沿光線向右為Y1軸,Z1軸與X1、Y1構成右手系；

2)坐標系Ⅱ：在Reflector 1中,以激光入射點為原點,Y2軸與鏡面法線方向重合,Z2軸與X2、Y2構成右手系；

3)坐標系Ⅲ：在Reflector 2中,以激光入射點為原點,Y3軸與鏡面法線方向重合,Z3軸與X3、Y3構成右手系。

如圖5所示,任意坐標系OXYZ先繞Z軸轉α角,再繞旋轉后的X軸(圖中X′軸)轉β角得到坐標系OX′Y″Z′,其坐標變換矩陣[4]：

圖5 坐標系旋轉示意圖

(1)

圖4中任意反射鏡產生偏離理想位置的角度變化時,可以描述為：

1)在坐標系Ⅱ中：Reflector 1繞Z2軸轉過α1角,再繞旋轉后的X2軸轉過β1角,坐標系Ⅱ隨之轉動形成新坐標系Ⅳ；

2)在坐標系Ⅲ中：Reflector 2繞Z3軸轉過α2角,再繞旋轉后的X3軸轉過β2角,坐標系Ⅲ隨之轉動形成新坐標系Ⅴ。

3.2 分析推導

設入射激光單位矢量R0,根據坐標變換原理和光的矢量反射定律[5-9]可以得出,經過檢測結構折返后的出射矢量：

=R0·MⅠ-Ⅱ·T1·MⅡ-Ⅲ·T2·MⅢ-Ⅰ

(2)

式中,R0與R3是坐標系Ⅰ中的坐標行陣;Mi-j為坐標系i到坐標系j的坐標轉換矩陣;Km為坐標系m中的反射鏡作用矩陣[9],且：

理想情況下R0=[0 1 0],α1=α2=β1=β2=0,R理想=[0-1 0]。反射鏡角度變化時,R3相對于R理想產生偏角θ,采取單因素法分析,得到單一反射鏡分別轉動α角、β角時與偏角θ的關系,如圖6所示。可以看出,θ與α之間為非線性關系,而θ∶β=2∶1,這個結論將有助于利用結構變形計算引入誤差。

3.3 帶入誤差計算

檢測時,結構的工作范圍如圖7所示。隨系統(tǒng)軸系回轉,自重引起支板在不同位置產生不同變形,變形的方式為彎曲和扭轉,其中扭轉變形可以忽略。而系統(tǒng)指向天頂時,重力垂直于支板,由于支板厚度方向剛度差,此處自重變形最大。利用電感測微儀,取檢測時跨越全天域范圍的13個位置測量支板變形,所得結果如表1所示。

圖6 偏角θ隨α、β的變化關系圖

圖7 檢測時支板的工作范圍示意圖

由于變形量微小,變形撓曲線簡化為折線。支板變形M(mm)引起圖4中Reflector 1繞坐標系Ⅱ中X軸逆時針旋轉β1角,此時α1=α2=β2=0°。計入平行光管裝調誤差,根據前述推導θ=2β,得到檢測結構的帶入誤差公式[5]：

(3)

因此可以認為帶入誤差即自重變形誤差,帶入誤差將導致探測器電視屏幕上X方向脫靶量偏大。結構指向天頂時,自重變形最大,帶入誤差：

σmax=2arctan(0.001227/130)≈4″

4 檢測試驗與結果分析

如圖8所示,取前述13個位置,利用檢測結構進行光軸平行度檢測。將對應的位置坐標、變形量,檢測結構帶入的誤差、剔除誤差前的結果(試驗結果)和剔除誤差后的結果列于表1。

圖8 檢測試驗圖

(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)

圖9 消除引入誤差前后比較圖

可知：緯軸回轉平行度10.41″,經軸回轉平行度11.51″。發(fā)射系統(tǒng)的裝調指標為緯軸回轉平行度10″,經軸回轉平行度10″,則剔除帶入誤差后的結果與系統(tǒng)平行度真值的偏差在2″以內,這說明結果可信,方法精度較高。

5 結 論

本文介紹了一種全天域發(fā)射光軸平行度檢測方法和檢測結構,該方法的創(chuàng)新性在于利用系統(tǒng)上安裝的可見光探測器實現檢測,而且結構帶入的誤差可以通過標定測量被確定并剔除,得到的結果與系統(tǒng)平行度真值的偏差在2″以內,具有較高精度。檢測結構體積小重量輕,安裝測量方便。另外,在這種方法中,檢測結構上進一步還設計了頻率轉換模塊,對其他波段激光具有一定的適用性。

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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

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所三期創(chuàng)新工程項目(No. 057X22C050)資助。

金旭陽(1989-)，男，碩士，主要從事光電設備光軸平行度檢測方面的研究工作。 E-mail：a821850479qq@126.com

2014-06-12

TH745；TH741

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.013