紅外脈沖激光測距儀發收光軸一致性測試方法研究

王若帆，張國玉，曹秒，王卉，吳畏

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022；3.中國人民解放軍駐一三三廠軍事代表室，長春 130022）

脈沖激光測距是當前最便利、技術成熟度最高的測距手段，它不需要合作目標，對非鏡面目標都可以直接測距。脈沖激光測距模塊應用很廣，在許多現代測量儀器上都有應用，例如電子全站儀、武器火控系統、汽車防撞雷達等設備上都有脈沖激光測距模塊[1］。脈沖激光測距儀的激光發射、接收光軸一致性是其測距性能的保障，發射、接收光軸一致性不好的測距儀，其對較遠測距目標的準測率不會太高[2］。因此，脈沖激光測距儀的發射與接收光軸一致性檢測非常重要[3］。本文研究“紅外脈沖激光測距儀發、收光軸一致性測試方法”，可為相關設備生產廠家提供生產組裝環節的質量保證、出廠檢驗等提供檢測手段。

1 發收光軸一致性檢測系統設計

1.1 測試原理

本項目以離軸拋物面反射鏡為主體構建一個牛頓式反射平行光管系統，為被測試紅外脈沖激光測距儀提供無窮遠靶標（光源）。該靶標是位于離軸拋物面反射鏡焦點處的激光上轉換板，可接收紅外脈沖激光光斑并轉換為可見光光斑，確定紅外脈沖激光測距儀的激光發射軸；或者安裝自發激光衰減反饋組件輸出端平移掃描機構，延遲被測試紅外脈沖激光測距儀的自發激光脈沖作為光源，去測試激光接收光軸的位置。結構原理圖如圖1所示。

圖1 發、收光軸一致性測試儀結構原理圖

1.2 光學結構設計

檢測系統采用離軸牛頓反射式平行光管，利用離軸拋物面反射鏡對紅外激光進行匯聚及反射[4］。

離軸拋物面反射鏡是本系統的重要組成部分，其光學參數為：焦距f=1500mm，離軸量Q=200mm，口徑D=150mm。其光學系統如圖2所示。

圖2 離軸拋物面平行光管光學系統

1.3 圖像采集及處理

檢測系統利用CCD相機對圖像進行采集，并對匯聚在上轉換片上的光斑進行實時捕捉。控制計算機對接收到的圖像和數據進行計算與測量，準確計算出光斑中心點，以及測量接收軸時的視場邊緣，從而計算出紅外脈沖激光測距儀激光接收視場中心點，并實時顯示[5］。

2 發收光軸一致性檢測系統應用

2.1 檢測操作流程

如圖3所示，當測量發射光軸時，將上轉換板安裝到焦平面定位框上，脈沖激光測距儀發射測距激光，激光經離軸拋物面反射鏡反射后，再經平面反射鏡反射匯聚到位于焦平面上的上轉換板上，會形成可見光光斑，由測量相機拍攝并記錄，可以求出光斑中心，坐標為(x1，y1)，該位置可以表征激光發射軸。

圖3 紅外脈沖激光測距儀發射軸測試原理示意圖

測量激光接收軸時，如圖4所示，保持脈沖激光測距儀位置不動，將上轉換板換下，將自發激光衰減反饋模塊的光纖輸出端子安裝到焦平面定位框上，將被試脈沖激光測距儀穩定地架設在承載臺上，通過離軸平面反射鏡自發激光衰減反饋組件的輸出端子，將被試脈沖激光測距組件設置為單脈沖工作方式，設置距離為最小值。發射多個激光脈沖，被試脈沖激光測距儀顯示距離值與光纖長度應相對應，此時自發激光衰減反饋組件的輸出端子在被試脈沖激光測距儀的接收視場內。

圖4 紅外脈沖激光測距儀接收軸測試原理示意圖

控制光纖輸出端在平行光管焦平面上沿上下進行移動，發射多個激光脈沖，直至每次都顯示無回波，反向移動較小距離。重復上述過程，調整到被試脈沖激光測距儀能部分測得距離值，部分顯示無回波。當回波率達到指標要求時，以測量相機拍攝記錄此時自發激光衰減反饋組件的輸出端子在焦平面定位框內的位置。

重復上述過程，分別向4個不同方向移動，獲得4個接收視場邊緣點。擬合出上述各點的圓心位置，坐標為，這個圓心位置可以表征被試脈沖激光測距儀的激光接收軸。

通過圖像判讀，可以得到上轉換板上激光光斑中心與4個接收視場邊緣點擬合圓心之間的距離Δx，如公式1所示。根據平行光管的焦距即可得到被試脈沖激光測距儀的收發光軸的偏差角。如公式2所示：

2.2 測試結果

采用上述方法對某臺紅外激光測距儀發、收光軸一致性進行多次測量，結果如表1所示，以多次測量的平均值為真值，并計算其標準差。

表1 發收光軸偏差表（mrad）

3 測量精度分析

決定激光發射軸測量精度的關鍵因素是測量相機，其次是數字圖像判讀軟件的判讀精度[6］。脈沖激光測距儀的激光束散角一般不大于2.5mrad，則在激光上轉換板上顯示的光斑直徑一般不會超過4mm[7］。測量相機配以ZL0911鏡頭，其窄邊視場不大于6.9mm。則每個像素對應的距離為：6.9/1024=6.74μm。通過一定的加權算法，可以實現亞像元判讀，判讀精度可以達到σ發≤3μm。即：激光發射軸的判讀精度為：σ1≤3/1500=0.002mrad。

激光接收軸測量精度關鍵取決于自發激光衰減反饋組件輸出端平移掃描機構的測控精度[8］。因為二維位移測量精度σ移動≤1.0μm，所以由此產生的激光接收軸測量精度為：

由于激光發射軸和激光接收軸的測量是在兩個相互獨立的坐標系中實現的[9］。所以在計算紅外脈沖激光測距模塊發、收光軸一致性時，必須進行兩個坐標系的統一，這個過程就是通過測量相機判讀自發激光衰減反饋組件輸出端在相機視場中某一時刻的位置，從而將兩個測量坐標系統一[10］。由此造成的誤差主要是測量相機的判讀誤差以及測量相機的像素坐標系的橫縱兩軸與自發激光衰減反饋組件輸出端二維平移方向的偏差所造成的。測量相機的判讀誤差較小，而兩個測量坐標系橫縱軸不平行的問題可以通過測量相機的姿態調整進行消減，但不能完全消除[11］，由此所造成的位移判讀偏差可以調節到：σ對準≤0.05mm，由此產生的坐標統一誤差為：σ3≤0.05/1.5=0.033mrad。

所以紅外脈沖激光測距模塊發、收光軸一致性測量精度能夠達到

4 結論

此測試方法利用離軸拋物面牛頓反射式平行光管設計技術、高精度位移測控技術、800nm～1600nm紅外激光上轉換技術、數字圖像判讀技術，有效測量紅外脈沖激光測距儀發、收光軸一致性。此測試方法測量精度高，操作簡單，完成了精度為0.05mil的技術指標。

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