提高運載火箭CCD激光瞄準儀準直精度及穩定性技術研究

孫 煜，王學根，解英梅，賀永喜，姜 華

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

瞄準系統在運載火箭發射前，需按射向裝訂發射角，并通過轉動箭體或慣性器件，將制導系統中慣性器件的方位敏感軸調整到射向，通過精確測量，獲得慣性器件方位敏感軸與射向的偏差角，從而保證火箭發射后能按預定軌道精確飛行。但火箭在加注后或風擺工況下，箭體會產生偏移，在瞄準儀視場中觀察到目標棱鏡偏移分劃板中心位置，或左右，或上下，準直數據時常出現超過25″以上的數字跳變，偶爾還會出現無數據現象。這對于以準直偏差角大小輸出準直電流控制慣性器件轉動的瞄準系統而言，會造成瞄準精度超差或失控等較大風險。

CCD激光瞄準儀作為運載火箭瞄準系統主要設備，其瞄準慣性器件上目標棱鏡的準直偏差角精度直接影響著火箭發射精度。目前所用CCD激光瞄準儀，多采用半導體激光器作為準直光源。半導體激光器具有單色性好、方向性好、高亮度、相對其它光源穿透能力強的特點，以及電光轉換效率高、體積小、驅動電路簡單、壽命長、可靠性高和價格低等優點，被廣泛用于光電測量領域[1]。但在以半導體激光器為準直光源、CCD器件為接收器件的激光瞄準儀實際使用中發現：在瞄準準直測量時，目標方位未動，但測量數據不穩定，時常出現超過5″以上的變化，而當目標棱鏡相對激光瞄準儀平移（方位未發生變化）時，準直偏差角度測量數據出現較大誤差，影響系統準直測量精度和功能。

本文將從通過對激光瞄準儀準直光束采取勻化措施從而提高系統準直測量精度和對平移目標的適應性角度進行分析和探討。

1 基于CCD的光電準直原理

激光瞄準儀選用 CCD器件作為準直偏差角測量的光電轉換器件，以半導體激光器作為準直光源，其光電準直光路原理如圖1所示[2]。

圖1 CCD激光瞄準儀光電準直光路原理示意Fig.1 Light Prinicipe for the Collimation of the CCD Laser-Collimator A—反光鏡轉動的角度；F—焦距；XL—光點移動后的位置；X0—光點起始位置；L—光點移動距離

由圖 1可以看出，半導體激光器發出的光束經聚光鏡成像在焦面上，經分光棱鏡反射并通過物鏡變成一束擴展的準直光，如果平面反光鏡法線與主光軸平行，則其經反光鏡后原路返回，匯聚在物鏡焦面上的CCD的X0處；當平面反光鏡偏轉角度為A且A很小時，返回光點將匯聚在物鏡焦面上的CCD的 XL處，此時平面反光鏡的轉角 A可以用返回光點在物鏡焦面上的位移L來表示[3]。

計算公式為

式中 A為平面反光鏡偏轉角度；L為與轉角A相對應的光點在CCD上的偏移量，L = XL-X0，mm；f為物鏡焦距，mm。

CCD激光瞄準儀是由多個等間隔的像感單元組成的光電陣列，如果知道單個像元所對應的角度值（通過預先設定得到），那么只要測量出光點移動像感單元的數目就能精確計算出準直偏差角，光點移動量不足一個像感單元可采用細分計算。

半導體激光器出射的激光到達目標棱鏡，經棱鏡反射回到激光瞄準儀，返回像點在CCD光敏面上形成一定寬度的光斑，經光電轉換后，形成如圖2所示的信號波形。

圖2 CCD輸出信號Fig.2 Output Signal of CCD

由于該波形占據一定的寬度且各像元對應的電壓幅值不同，激光瞄準儀通過計算光斑的重心位置完成光斑中心位置的確定，并采取一定的方法進行細分處理，以得到較高精度的測量結果。計算公式為

式中 W為光斑重心在CCD上位置；I為AD轉換采集的視頻信號數據序號，數據范圍為[1，N]；N為光斑覆蓋的CCD像元數；Vi為第i次AD轉換采集的視頻信號幅值；0V為噪聲幅值；0I為光斑在CCD像元的起始位置。

但在實際應用中，CCD輸出信號不會如圖2所示，而是由于半導體激光器輸出光的發光點強弱不均，在通過外界光學元件變形加劇了返回光強的不均勻，導致CCD輸出信號如圖3所示，在主信號兩側存在毛刺。

圖3 以半導體激光器為準直光源的CCD輸出信號波形Fig.3 Signal Figure of CCD Output with Collimation Light of Laser Diode

2 技術方案

2.1 激光準直技術現狀分析

半導體激光器通常由多個半導體激光發光單元（Emmitter）通過陣列疊加而成[4]，由于半導體激光器采用非對稱激活通道，其有源區在豎直方向和水平方向的孔徑約束大小不一樣，因衍射等原因導致高斯光束空間分布的不對稱。在快軸方向上發散角一般在20～40°，光束質量接近衍射極限，為基橫模高斯分布；在慢軸方向上，發散角一般在8～15°，為多模厄米-高斯分布型[5]，發光點在空間分布稀疏，輸出光能量不集中，光束質量很差，光強分布不均，如圖4所示。

圖4 半導體激光器輸出光束能量分布示意Fig.4 Distributing of Light Beam Energy Exported by Laser Diode

激光瞄準儀將半導體激光器輸出光束通過兩組正透鏡后，作為準直光源，匯聚到焦平面處，光路如圖5所示，光斑呈橢圓高斯型，且光強不均，如圖6所示。

圖5 激光瞄準儀準直光源光路示意Fig.5 Collimation Light Path of the Laser-collimator

圖6 半導體激光器組件出射光束能量分布示意Fig.6 Light Beam Energy Distributing Exported by Laser Diode Subassembly

這樣的光斑經激光瞄準儀系統后，形成如圖7所示直徑為65 mm出射光束，肉眼可以清晰看出激光瞄準儀出射光束分布不均勻。用照度計檢測光束上下左右光強分布，結果如圖8所示，邊緣最低光強僅為中心部位的23%左右。

圖7 經整形后激光瞄準儀出射光束能量分布示意Fig.7 Shaping Light Beam Energy Distributing Exported by Laser-collimator

圖8 激光瞄準儀出射光束光強分布數據（光強單位Lx）Fig.8 Data of the Light Beam Energy Distributing Exported by Laser-collimator (Light Power Unit Lx)

由于光強分布不均，激光光斑經目標棱鏡返回后，在CCD輸出信號波形上存在尖峰毛刺，如圖3所示。

但實際應用時，因目標棱鏡差異，當不均勻的激光束經目標棱鏡返回到激光瞄準儀后，CCD器件輸出信號波形如圖9所示；當目標棱鏡發生平移時，覆蓋在目標棱鏡上的光強發生變化，CCD器件輸出信號幅值改變，如圖 10所示。激光瞄準儀是通過計算 CCD上光斑的重心位置完成光斑中心位置的確定，輸出波形的改變，會造成測量誤差。

圖9 準直偏差角跳變時的CCD輸出波形曲線Fig.9 Output Figure of CCD When the Collimation Angle Leaps

圖10 棱鏡平移時CCD輸出波形曲線Fig.10 Output Figure of CCD When the Prism Moves

由于光強不均勻導致 CCD輸出信號波形上一直存在毛刺，為避免毛刺信號對有效信號的干擾，激光瞄準儀采用通過控制準直光源光強的方法來抑制毛刺幅值。但光強的控制強度不易把握——準直光源出射光強低時，CCD輸出主信號低于閾值，系統無反應；出射光強高時，CCD輸出呈雙峰或多峰，系統跳數或不能正常工作。只有在主信號有效、兩側的毛刺信號無效時，激光瞄準儀才能正常工作。當激光瞄準儀出射激光光強只能局限在0.3～0.7 Lx之間，適應光強范圍過窄時，這不僅對于激光瞄準儀生產裝調時要求苛刻，而且即使按此要求完成裝調出廠，在面對棱鏡偏移等客觀因素影響時，激光瞄準儀還可能會處于不能正常工作狀態。

通過分析，影響準直測角精度和穩定的原因在于CCD輸出信號存在毛刺，毛刺產生的原因在于激光瞄準儀準直光源光強的分布不均，而且光強分布不均還會在目標棱鏡平移的工況下導致瞄準系統控制功能失效，這是半導體激光器自身特性決定的。要解決上述問題，需對激光瞄準儀半導體激光器出射光束的光強進行勻化。

2.2 激光光源勻光技術

激光整形技術可分為：單透鏡法、組合透鏡法、漸變折射率透鏡法、液體透鏡法、衍射法和反射法等[6]。

為實現激光瞄準儀半導體激光器出射光束勻化的設計思想，歷經玻片、柱面鏡、科勒照明等方案，最終選取性價比較好的正、負透鏡組合，實現了半導體激光器出射光束能量分布相對均勻，提高了成像質量，解決了準直偏差角測角精度和穩定問題。

半導體激光器出射光束能量在靠近中心的區域較為均勻，而在邊緣，尤其是短軸方向，變化明顯。首先，考慮利用負透鏡擴展原理，將半導體激光器出射光束放大，然后選用其中較為均勻的中間區域經正透鏡組聚焦到焦平面。

正負透鏡整形的光學系統如圖11所示，準直光源結構示意如圖12所示。

圖11 正負透鏡勻化光強整形光源的光學系統Fig.11 Light System of the Even Energy Shaped by the Positive and Negative Lens

圖12 準直光源結構示意Fig.12 Structure Figure of the Collimation Light 1—負透鏡；2—正透鏡一；3—正透鏡二；4—分劃板；5—安裝法蘭

由圖11、圖12可知，通過利用負透鏡將半導體激光器自身出光均勻性較好的中心部分光線進行光學放大，再通過正透鏡一將局部放大的光線進行平行收斂，最后通過正透鏡二將平行光束聚焦到處于焦平面的分劃板上，成為提供激光瞄準儀的優質點光源。

負透鏡、正透鏡一、正透鏡二光學鏡頭的設計是通過Zemax專業光學軟件設計完成。通過Zemax軟件的“REAY”函數控制光束的實際高度與理想高度盡量一致，再利用Aemax軟件自動優化，設計出序號2、序號3鏡頭的優質準直光路；最后通過整體設計序號1、序號2、序號3鏡頭的光學系統像差，有效減小球差，改善了系統成像質量，提高了準直測量精度。光學設計參數如表1所示。

表1 使用正負透鏡后光學系統參數Tab.1 Parameters of Light System Using Positive and Negative Lens

準直光源出射光束如圖13所示，激光瞄準儀出射 光束如圖14所示。由圖13、圖14中，采用正負透鏡后，目視出射激光均勻。用照度計檢測激光瞄準儀出射準直光斑光強均勻性結果如圖15所示。從圖15可以看出，激光瞄準儀出射光束邊緣與中心光強差距約為 50%，能量分布對稱，肉眼難以分辨差距，比未采用正負透鏡前光強均勻性提高很多。

圖13 正負透鏡勻化光強后激光器組件出射光束能量分布示意Fig.13 The Energy Distributing Exported by Laser Diode Subassembly with the Light Beam Evened by Positive and Negative Lens

圖14 采用正負透鏡提高勻化光強水平后激光瞄準儀出射光束能量分布示意Fig.14 Energy Distributing Exported by Laser-collimator with Positive and Negative Lens to Even the Light Beam

圖15 使用正負透鏡后激光瞄準儀出射光束光強分布數據（光強單位Lx）Fig.15 Data of the Energy Distributing Exported by Lasercollimator with Positive and Negative Lens to Even the Light Beam (Light Power Unit Lx )

3 試驗驗證

3.1 準直偏差角精度測試

在激光瞄準儀前方3 m處架設裝有直角棱鏡的經緯儀，通過轉動經緯儀，每隔10″裝角一次，測量范圍±2＇，每次讀取準直角度數據與經緯儀裝訂角度比對，誤差值即為準直偏差角測量精度。

在未勻化光強時，激光瞄準儀在±2′的范圍內準直偏差角測量精度為7.8″，如表2所示。采用正負透鏡勻化光強后，±2′范圍內的準直偏差角測量精度為4.9″，測量精度有明顯提高，如表3所示，而且數顯穩定，不再出現較大的跳動。

表2 勻光前準直測量精度Tab.2 Precision of Collimation Measuring without the Light Evened

表3 勻光后準直測量精度Tab.3 Precision of Collimation Measuring with the Light Evened

3.2 平移工況測試

激光瞄準儀瞄準物鏡前方40 m處架設在精密導軌上的50 mm×30 mm（L×H）直角棱鏡中心，準直后通過上、下、左、右平移棱鏡，每間隔一段距離讀取準直零位變化，測量范圍垂直方向±25 mm，水平方向±35 mm。每次讀取準直角度數據與初始零位比對，誤差值即為平移工況下準直偏差角測量精度。分別在未采取勻化措施和采取勻化措施后進行對比，結果如表4所示。

表4 勻光前后棱鏡平移對準直零位的影響Tab.4 Influence on Collimation Zero Caused by the Prism Moving with or with No Even Light

續表4

通過表 4可以看出：當目標棱鏡在垂直方向平移時，激光瞄準儀準直零位變化較大。在未勻化光強時，垂直方向平移15 mm準直零位有超過20″的變化，隨著平移量的增加，甚至出現了沒有數據的現象。觀察CCD輸出信號波形，可以看到信號幅值已低于閾值。水平方向平移時，準直零位變化情況稍好，但也有20″左右變化。采用正負透鏡勻化光強后，在垂直方向±25 mm、水平方向±40 mm范圍內平移，準直零位變化不大于10″，穩定性有明顯提高。

此外，勻化光強技術的應用在提高準直偏差角測量精度的同時，還提高了激光瞄準儀自適應性能：勻化光強弱化了因外界光學元件變形導致成像質量下降從而引起的CCD輸出信號上產生的毛刺，降低了毛刺信號對準直偏差角有效性的干擾，將激光瞄準儀光強適應范圍從勻化光強前的 0.3～0.7 Lx擴大到 0.2～14 Lx，減少了光強調節環節，提高了設備測量可靠性和實用性。

4 結束語

針對半導體激光器出射光束強度分布不均對以CCD為光電轉換器件的激光瞄準儀準直測量系統精度、穩定性以及適應目標棱鏡平移工況所帶來的影響，設計了一種以正負透鏡組合勻化光強的光學系統，在室內外試驗驗證以及運載火箭全系統試驗結果表明，可以有效改善激光瞄準儀光學系統輸入像質，提高準直偏差角的測量精度及穩定性，對因加注或風擺造成的慣性器件上目標棱鏡平移的工況，也有很好的適應性。