一種光電經(jīng)緯儀成像質(zhì)量的快速檢測(cè)系統(tǒng)

趙巨波

（92941 部隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125001）

0 引言

光電經(jīng)緯儀在研制、生產(chǎn)過程中需對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過專業(yè)方法的檢測(cè)[2]以達(dá)到要求。 但受長(zhǎng)期運(yùn)輸、道路顛簸、測(cè)量環(huán)境等因素的影響，可能出現(xiàn)光軸位置晃動(dòng)、像面位置變化、分系統(tǒng)功能故障等現(xiàn)象，光電經(jīng)緯儀的可靠性在上述情況下將難以保證， 需要對(duì)光電經(jīng)緯儀進(jìn)行準(zhǔn)確、快速光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量檢測(cè)[3]，來確定和排除問題所在。目前在外場(chǎng)環(huán)境中難以找到合適的檢測(cè)設(shè)備，只能依靠月亮提供目標(biāo)，如此天氣因素將大大制約檢測(cè)過程。

本文設(shè)計(jì)了一種用于快速檢測(cè)光電經(jīng)緯儀成像質(zhì)量的靜態(tài)虛擬光學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)，用于給主光學(xué)系統(tǒng)提供一種靜態(tài)虛擬光學(xué)目標(biāo)與檢測(cè)圖像， 供光電經(jīng)緯儀進(jìn)行標(biāo)定[4]，后續(xù)的采集、測(cè)量與處理。本文第二節(jié)介紹了該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、第三節(jié)介紹了系統(tǒng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，第四節(jié)對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。

1 系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)如圖1 所示， 該光學(xué)系統(tǒng)口徑為92mm，焦距為657mm，經(jīng)過反射鏡與主系統(tǒng)高靈敏和變焦系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。

系統(tǒng)中主要包括45°反射鏡、調(diào)焦鏡組、衰減鏡組、投影儀（光源），可在光源處提供各種所需靶標(biāo)圖案與目標(biāo)圖像，衰減鏡組可調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的光通量。 調(diào)焦鏡組包括距離調(diào)焦與溫度調(diào)焦[5]，并可根據(jù)目標(biāo)距離與環(huán)境溫度的變化進(jìn)行調(diào)焦來保證成像質(zhì)量。 45°反射鏡對(duì)光線進(jìn)行折轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖1 靜態(tài)虛擬光學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

光學(xué)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)是光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。低空間頻率的MTF 影響畫面對(duì)比度；中空間頻率一般與探測(cè)器空間采樣頻率相當(dāng)，MTF 影響畫面銳度；高空間頻率MTF 影響分辨力，由于采樣頻率的限制，高空間頻率MTF 對(duì)CCD 成像系統(tǒng)影響小。

系統(tǒng)中的目標(biāo)模擬器分系統(tǒng)采用像素大小為5.4μm的探測(cè)器，特征空間頻率是90lp/mm。 光學(xué)傳函曲線如圖2 所示，圖中虛線為衍射極限。

該光學(xué)系統(tǒng)具有優(yōu)良的成像質(zhì)量， 較高的透過率，結(jié)構(gòu)緊湊，像面照度均勻，雜散光控制良好，系統(tǒng)的性能優(yōu)良。

圖2 目標(biāo)模擬器分系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)總體布局

本設(shè)計(jì)不需要對(duì)光電經(jīng)緯儀整體結(jié)構(gòu)做任何修改，只需把系統(tǒng)固定到光電經(jīng)緯儀的水平軸上，并保證與光電經(jīng)緯儀水平軸的同軸度，并可隨光電經(jīng)緯儀的照準(zhǔn)架和垂直軸同時(shí)進(jìn)行俯仰與方位運(yùn)動(dòng)。 系統(tǒng)總體布局見圖3。

模擬光學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)主要由切換反射鏡、 調(diào)焦組件、 軸端連接筒、衰減片組件、投影組件組成。其結(jié)構(gòu)見圖4。

45°反射鏡固定于切換機(jī)構(gòu)中，切換機(jī)構(gòu)通過電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)切換內(nèi)筒沿經(jīng)緯儀水平軸方向進(jìn)行移動(dòng)，工作時(shí)通過切換機(jī)構(gòu)帶動(dòng)45°反射鏡切入經(jīng)緯儀四通內(nèi)，45°反射鏡與光電經(jīng)緯儀主鏡成45°角，經(jīng)緯儀主鏡接收靜態(tài)虛擬光學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)提供的平行光進(jìn)行后續(xù)的成像與檢測(cè)等工作，不工作時(shí)切換機(jī)構(gòu)帶動(dòng)45°反射鏡移出經(jīng)緯儀四通，不影響經(jīng)緯儀正常工作。

圖4 靜態(tài)虛擬光學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)示意圖

經(jīng)計(jì)算其中調(diào)焦組件的理論擺角為7.8″， 切換組件的擺角為6.9″， 系統(tǒng)的精度通過光機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與加工可保證符合檢測(cè)要求。

3 有限元分析

為等效切換機(jī)構(gòu)在經(jīng)緯儀中的實(shí)際狀態(tài)， 將軸端與系統(tǒng)連接處設(shè)置為固定約束，模擬軸端承系統(tǒng)的支撐；在軸與四通安裝面施加大小為3000N、 方向豎直向下的集中力， 模擬四通負(fù)載傳遞到軸上的力； 整體施加豎直向下，大小為9.8N/kg 的重力場(chǎng)，模擬重力效果；投影儀的結(jié)構(gòu)對(duì)整體剛度的影響較小，等效為質(zhì)量點(diǎn)。

通過有限元計(jì)算，得到如圖5 所示的位移云圖，可以看出，較大的變形主要集中在兩端，這是由于整體結(jié)構(gòu)類似于中間固定、兩端懸空的懸臂梁。 投影儀一側(cè)，等效質(zhì)量點(diǎn)處的位移為3.502μm；切換反射鏡一側(cè)，鏡筒最大變形 量 為4.804μm。通過光學(xué)復(fù)核計(jì)算，變形對(duì)光路的影響在允許范圍內(nèi)，不會(huì)影響成像質(zhì)量。對(duì)反射鏡鏡面進(jìn)行Zernike 擬合，得到反射鏡面型RMS 為3.42nm，約為λ/185（@632.8nm），完全滿足使用要求。

圖5 系統(tǒng)有限元分析位移云圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種光電經(jīng)緯儀成像質(zhì)量的快速檢測(cè)系統(tǒng)，提供了一種隨機(jī)檢測(cè)手段，解決了在外場(chǎng)環(huán)境中只能依靠月亮提供目標(biāo)[6]，制約檢測(cè)過程的弊端，大大提高了檢測(cè)效率。 該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于光電經(jīng)緯儀中。 實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)構(gòu)的定位精度滿足設(shè)計(jì)與使用要求且反饋較好。