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《電子測量與儀器學(xué)報(bào)》2016年第8期

摘要:

為了測量水平式激光發(fā)射系統(tǒng)激光指向誤差，提出了一種天頂范圍激光指向遠(yuǎn)距離檢測方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)激光方向檢測裝置，介紹了激光方向檢測裝置的組成及工作原理，詳細(xì)介紹了光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)指向誤差進(jìn)行了實(shí)際測量，獲得激光指向誤差為5．7″，對(duì)檢測裝置中影響激光指向誤差的誤差源進(jìn)行了分析，得到了作為系統(tǒng)誤差的視差ε1、檢測裝置的結(jié)構(gòu)變形誤差ε2被消除、檢測裝置的測量誤差主要取決于電視系統(tǒng)分辨率和激光器光軸漂移誤差的結(jié)論，該檢測裝置測量的激光指向不確定度為1．87″。外場試驗(yàn)結(jié)果表明，通過該檢測裝置得到的檢測結(jié)果進(jìn)行誤差修正后，激光發(fā)射精度滿足使用要求，檢測方法直接、簡便，檢測精度較高，該檢測方法可以在工程實(shí)際中得到推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:

水平式激光發(fā)射系統(tǒng)；激光指向誤差；遠(yuǎn)距離檢測方法；檢測裝置

1引言

激光發(fā)射系統(tǒng)中激光指向精度直接決定激光對(duì)目標(biāo)的作用效果，所以研究激光指向的檢測非常必要［1-10］。激光方向檢測方法有很多種，較為直接、檢測誤差較小的檢測方法為遠(yuǎn)距離靶板法。所謂遠(yuǎn)距離靶板法就是在距離激光發(fā)射系統(tǒng)較遠(yuǎn)處(10km)設(shè)置一塊漫反射靶板，激光照射在漫反射靶板上，利用與激光發(fā)射方向平行設(shè)置的電視系統(tǒng)接收激光在靶板上的光斑，使其在電視系統(tǒng)的CCD上成像，隨著激光在工作區(qū)域范圍內(nèi)的位置改變，測得激光光斑在CCD上成像點(diǎn)偏離理論位置的量，這個(gè)偏離量就是激光發(fā)射方向的誤差值。常見的激光發(fā)射系統(tǒng)架設(shè)在地平式經(jīng)緯儀的水平軸上，水平軸隨垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)可以自傳，使激光工作在與水平方向成一定夾角的范圍內(nèi)［11-20］，這樣設(shè)計(jì)的激光發(fā)射系統(tǒng)用遠(yuǎn)距離靶板法檢測激光發(fā)射方向的精度非常方便，但是由于地平式經(jīng)緯儀有無法過天頂精密跟蹤的缺陷，所以在要求激光在天頂上方工作時(shí)就不能采用地平式經(jīng)緯儀架設(shè)激光發(fā)射系統(tǒng)，為了解決天頂上方精確發(fā)射激光的問題，設(shè)計(jì)了水平式轉(zhuǎn)臺(tái)激光發(fā)射系統(tǒng)。水平式轉(zhuǎn)臺(tái)由軸線相互垂直設(shè)置的內(nèi)、外框架組成，兩個(gè)框架的旋轉(zhuǎn)軸水平設(shè)置，內(nèi)框架隨外框架轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)框架可以自轉(zhuǎn)，激光軸安裝在水平式轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)框架上。激光的工作方向?yàn)樘祉斏戏椒较颍邪寮茉O(shè)在高空不太可能，為了靶板安裝方便、節(jié)約成本，設(shè)計(jì)一片大的可以旋轉(zhuǎn)的反射鏡架設(shè)在水平式轉(zhuǎn)臺(tái)的上方，使激光器發(fā)出的激光經(jīng)過多片導(dǎo)光反射鏡、擴(kuò)束鏡后的激光束經(jīng)過可以旋轉(zhuǎn)的大反射鏡反射出去，照射在距離轉(zhuǎn)臺(tái)10km處的慢反射靶板上，被電視系統(tǒng)接收，成像在CCD靶面上。轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)、外框架，使激光發(fā)射方向改變，同時(shí)配合轉(zhuǎn)動(dòng)大反射鏡，使激光光斑落在遠(yuǎn)場慢反射靶板上，成像在電視系統(tǒng)中，測得電視系統(tǒng)上的成像點(diǎn)變化曲線，就是激光發(fā)射方向的誤差曲線。由于激光與電視系統(tǒng)都是經(jīng)過同一片反射鏡反射的光線，即使大反射鏡不穩(wěn)定，有變形，也不會(huì)影響兩光軸的平行度測量值。

2激光發(fā)射方向的檢測

2．1水平式激光發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

水平式激光發(fā)射系統(tǒng)由激光器、反射鏡1～4、激光擴(kuò)束鏡組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中激光器固定在水平式轉(zhuǎn)臺(tái)上，X軸為內(nèi)框架旋轉(zhuǎn)軸，Y軸為外框架旋轉(zhuǎn)軸。反射鏡4、激光擴(kuò)束鏡、電視系統(tǒng)隨X軸旋轉(zhuǎn);反射鏡1、反射鏡2、反射鏡3及X軸隨Y軸旋轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)激光器發(fā)出的激光在天頂區(qū)間(X軸工作范圍－50°～+50°、Y軸工作范圍－5°～+5°)任一方向發(fā)射出去。

2．2激光方向檢測裝置的組成及工作原理

激光方向檢測裝置主要由光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)、固定支撐、慢反射板組成，折轉(zhuǎn)反射鏡、旋轉(zhuǎn)框架、直線移動(dòng)框架組成光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)，如圖2所示。折轉(zhuǎn)反射鏡與兩光軸成一定夾角固定在旋轉(zhuǎn)框架上，旋轉(zhuǎn)框架套裝在直線移動(dòng)框架里面，直線移動(dòng)框架架設(shè)在激光擴(kuò)束鏡和電視系統(tǒng)上方的固定支撐上，使激光向天頂方向發(fā)出的光線轉(zhuǎn)折到水平方向，照射在10km處的漫反射板上。圖3為激光照射在漫反射板上的光斑示意圖。

2．3光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)框架、折轉(zhuǎn)反射鏡、直線移動(dòng)框架、旋轉(zhuǎn)軸、直線移動(dòng)滑道、固定螺釘組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。折轉(zhuǎn)反射鏡固定安裝在旋轉(zhuǎn)框架上，旋轉(zhuǎn)框架套裝在直線移動(dòng)框架內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)軸使旋轉(zhuǎn)框架帶動(dòng)折轉(zhuǎn)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，通過固定螺釘使折轉(zhuǎn)反射鏡固定在某一角度位置;直線移動(dòng)滑道安裝在圖2所示的固定支撐上，使光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)。

2．4激光指向誤差遠(yuǎn)場檢測

按照?qǐng)D2所示安裝固定支撐、光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)及慢反射板，旋轉(zhuǎn)水平式轉(zhuǎn)臺(tái)的X軸和Y軸，使經(jīng)過激光擴(kuò)束鏡后的激光沿天頂向上發(fā)出，這時(shí)X軸和Y軸的轉(zhuǎn)角讀數(shù)分別為α=0°，β=0°;此時(shí)旋轉(zhuǎn)光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)框架，帶動(dòng)折轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)，使激光經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡后照射在慢反射板上，激光光斑如圖3所示，返回的激光光線被電視系統(tǒng)的CCD接收，在顯示器上的激光光斑圖像如圖5所示，圖中的ΔX、ΔY分別代表該點(diǎn)(α，β)處在X軸、Y軸方向上激光指向偏離電視光軸的脫靶量值，也就是激光偏離理論方向的誤差值。分別在－5°～5°內(nèi)整度數(shù)位置固定Y軸，在－50°～50°內(nèi)旋轉(zhuǎn)X軸，同時(shí)旋轉(zhuǎn)光線折轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)框架，帶動(dòng)折轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)，使激光光線照射在慢反射板上，間隔10°記錄一點(diǎn)CCD中激光光斑脫靶量值(ΔX，ΔY);在－50°～50°內(nèi)間隔10°固定X軸，在－5°～5°內(nèi)旋轉(zhuǎn)Y軸，間隔1°記錄一點(diǎn)CCD中激光光斑脫靶量值(ΔX，ΔY)。將上述激光光斑脫靶量值(ΔX，ΔY)換算成角度值(δ，θ)，如表1和2所示，(δ，θ)為激光指向誤差。表1、2中X、Y單位為°。在傳統(tǒng)經(jīng)緯儀等精度觀測實(shí)驗(yàn)中，通常用標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量光電經(jīng)緯儀視軸指向精度［20-23］，因此激光指向綜合誤差:σx=∑x2in槡－1=3．4″(1)σy=∑y2in槡－1=4．6″(2)激光指向總誤差:σ=σ2x+σ2槡y=5．7″(3)

3激光方向檢測裝置測量誤差分析

3．1誤差源分析

檢測裝置中影響激光指向誤差的主要因素:1)視差ε1;2)檢測裝置的結(jié)構(gòu)變形誤差ε2;3)電視系統(tǒng)的分辨率誤差ε3;4)激光器激光指向漂移誤差ε4。

3．2視差

激光擴(kuò)束鏡與電視系統(tǒng)同時(shí)安裝于內(nèi)框架上，激光軸與電視系統(tǒng)光軸的間距h為300mm，遠(yuǎn)場檢測的測量距離H為10km，激光束R1經(jīng)反射鏡后打在漫反射靶板A點(diǎn)處，A點(diǎn)光班一部分光線l'經(jīng)反射鏡后進(jìn)入電視系統(tǒng)，在CCD靶面上成像，如圖6所示。由A點(diǎn)光斑在CCD靶面上的脫靶量計(jì)算激光光軸與電視系統(tǒng)光軸平行度，從而得到激光光軸的指向精度。由于激光發(fā)射與電視接收為非共軸系統(tǒng)，即兩光軸距離h將引起視差ε1，為:ε1=arctan(h/H)=6．19″(4)然而視差ε1只與h、H有關(guān)，即檢測距離H確定后，ε1不會(huì)變，即為系統(tǒng)誤差。在外場測量時(shí)將ε1折算成電視系統(tǒng)脫靶量加以修正，修正精度取決于h、H理論值與實(shí)際值的誤差，H由GPS定位所得，誤差為±0．5m，h由機(jī)械加工保證，誤差為±0．1mm，因此視差為:ε'1=arctan(h±Δh/H±ΔH)=6．19″±0．0003″(5)按最大誤差法進(jìn)行A類評(píng)定，得視差修正后引起的測量的不確定度:u1=1/k1δ1=0．000375″(6)因此可以認(rèn)為視差對(duì)測量精度的影響很小，可以在測量時(shí)消除。

3．3檢測裝置的結(jié)構(gòu)變形分析

檢測裝置的核心部件為可旋轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)反射鏡，因此，影響測量精度的誤差主要為該裝置的結(jié)構(gòu)變形引起的反射鏡角位移誤差。檢測裝置結(jié)構(gòu)變形對(duì)于測量精度的影響如圖7所示，其中ε2為結(jié)構(gòu)變形引起反射鏡角位移誤差，R1為經(jīng)擴(kuò)束后的激光束光軸，R'1為經(jīng)反射鏡后激光光軸，R″1為結(jié)構(gòu)變形后經(jīng)反射鏡的激光光軸，R2為電視系統(tǒng)光軸，R'2為經(jīng)反射鏡后電視系統(tǒng)光軸，R″2為結(jié)構(gòu)變形后經(jīng)反射鏡的電視系統(tǒng)光軸。由圖6可知，由于激光光軸與電視系統(tǒng)光軸同時(shí)經(jīng)一塊反射鏡反射，當(dāng)反射鏡發(fā)生角位移ε2后，經(jīng)反射鏡后的兩光軸R″1、R″2同時(shí)產(chǎn)生角位移2ε2。兩光軸產(chǎn)生的角位移量相同，方向相同，因此，該誤差ε2不影響兩光軸的平行度，即不影響激光指向的測量精度。即檢測裝置結(jié)構(gòu)變形引起的測量不確定度u2=0。

3．4電視系統(tǒng)的分辨率誤差

檢測裝置通過電視系統(tǒng)測得激光光斑位置的變化，所以電視系統(tǒng)中CCD相機(jī)的像元與電視系統(tǒng)的焦距決定的分辨率對(duì)激光指向檢測誤差有直接的影響。CCD相機(jī)選用的是意大利產(chǎn)的型號(hào)為CV-A50的面陣CCD相機(jī)，像元尺寸為8．6×10－3mm，電視系統(tǒng)的焦距為2000mm，CCD中一個(gè)像元的角度值(分辨率)為:ε3=arctan(8．6×10－3/2000)≈0．9″(7)分辨率誤差引起的測量不確定度：u3=1/k1ε3=1．125″(8)

3．5激光器激光指向漂移誤差

由于溫度、出光時(shí)間等因素影響，激光器存在光軸漂移現(xiàn)象，根據(jù)激光器出場檢測報(bào)告激光器光軸漂移誤差為ε4=1．2″，則激光器光軸漂移引起的測量不確定度:u4=1/k1ε4=1．5″(9)因?yàn)楦髡`差源是相互獨(dú)立的，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:uc=u21+u22+u23+u槡24=1．87″(10)

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

水平式激光發(fā)射系統(tǒng)按照?qǐng)D2所示裝置進(jìn)行激光指向誤差檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行了誤差修正后，參加了外場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明激光指向滿足精度要求。從試驗(yàn)效果來看，通過上述檢測方法得到的修正數(shù)據(jù)與最終的試驗(yàn)效果基本相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了該檢測方法的可行性和實(shí)用性。

5結(jié)論

本文提出了一種水平式激光發(fā)射系統(tǒng)天頂范圍激光指向遠(yuǎn)距離檢測方法，其主要依靠在激光光軸上方架設(shè)的折轉(zhuǎn)反射鏡，將朝向天頂?shù)墓饩€轉(zhuǎn)折到平行于大地的方向，通過電視系統(tǒng)接收遠(yuǎn)距離設(shè)置的慢反射板上的激光光斑圖像來實(shí)現(xiàn)。激光指向誤差檢測值為5．7″。通過對(duì)激光方向檢測裝置測量誤差分析得到:作為系統(tǒng)誤差的視差ε1、檢測裝置的結(jié)構(gòu)變形誤差ε2都被消除了，修正視場后的測量不確定度僅為0．000375″，檢測裝置的測量誤差取決于檢測中的電視系統(tǒng)分辨率誤差ε3和激光器激光指向漂移誤差ε4，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1．87″。結(jié)合該水平式激光發(fā)射系統(tǒng)參加外場試驗(yàn)的結(jié)果，表明通過該檢測系統(tǒng)得到的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，激光指向誤差可以在2″以內(nèi)，該檢測方法可以在工程實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。

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作者:施龍 張文豹 于萍 薛向堯 單位:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所