激光雷達(dá)掃描儀原理及在網(wǎng)狀天線測量中的應(yīng)用

賀 燕 劉 勇 王東偉 陳曉暉 殷 晴 / 北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所

0 引言

航空航天領(lǐng)域涉及許多幾何形面的現(xiàn)場測試工作，幾何形面測試結(jié)果與電性能測試結(jié)果的綜合分析可以對天線的加工結(jié)果作出評價(jià)。目前，實(shí)現(xiàn)幾何形面現(xiàn)場測試普遍采用電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)或跟蹤儀系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)無論在測量方法還是測試效率上都存在一定的局限性。美國Metris公司生產(chǎn)的新型激光雷達(dá)掃描儀（Laser Radar）采用了激光絕對測距專利技術(shù)和極坐標(biāo)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空間點(diǎn)三維坐標(biāo)非接觸的測量和快速掃描測量功能，避免了類似粘貼靶標(biāo)或使用靶鏡接觸工件等現(xiàn)象，在保證同樣的測試準(zhǔn)確度情況下，大大提高了測試效率。該儀器特別適合國內(nèi)正在開展研究的網(wǎng)狀天線幾何形面的測試。本文將結(jié)合儀器的原理，針對網(wǎng)狀天線的測試予以介紹。

1 激光雷達(dá)掃描儀

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)掃描儀通過激光干涉原理測量被測目標(biāo)到激光頭的距離，配合激光光束方位角（θ）和俯仰角（γ）的測量建立極坐標(biāo)系統(tǒng)，再通過數(shù)學(xué)變換將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)。激光雷達(dá)掃描儀的測量原理如圖1所示。一定程度上，激光雷達(dá)掃描儀與激光跟蹤儀測量原理有相近之處，但是激光雷達(dá)掃描儀具備激光跟蹤儀無法比擬的優(yōu)勢。激光雷達(dá)掃描儀利用了激光調(diào)頻絕對測距的功能，可實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)非接觸、快速掃描測量，避免目前各種儀器利用靶球接觸測試或粘貼靶標(biāo)等方法的局限性。

圖1 激光雷達(dá)掃描儀測試示意圖

該套系統(tǒng)中存在兩種激光，光源皆為半導(dǎo)體激光器。一種是可見的紅色激光，這種激光用于瞄準(zhǔn)和回光指示，并不用于實(shí)際的測量；另一種是波長為1 550 nm的紅外激光，此種激光具有200 THz的頻率，可以有效減小外界干擾對測量的影響，因此作為測距激光。兩種激光經(jīng)過光耦合變?yōu)橥S激光，利用透鏡調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)透鏡的位置，實(shí)現(xiàn)對激光聚焦距離進(jìn)行調(diào)整，二維回轉(zhuǎn)掃描反光鏡將出射激光反射射向不同方向，儀器測量范圍得到最大擴(kuò)展，測試變得更加靈活。操作人員可通過儀器內(nèi)部的CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的實(shí)時(shí)觀測。儀器光路上采用了邁克耳遜結(jié)構(gòu)。耦合的激光在射出儀器前通過分光鏡，一束分光射進(jìn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光纖組，光纖組由若干條長度一定的標(biāo)準(zhǔn)光纖組成，通過光纖組的激光作為參考臂，測量臂激光射向被測物體，激光光束經(jīng)被測物體上反射回來與光纖參考臂的激光匯聚發(fā)生干涉，產(chǎn)生拍頻，根據(jù)拍波相位變化檢測儀器原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。根據(jù)測量物體距離不同，系統(tǒng)自動(dòng)選取參考臂光纖，實(shí)現(xiàn)最準(zhǔn)確的測量結(jié)果。同時(shí)方位和俯仰旋轉(zhuǎn)軸系由精密軸系統(tǒng)和伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，俯仰角和水平角測量值由安裝于反射鏡軸系上的精密碼盤讀出。激光雷達(dá)掃描儀光路及結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)掃描儀光路及結(jié)構(gòu)

得到的空間極坐標(biāo)（γ，θ，V），利用公式（1）即可得出靶標(biāo)所在目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值（x，y，z）。

式中：θ— 極坐標(biāo)系方位角；

γ— 極坐標(biāo)系俯仰角；

R— 極坐標(biāo)系的極徑。

1.2 激光絕對測距原理

激光雷達(dá)掃描儀主要特點(diǎn)在于其專利技術(shù)——激光絕對測距技術(shù)。測距是與測長不同的概念。測長說明目標(biāo)點(diǎn)相對某基準(zhǔn)點(diǎn)的連續(xù)位移的增量，其有相對固定的方向性，雙頻激光干涉儀和跟蹤儀即利用了這種原理。而測距是測量目標(biāo)點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，測距不受方向性和連續(xù)性的限制，應(yīng)用更加靈活。為了實(shí)現(xiàn)絕對測距就必須使激光器產(chǎn)生適于測距的激光，不同種類激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理不同，氣體激光器采用合成波原理，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)仍相當(dāng)復(fù)雜，沒有很好地解決多譜線穩(wěn)頻，整套技術(shù)并不完善，尚未應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。而半導(dǎo)體激光器利用調(diào)頻技術(shù)，相對比較成熟，激光雷達(dá)掃描儀就是利用半導(dǎo)體激光器調(diào)頻實(shí)現(xiàn)絕對測距的[1]。

激光雷達(dá)掃描儀采用類似邁克耳遜干涉儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)，1 550 nm的紅外測量激光被分成兩部分，一部分進(jìn)入光學(xué)參考臂，該參考臂是由一段精確標(biāo)定過光程的光纖構(gòu)成的；另一部分激光射向被測物體，相當(dāng)于測量臂。出射光經(jīng)物體表面反射回來與通過光纖的參考光相遇，若兩干涉臂長度不等,兩路反射回來的激光產(chǎn)生相對延時(shí) ，會(huì)合后形成光拍。激光絕對測距不再用干涉條紋計(jì)數(shù)方法進(jìn)行測量，而是根據(jù)光拍的頻率與延時(shí)成正比，或者說是與兩臂光程差成正比，測出拍頻值，再算出對應(yīng)的距離值。測量距離就轉(zhuǎn)化為測量頻率的問題，而這種測量并不要求測量臂反射鏡從一個(gè)測點(diǎn)連續(xù)移動(dòng)到另一個(gè)測點(diǎn)，只需將被測鏡分別放置在兩個(gè)測點(diǎn)，正好滿足絕對距離測量的要求。

但是激光雷達(dá)掃描儀不同于激光干涉儀測長原理，它不是利用激光光頻由于自身時(shí)延產(chǎn)生的拍進(jìn)行測量，而是在1 550 nm紅外激光200 THz的基礎(chǔ)頻率上，通過對半導(dǎo)體激光器采用電流注入方式進(jìn)行調(diào)頻，調(diào)頻頻率為0.5 kHz，約100 GHz的調(diào)頻帶寬，可見半導(dǎo)體激光的線性調(diào)頻就是使激光發(fā)射的光頻隨時(shí)間線性變化。

激光調(diào)頻就是對激光的頻率用一三角波或鋸齒波進(jìn)行調(diào)制，得到一個(gè)調(diào)制波形（如圖3所示）。其頻率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系由公式(2)給出：

式中：f0— 激光的中心頻率；

ΔF/ ΔT— 調(diào)制系數(shù)。

圖3 激光調(diào)頻示意圖

調(diào)制后的激光射到被測物體上，經(jīng)反射后由光學(xué)接收器接收，激光器到被測目標(biāo)的距離R由公式(3)表示：

式中：τ— 時(shí)間；

c— 激光的光速。調(diào)制后的激光經(jīng)分光后形成一路參考光和一路測量光，測量光射向被測目標(biāo)，經(jīng)反射后與參考光混頻，產(chǎn)生拍波。兩路光波頻率之差即為拍頻，如圖4所示。

拍波頻率為

圖4 拍頻示意圖

由拍波頻率可精確地計(jì)算出時(shí)間τ，則被測目標(biāo)點(diǎn)的距離：

由于測量臂與參考臂不同，使得測量臂信號相對于參考臂信號有延時(shí)ΔT，并產(chǎn)生光拍，這個(gè)拍隨著ΔT的增大而增大。測量延時(shí)ΔT來計(jì)算光程差顯然不太現(xiàn)實(shí)，但通過測量拍頻來計(jì)算光程則易于實(shí)現(xiàn) [2，3]。

另一方面，將公式（5）求導(dǎo)可得

由公式（6）推導(dǎo)可得Δfp= 575（kHz/m）·ΔR，當(dāng)Δfp= 0.58 Hz時(shí)，ΔR= 1 μm，即0.58 Hz的拍頻變化所代表的被測物位移變化量為1 μm，通過測量相位變化就可以得到頻率的變化量?，F(xiàn)有的相位分辨技術(shù)完全可以達(dá)到1/1 000的分辨力，因此保證準(zhǔn)確測量可達(dá)到微米量級。

激光雷達(dá)掃描儀內(nèi)測量臂光纖是經(jīng)過精確標(biāo)定的，最短的光纖長度為L= 4.2 m左右，經(jīng)調(diào)頻的激光頻率為2.3 MHz，當(dāng)拍頻用fp表示時(shí)，測量距離可用公式（7）表示：

可見當(dāng)拍頻為0時(shí)，測量臂與參考臂相同，為2L，被測物距儀器中心距離為L。拍頻為4.6 MHz時(shí)，測量臂長度為4L，被測物距儀器中心距離為2L。隨距離增大，拍頻并不是線性增加，而是在0～ 4.6 MHz內(nèi)作周期變化，其變化曲線如圖5所示。

圖5 拍頻的變化曲線圖

當(dāng)被測物體距離超出2L時(shí)，儀器也遇到了結(jié)果唯一性的問題，可見此種測量也是有測量范圍限制。因此儀器中安裝了多條不同長度并精確標(biāo)定的光纖來滿足更大范圍的測量，解決測量多值性的問題，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。測量過程中，當(dāng)測量距離超出所采用標(biāo)準(zhǔn)光纖長度兩倍時(shí)，儀器自動(dòng)選取下一條標(biāo)準(zhǔn)光纖對距離重新測試。通過采用不同參考臂分別測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行比較，選取一個(gè)最佳測量值作為結(jié)果。在1 ～ 60 m的測量范圍內(nèi)，隨著被測物體距離的變化，所采用的參考光纖也發(fā)生變化，在兩條光纖共同作用區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)兩個(gè)測量結(jié)果的準(zhǔn)確度進(jìn)行參考光纖的選擇。不同參考臂光程長度與拍頻的關(guān)系圖如圖7所示[4]。

圖6 多條參考光纖參與測量結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 參考臂光程長度與拍頻的關(guān)系

據(jù)式（5）可知，提高測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵是提高半導(dǎo)體激光器調(diào)頻線性度，即提高半導(dǎo)體激光的調(diào)頻頻率，使得調(diào)制三角波的一周期內(nèi)，光頻的變化量要大，而且調(diào)制波的頻率也要盡量的高才好，這樣可使大范圍的長度測量達(dá)到微米級。由于激光雷達(dá)僅僅依靠拍波頻率進(jìn)行距離的測量，而與信號幅度無關(guān)，所以它大大降低了對測量環(huán)境條件和被測物體反射率的要求，即使返回光束功率為1 pW，也能進(jìn)行可靠的測量。

1.3 激光雷達(dá)掃描儀技術(shù)特點(diǎn)

激光雷達(dá)掃描儀是一種新型大尺寸測量儀器，可以測量60 m半徑范圍內(nèi)的工件，既可以非接觸點(diǎn)測，也可以掃描自動(dòng)測量，使得測量更加方便，工作效率更高。

1.3.1 技術(shù)指標(biāo)[5]

1）測量范圍：MV260型 60 m；

2）空間誤差（2σ）： 1×10Lμm；

3）掃描速率：1 000點(diǎn)/s；

4）測量范圍：方位角 0°～ 360°；

俯仰角 -45°～ 45°。

1.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）非接觸測量方式，無需測量靶鏡或粘貼靶標(biāo)，對被測物體表面沒有破壞和影響；

2）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描測量，適應(yīng)性強(qiáng)、效率高；

3）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下測試，無需人工干預(yù)；

4）測量結(jié)果可生成三維實(shí)體圖像，有利于進(jìn)行逆向工程；

5）可以利用鏡面反射測量，適用于回轉(zhuǎn)體及盲區(qū)的測試，降低移站對測量準(zhǔn)確度的損耗。

2 激光雷達(dá)掃描儀在網(wǎng)狀天線測試中的應(yīng)用

2.1 網(wǎng)狀天線

激光雷達(dá)掃描儀可以實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)非接觸高準(zhǔn)確度測量，特別適合應(yīng)用于網(wǎng)狀天線的測試。網(wǎng)狀天線是一種常見的展開天線類型，其反射面由一種編制金屬網(wǎng)構(gòu)成，具有質(zhì)量輕、展開收縮比大的特點(diǎn)，因此對于降低航天器有效載荷及體積有很大作用。盡管金屬網(wǎng)面不屬于實(shí)體表面，是不連續(xù)的，但是仍然能夠反射高達(dá)40 GHz的無線電波。通過不同的支撐結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀天線可以實(shí)現(xiàn)多種構(gòu)型。目前，國際先進(jìn)的航天國家的網(wǎng)狀天線技術(shù)相對比較成熟，如美國研制的剛性肋天線（RRA）、纏繞肋天線（WRA）（圖8）、鉸鏈肋式天線（HRA），俄羅斯生產(chǎn)的EGS天線（圖9），日本NTT研制的可展單元式網(wǎng)狀天線等。相比國外研制情況，我國還處于網(wǎng)狀天線研制初期，對于天線有效測量更是沒有經(jīng)驗(yàn)可循。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所走在網(wǎng)狀天線研究的前列，為某型號衛(wèi)星研制SAR（合成孔徑雷達(dá)）天線系統(tǒng)已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)，開展了進(jìn)一步的應(yīng)用。為了使SAR網(wǎng)狀天線達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求，我們與中科院電子所合作，研究解決網(wǎng)狀天線形面測試的難題。

圖8 纏繞肋天線（WRA）外觀

圖9 俄羅斯EGS天線外觀

星載SAR輕型網(wǎng)狀天線采用的桁架式可展開網(wǎng)狀拋物線天線，該種桁架單元構(gòu)成的大型空間可展桁架結(jié)構(gòu)由于具有收縮體積小、剛度高及形狀構(gòu)造靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以作為桁架式網(wǎng)狀拋物面反射器的一種有效支撐結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或桿件終點(diǎn)處按特定的要求設(shè)置扭簧，折疊時(shí)扭簧受預(yù)應(yīng)力存儲變形能量，結(jié)構(gòu)解鎖時(shí)，扭簧釋放彈性能量，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)逐步展開。

星載SAR輕型網(wǎng)狀可展開天線網(wǎng)面的形面準(zhǔn)確度、天線形面方向位置參數(shù)與天線電性能直接相關(guān)。為了保證天線電性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，必須對天線機(jī)械性能參數(shù)做出相應(yīng)的校準(zhǔn)。利用大尺寸坐標(biāo)測量系統(tǒng)可以完成天線面型及形面方位等參數(shù)的測量，并對天線加工結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，但是由于網(wǎng)狀天線的特殊結(jié)構(gòu)，應(yīng)用傳統(tǒng)的大尺寸測試儀器有局限性，效率也不高。如電子經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)和攝影測量系統(tǒng)都需要在被測物體上粘貼靶標(biāo)，而靶標(biāo)會(huì)在天線上殘留膠質(zhì)多余物，對于天線的收攏展開會(huì)造成影響。激光跟蹤儀測試過程中，需要用跟蹤棱鏡接觸測量物體本身，且測試效率不高。而激光雷達(dá)掃描儀掃描測量可以很好地滿足天線測試的要求，一方面不接觸被測天線，不會(huì)有外力對形面產(chǎn)生影響；另一方面，測量的自動(dòng)化可以盡可能多地收集形面信息，完整反映形面特征。

2.2 測量步驟的實(shí)施

2.2.1 天線形面測試

首先利用激光雷達(dá)掃描儀在網(wǎng)狀天線邊沿測取若干個(gè)點(diǎn)作為邊界點(diǎn)，邊界點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)封閉的區(qū)域即為待測區(qū)域。通過軟件設(shè)置自動(dòng)掃描的點(diǎn)間隔，包括步距和行距，儀器根據(jù)設(shè)定要求進(jìn)行自動(dòng)化空間點(diǎn)掃描測量，每個(gè)點(diǎn)自動(dòng)聚焦測量得出點(diǎn)坐標(biāo)值。在測量區(qū)域內(nèi)所有測量點(diǎn)就構(gòu)成網(wǎng)狀天線的形面數(shù)據(jù)，通過擬合分析計(jì)算，得出擬合形面的均方差、焦距、頂點(diǎn)和焦點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。網(wǎng)狀天線安裝有中心桿及饋源等機(jī)械部件，該機(jī)械部件的形位參數(shù)要與天線幾何參數(shù)具有對應(yīng)關(guān)系，因此根據(jù)測試數(shù)據(jù)與機(jī)械部件參數(shù)，比較并指導(dǎo)機(jī)械部件的位置調(diào)整，直至偏差滿足預(yù)定的要求為止。

2.2.2 天線位置

在天線形面滿足設(shè)計(jì)要求后，為了實(shí)現(xiàn)天線電性能測試，網(wǎng)狀天線需要被安置在微波暗室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。微波暗室內(nèi)有一個(gè)電信號發(fā)射器，發(fā)射器能夠形成一個(gè)掃描平面，網(wǎng)狀天線形面與發(fā)射器掃描平面間要求有一定的位置關(guān)系，通過測試網(wǎng)狀天線上的某些特征點(diǎn)作為參考點(diǎn)。參考點(diǎn)反映天線位置參數(shù)，與掃描形面進(jìn)行位置和姿態(tài)比較，利用二軸轉(zhuǎn)臺對反射器俯仰角和偏航角進(jìn)行調(diào)整，直至偏差滿足預(yù)定要求。

2.3 測量結(jié)果及分析

測試結(jié)果顯示，激光雷達(dá)掃描儀掃描測量功能具有自動(dòng)化高、測點(diǎn)質(zhì)量好、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，其非接觸測量特別適合網(wǎng)狀天線的測試。在同一個(gè)坐標(biāo)系下，完成對整個(gè)形面的掃描，形成掃描測量點(diǎn)點(diǎn)云（如圖10所示）。對測量異常點(diǎn)按照一定的規(guī)則剔除后，整個(gè)形面保留了15 000多個(gè)點(diǎn)，測量點(diǎn)數(shù)量充分地反應(yīng)了形面的特征，對測量點(diǎn)進(jìn)行形面擬合得出拋物面焦距為2 172 mm，RMS為2.94 mm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。天線的電性能測試滿意的結(jié)果再次證明天線形面位置的正確，而這一切都是通過準(zhǔn)確的測試才得以保障。

圖10 SAR天線形面點(diǎn)云圖

3 結(jié)語

激光雷達(dá)掃描儀的應(yīng)用很好地解決了網(wǎng)狀天線測試的難題，從而為我國網(wǎng)狀天線的研制提供了計(jì)量保障。激光絕對測距原理應(yīng)用于大尺寸測試儀器，儀器測試方法和效果都有很大的提高，對于空間大尺寸測量有很大的促進(jìn)作用。高準(zhǔn)確度空間尺寸形面測量要求不斷增加，尤其大型航天器外形公差測量、箭船對接、衛(wèi)星天線形面測量方面，都亟需更高準(zhǔn)確度、更快速的測量方法，因此激光雷達(dá)掃描儀將以其高效率、高準(zhǔn)確度、功能強(qiáng)的優(yōu)勢在航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

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