遠(yuǎn)距多光軸平行度檢測方法研究

王鑫，白素平，許庭赫

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

集目標(biāo)探測、跟蹤、瞄準(zhǔn)和激光發(fā)射為一體的激光發(fā)射系統(tǒng)在各種現(xiàn)代化平臺上已得到廣泛應(yīng)用，為達(dá)到對目標(biāo)的作用效果，系統(tǒng)的探測器視軸、瞄準(zhǔn)軸、激光發(fā)射軸應(yīng)保持較高的平行度［1-2］。而在眾多的武器系統(tǒng)中，光軸間的距離有時會達(dá)到幾米遠(yuǎn)，為其光軸平行度測量帶來難度，設(shè)計一種遠(yuǎn)距離多光軸平行度檢測方法，對提高光電武器性能有重要意義。

在已有的光軸檢測方法中大都是通過五棱鏡、斜方棱鏡、平面反射鏡等光學(xué)器件對平行光管出射光軸進(jìn)行折射，使基準(zhǔn)軸與被測軸可進(jìn)入同一測量系統(tǒng)視場來實(shí)現(xiàn)的，但這些方法都存在一定的局限性，例如大口徑平行光管法一般采用離軸拋物面反射鏡和平面反射鏡組成，其要求待測兩光軸的距離不大于離軸拋物面反射鏡的直徑，對距離較遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，大口徑平行光管法便無法測量［3-5］。

本文利用激光自準(zhǔn)直儀的準(zhǔn)直光束光軸替代被測發(fā)射系統(tǒng)的出射光軸，通過兩激光自準(zhǔn)直儀的互瞄得到光軸平行度的測量結(jié)果，檢測機(jī)構(gòu)的代入誤差可通過標(biāo)定測量被確定并修正，得到的檢測結(jié)果具有較高精度，并且可測量其他光軸距離不同的光學(xué)設(shè)備，具有一定的適用性。實(shí)驗結(jié)果表明：檢測結(jié)果與約定真值10″的偏差在2″以內(nèi)，滿足使用要求，方法可行。

1 測量原理

由激光自準(zhǔn)直儀的測量方法可知，激光光束通過小孔光闌后，經(jīng)過分光棱鏡分光，一路經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直為平行的準(zhǔn)直光束射出，經(jīng)過放置在被測物上的測量反射鏡反射后，由準(zhǔn)直物鏡會聚，經(jīng)分光鏡成像于CCD像面上，當(dāng)反射鏡發(fā)生角度變化時，圓孔在CCD像面所成的像將產(chǎn)生線位移，由此可計算相應(yīng)角度，當(dāng)反射鏡傾斜微小角度α角時，反射回來的光束與出射準(zhǔn)直光束夾角為2α角［6］。同理，當(dāng)有一束平行光射入激光自準(zhǔn)直儀時，經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡與分光棱鏡后會成像在CCD上，通過此像也可得到一個角度，此角度為這束平行光激光自準(zhǔn)直儀出射準(zhǔn)直光束的夾角。

基于上述原理，本文采用兩套激光自準(zhǔn)直儀構(gòu)建測量光路，如圖1所示，發(fā)射系統(tǒng)1發(fā)出的平行光α1經(jīng)準(zhǔn)直物鏡、分光棱鏡后在激光自準(zhǔn)直儀1的CCD上形成一個光斑，其光斑中心記為點(diǎn)A，發(fā)射系統(tǒng)2發(fā)出的平行光α2經(jīng)準(zhǔn)直物鏡、分光棱鏡后在激光自準(zhǔn)直儀2的CCD上形成光斑，光斑中心記為點(diǎn)B，將B設(shè)為基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)整激光自準(zhǔn)直儀1的位置，使點(diǎn)A與CCD中心O重合，此時平行光α1與激光自準(zhǔn)直儀1的出射準(zhǔn)直光束的夾角為0，即平行光α1的光軸與此激光自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直光束的光軸平行，可由激光自準(zhǔn)直儀1發(fā)出的準(zhǔn)直光束代替發(fā)射系統(tǒng)1的出射光軸。將激光自準(zhǔn)直儀1順時針旋轉(zhuǎn)90°，激光自準(zhǔn)直儀2逆時針旋轉(zhuǎn)90°，使兩激光自準(zhǔn)直儀互瞄（由于距離較遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)后激光自準(zhǔn)直儀1發(fā)出的準(zhǔn)直光束可能在激光自準(zhǔn)直儀2的接受范圍外，此時可通過高精度直線位移導(dǎo)軌平移激光自準(zhǔn)直儀1，使準(zhǔn)直光束射入激光自準(zhǔn)直儀2中），激光自準(zhǔn)直儀1發(fā)出的準(zhǔn)直光束α3射入激光自準(zhǔn)直儀2中在CCD上形成光斑圖像，光斑中心記為點(diǎn)C，通過計算點(diǎn)B和點(diǎn)C的位置可得到角度值。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

為方便分析，對圖1中給出的測量光路進(jìn)行簡化，按右手法則建立坐標(biāo)系，并確立個坐標(biāo)系之間相互關(guān)系，等效光路如圖2所示［7］。準(zhǔn)直物鏡坐標(biāo)系OoXYZ為固定坐標(biāo)系，Z軸與主光軸重合，Oo點(diǎn)位于物鏡中心，光電探測器位于s=f處（f為物鏡焦距），像坐標(biāo)系OXpYpZp，O置于CCD的中心，OXpYp位于CCD敏感面上，Zp與Z軸重合，兩個坐標(biāo)原點(diǎn)均在主光軸上，

圖2 等效光路

圖2中平行光α2經(jīng)準(zhǔn)直物鏡成像于B點(diǎn)，平行光α3經(jīng)準(zhǔn)直物鏡成像于C點(diǎn)，則有B點(diǎn)坐標(biāo)(bx,by)、C點(diǎn)坐標(biāo)(-cx,-cy)，根據(jù)B點(diǎn)可算出平行光α3與主光軸的夾角，將其分解為X方向和Y方向角度分量有：

同樣對C點(diǎn)進(jìn)行分解有：

α2和α3之間的夾角θ的X、Y方向的分量為：

由三角函數(shù)公式可知α2和α3之間的夾角θ為：

式中，θ為平行光α2與激光自準(zhǔn)直儀2的準(zhǔn)直光束α3的空間角度，同時也是平行光α1與平行光α2的空間角度，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的光軸平行度的測量。另外，由系統(tǒng)原理可知，左右兩激光自準(zhǔn)直儀相互獨(dú)立，因此可根據(jù)具體情況調(diào)整左右兩激光自準(zhǔn)直儀的相對位置，從而適應(yīng)不同距離的多光軸光電設(shè)備的光軸平行度測量，其最大距離與激光自準(zhǔn)直儀的測量范圍和高精度直線位移導(dǎo)軌的長度有關(guān)，測量范圍越大、直線位移導(dǎo)軌越長，可測量的光軸距離越長。

2 模擬測量實(shí)驗

2.1 實(shí)驗組成

為了驗證本文提出的測量方法，采用固體激光器、光學(xué)自準(zhǔn)直儀、激光自準(zhǔn)直儀、高精度位移臺、轉(zhuǎn)臺及計算機(jī)等設(shè)備對上述方法進(jìn)行了實(shí)驗，實(shí)驗裝置如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)原理模型

實(shí)驗采用兩個固體激光器和光學(xué)自準(zhǔn)直儀模擬雙光軸發(fā)射系統(tǒng)作為被測設(shè)備，兩光學(xué)自準(zhǔn)直儀相距2m，固體激光器通過支架與夾具分別固定在兩光學(xué)自準(zhǔn)直儀目鏡處，固體激光器發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)自準(zhǔn)直儀后形成帶有一定方向的平行光作為出射光，實(shí)驗將對兩出射光的光軸平行度進(jìn)行測量。

首先，將兩激光自準(zhǔn)直儀粗對準(zhǔn)兩束出射光，使激光自準(zhǔn)直儀可以接收到出射光。由于固體激光器的能量較強(qiáng)，為防止激光自準(zhǔn)直儀的接收器件發(fā)生過飽和現(xiàn)象，采用衰減片對待測出射光衰減，衰減后的光射入激光自準(zhǔn)直儀1后經(jīng)過內(nèi)置自準(zhǔn)直光路在接收器件上形成光斑，并在計算機(jī)上得到光斑圖像，光斑圖像如圖4（a）所示，通過激光自準(zhǔn)直儀1上的二維調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整其水平和俯仰方向的位置，使兩光斑中心重合，重合后的光斑圖像如圖4（b）所示，由圖1所示測量原理可知，此時激光自準(zhǔn)直儀1的發(fā)射系統(tǒng)光軸與左側(cè)待測光的光軸平行；衰減后的光射入激光自準(zhǔn)儀2后形成一個光斑，實(shí)驗中以右側(cè)待測光作為基準(zhǔn)，因此激光自準(zhǔn)直儀2無需調(diào)整位置使接收器件中心與待測光斑中心對準(zhǔn)，只將待測光斑中心設(shè)為基準(zhǔn)即可。

圖4 光斑對準(zhǔn)圖

將激光自準(zhǔn)直儀1順時針旋轉(zhuǎn)90°，激光自準(zhǔn)直儀2逆時針旋轉(zhuǎn)90°，完成左側(cè)光軸以及右側(cè)基準(zhǔn)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)。由于兩個待測光的光軸不平行，在激光自準(zhǔn)直儀轉(zhuǎn)動90°后，激光自準(zhǔn)直儀2可能接收不到激光自準(zhǔn)直儀1發(fā)出的準(zhǔn)直光束，通過激光自準(zhǔn)直儀1下方的高精度直線位移導(dǎo)軌對其進(jìn)行平移，使激光自準(zhǔn)直儀2能夠接收到準(zhǔn)直光束，此時可在激光自準(zhǔn)直儀2連接的計算機(jī)中得到兩個光斑圖像，根據(jù)兩光斑的位置便可得到兩光軸的空間角度。

實(shí)驗所用轉(zhuǎn)臺精度有限（水平方向轉(zhuǎn)動誤差20″），不能滿足測量精度要求，為了得到較高精度的測量結(jié)果，通過放置在激光自準(zhǔn)直儀上的八面棱體與一個外置自準(zhǔn)直儀對轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測量，再通過運(yùn)動控制器對轉(zhuǎn)臺的水平轉(zhuǎn)動誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使角度精度可達(dá)到1.8″，保證水平方向測量結(jié)果的準(zhǔn)確，由于激光自準(zhǔn)直儀的測量角度可分解為X方向和Y方向的角度分量即水平方向和俯仰方向，因此可用水平方向的測量結(jié)果來代表整體的測量結(jié)果來驗證方法的可行性。

2.2 實(shí)驗數(shù)據(jù)及分析

將其他設(shè)備保持固定，轉(zhuǎn)動光學(xué)自準(zhǔn)直儀1用以模擬被測光軸的角度偏移，通過激光自準(zhǔn)直儀1對光學(xué)自準(zhǔn)直儀1的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測量，如此得到兩發(fā)射系統(tǒng)出射光軸的角度增量，記為光軸旋轉(zhuǎn)角度（激光自準(zhǔn)直儀的精度為0.1″，是測量精度2″的1/20，因此可用激光自準(zhǔn)直儀測得的數(shù)據(jù)作為約定真值），重復(fù)上述步驟對轉(zhuǎn)動后的光軸角度值進(jìn)行重新測量，得到新的測量結(jié)果，如此重復(fù)測量15次，得到15組數(shù)據(jù)。

測量數(shù)據(jù)如表1所示，對測得的數(shù)據(jù)做均值和均方根，得到的結(jié)果可知角度測量誤差小于2″，實(shí)驗及結(jié)果證明本文方法可行。

表1 水平方向測量數(shù)據(jù)

圖5 測量數(shù)據(jù)對比圖

從圖5中可以看出，第三組、第五組、第七組和第九組數(shù)據(jù)誤差較大，最大誤差1.73″，影響實(shí)驗測量精度的因素主要有以下兩個方面：

光軸替代誤差。由測量原理可知，光軸替代是測量方法中的重要步驟，激光自準(zhǔn)直儀的CCD中心與接受到的光斑中心的重合精度對整個測量系統(tǒng)的測量結(jié)果有較大的影響，實(shí)驗采用激光自準(zhǔn)直儀上的二維調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光斑中心的對準(zhǔn)，由于二維調(diào)整機(jī)構(gòu)的精度有限，不能保證光斑中心是完全對準(zhǔn)的，通過調(diào)整時的激光自準(zhǔn)直儀讀數(shù)可知，實(shí)驗時的對準(zhǔn)精度在0.5″以內(nèi)。

光軸旋轉(zhuǎn)誤差。根據(jù)測量原理可知，光軸與基準(zhǔn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)90°的誤差大小直接影響測量結(jié)果的精度，實(shí)驗時采用了光學(xué)自準(zhǔn)直儀、八面棱體和轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制器對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動誤差進(jìn)行測量和修正，但受限于運(yùn)動控制器的最小步進(jìn)角度，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動會有一定的誤差，運(yùn)動控制器最小步進(jìn)角度1.8″。

根據(jù)以上分析，可以在接下來的研究中改進(jìn)實(shí)驗方案的措施有：在光斑對準(zhǔn)時，使用高精度二維調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整光斑位置，減小光斑中心對準(zhǔn)誤差；使用高精度轉(zhuǎn)臺降低光軸的旋轉(zhuǎn)誤差或使用更高精度的儀器對轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行測量與校正，提高轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)精度。

3 結(jié)論

本文提出了使用激光自準(zhǔn)直儀對遠(yuǎn)距多光軸平行度進(jìn)行測量的方法。通過激光自準(zhǔn)直儀的準(zhǔn)直光束替代發(fā)射系統(tǒng)的出射光軸，再通過兩激光自準(zhǔn)直儀互瞄，得到光軸平行性的測量結(jié)果。采用提出的方法進(jìn)行了驗證性實(shí)驗，并對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的分析，實(shí)驗結(jié)果表明：在保證轉(zhuǎn)臺軸系不晃動的前提下，該方法可測量出射光軸的空間夾角，測量精度可達(dá)到2″，且由于左右激光自準(zhǔn)直儀完全分開獨(dú)立，因此兩激光自準(zhǔn)直儀可根據(jù)待測設(shè)備的光軸間距進(jìn)行調(diào)整以便進(jìn)行測量，具有測量精度高、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。

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