激光主動探測拼接光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)設(shè)計

李慧珍，劉張飛，王國聰，張永安，崔 潔，李旭東，米建軍，宋亞民

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710000；2.河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001）

引言

激光主動探測系統(tǒng)是利用光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡對照明激光的“貓眼效應(yīng)”對隱藏在復(fù)雜背景中的光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡進行主動探測。自20世紀(jì)80年代“貓眼效應(yīng)”原理在軍事領(lǐng)域首次應(yīng)用以來，激光主動探測系統(tǒng)就以更高的定位精度、更遠(yuǎn)的探測距離和更快的探測速度在國內(nèi)外受到越來越多的重視。美歐等西方發(fā)達(dá)國家已將激光主動探測技術(shù)應(yīng)用于車載、人員便攜、艦載和機載等激光偵察告警系統(tǒng)中，并取得了良好的效果。國內(nèi)激光主動探測技術(shù)起步相對較晚，目前多應(yīng)用于單兵手持、車載等領(lǐng)域[1-3]。

激光主動探測系統(tǒng)主要由照明激光光源、基于CCD探測器的探測接收組件、信息處理組件、掃描機構(gòu)等組成[4-7]。其中，探測接收組件作為激光主動探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，除了要具備較大的探測視場外，還需具備較高的目標(biāo)角分辨率，同時，系統(tǒng)設(shè)計時還要壓縮光學(xué)系統(tǒng)體積，減輕探測系統(tǒng)質(zhì)量。由于照明光源視場、光斑均勻性，及CCD 傳感器響應(yīng)度、分辨率限制，傳統(tǒng)的單孔徑成像系統(tǒng)已經(jīng)無法同時滿足大視場和高分辨率的需求[8-10]。因此，提出采用雙視場（雙孔徑）、雙CCD拼接獲得較大視場范圍的方法，在保證系統(tǒng)小型化、輕量化的基礎(chǔ)上可提高系統(tǒng)的探測效率。國外對CCD 焦平面拼接技術(shù)的研究比較成熟，但國內(nèi)由于種種條件的限制，在該領(lǐng)域的研究與歐美發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。近年來，有學(xué)者提出一種多鏡頭外拼接的方法，把多個獨立鏡頭成像所得的多幅圖像拼接成一幅圖像來獲得較大視場的高分辨率圖像，從而提高系統(tǒng)的探測效率[11-16]。

本文基于某激光主動探測系統(tǒng)，提出一種由兩組8°×6°視場的光學(xué)系統(tǒng)在水平方向視場拼接，實現(xiàn)15°×6°視場要求的雙視場拼接探測接收系統(tǒng)，同時滿足探測距離、探測效率與探測角分辨率技術(shù)指標(biāo)要求。單視場采用分光棱鏡分光的形式進行CCD 拼接。由于本系統(tǒng)涉及視場拼接、光路折轉(zhuǎn)、CCD拼接等，裝調(diào)難度較大。為合理安排裝調(diào)流程，避免裝調(diào)過程反復(fù)，本文對所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)進行了分解和分析，對裝調(diào)方法和裝調(diào)步驟進行了詳細(xì)設(shè)計，對各裝調(diào)步驟的精度指標(biāo)進行了分配。重點對單組系統(tǒng)內(nèi)兩條折轉(zhuǎn)光路的光軸平行性和焦距進行控制，并利用專用工裝儀器對兩組光路的拼接視場進行精確調(diào)試。

1 光學(xué)系統(tǒng)和光機結(jié)構(gòu)

根據(jù)某激光主動探測系統(tǒng)總體指標(biāo)和外形尺寸要求，該系統(tǒng)通過兩組體積較小的光路拼接來獲得較大的視場，同時為了控制系統(tǒng)的軸向長度并提高探測效率，單組光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計為兩路折轉(zhuǎn)光路以便進行CCD 拼接。單組光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。主要由前透鏡組、分光棱鏡、平面反射鏡、后透鏡組、窄帶濾光片、2個光譜響應(yīng)度不同的CCD組成。通過分光棱鏡快速采集不同光譜波段的目標(biāo)及背景的回波信號，并在信息處理系統(tǒng)中進行光譜信息融合，提取“貓眼目標(biāo)”信息。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.1 Optical system diagram

光學(xué)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)見表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Table1 Main performance indexes of optical system

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，結(jié)合光機零件的加工和裝調(diào)水平，單組光機結(jié)構(gòu)設(shè)計模型如圖2所示，視場拼接后的探測接收系統(tǒng)三維模型如圖3所示。單組光機結(jié)構(gòu)主要由前透鏡組、結(jié)構(gòu)本體、帶座分光棱鏡、帶座反射鏡、隔圈、后透鏡組（兩組）、CCD探測器（兩組）等組成。

圖2 單組光機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of single-group optical mechine

單組光機結(jié)構(gòu)中，前后透鏡組中各光學(xué)透鏡的軸向定位間隔通過修切隔圈來保證，前后透鏡組光軸之間的夾角通過結(jié)構(gòu)本體的精密機械加工以及調(diào)整帶座分光棱鏡、帶座反射鏡來實現(xiàn)?？紤]到該光機結(jié)構(gòu)涉及分光棱鏡、平面反射鏡的安裝調(diào)試以及前后透鏡組焦距的測量等裝調(diào)因素，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)整環(huán)節(jié)多，裝調(diào)流程長，有必要對其裝調(diào)方法及流程進行詳細(xì)設(shè)計。

圖3 探測接收系統(tǒng)三維模型Fig.3 3D model of detection and receiving system

2 裝調(diào)流程設(shè)計

2.1 單組光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)流程

該探測接收光學(xué)系統(tǒng)由兩組相同的光學(xué)系統(tǒng)拼接而成，裝調(diào)時需首先完成單組光學(xué)系統(tǒng)的兩路光在可見光波段下的光軸平行性調(diào)試、焦距以及分辨率調(diào)試，然后進行兩組光學(xué)系統(tǒng)視場拼接調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)總體指標(biāo)要求，結(jié)合裝配現(xiàn)場試驗條件對單組光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)流程進行詳細(xì)設(shè)計，單組光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)流程圖如圖4所示。

2.2 裝調(diào)步驟的光學(xué)指標(biāo)分配

根據(jù)圖4所示的裝調(diào)流程以及系統(tǒng)總體指標(biāo)要求，對各裝調(diào)步驟的光學(xué)指標(biāo)進行了計算分配。各主要裝調(diào)步驟需達(dá)到的精度要求如表2所示。

圖4 單組光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)流程Fig.4 Alignment process of single-group optical system

表2 主要裝調(diào)步驟精度要求Table2 Accuracy requirements of main installation and adjustment steps

2.3 關(guān)鍵點調(diào)試思路和方法

2.3.1 分光棱角和反射鏡的裝調(diào)

裝調(diào)分光棱鏡及反射鏡需要的儀器和設(shè)備有：可調(diào)工作臺、工裝平面反射鏡以及500 mm 焦距前置鏡。

將安裝了帶座分光棱鏡和帶框反射鏡的結(jié)構(gòu)本體固定在可調(diào)工作臺上，放置在500 mm 焦距前置鏡前方（前置鏡和結(jié)構(gòu)本體位置見圖5），將工裝反射鏡的非反射面靠緊結(jié)構(gòu)本體A面，從前置鏡目鏡觀察工裝反射鏡的自準(zhǔn)直像。通過調(diào)整工作臺，使結(jié)構(gòu)本體A面的反射光（即工裝反射鏡的自準(zhǔn)直像）與前置鏡分劃中心重合，此時結(jié)構(gòu)本體前組透鏡光軸與前置鏡光軸平行，固定結(jié)構(gòu)本體和可調(diào)工作臺。然后將工裝反射鏡的反射面靠緊結(jié)構(gòu)本體的B面，通過調(diào)整帶座分光棱鏡的位置，使結(jié)構(gòu)本體B面的反射光與前置鏡分劃中心重合，此時后透鏡組Ⅱ光軸與前透鏡組光軸垂直，為保證前透鏡組和后透鏡組間的光軸對接精度，要求光軸折轉(zhuǎn)精度達(dá)到90°±30″，即自準(zhǔn)直像偏差小于1′，隨后固定帶座分光棱鏡。同理，將工裝反射鏡的反射面靠緊結(jié)構(gòu)本體的C面，通過調(diào)整帶框反射鏡的位置，使結(jié)構(gòu)本體C面的反射光與前置鏡分劃中心重合，此時后透鏡組Ⅰ光軸與前透鏡組光軸垂直，為保證前透鏡組和后透鏡組間的光軸對接精度，要求光軸折轉(zhuǎn)精度達(dá)到90°±30″，即自準(zhǔn)直像偏差小于1′，隨后固定帶框反射鏡。

圖5 分光棱鏡和平面反射鏡的裝調(diào)示意圖Fig.5 Alignment schematic of dichroic prism and plane mirror

該環(huán)節(jié)調(diào)試方案的確定需要在設(shè)計時充分考慮，設(shè)計結(jié)構(gòu)本體需要對安裝面，調(diào)試需要的工藝面（A、B、C面）提出平面度及垂直度的要求，才能保證調(diào)試精度。另外，調(diào)試的難點在于分光棱鏡與反射鏡在調(diào)試過程中需要反復(fù)調(diào)整，2個方向兼顧。

2.3.2 系統(tǒng)焦距及分辨率調(diào)試

分光棱鏡和平面反射鏡安裝調(diào)試完成后，安裝前透鏡組和后透鏡組，通過焦距測量儀測量系統(tǒng)焦距，組合焦距滿足f′=（52.7±0.3） mm后，安裝帶支架的CCD；調(diào)整CCD 前后位置，通過焦距為1 600 mm的平行光管和鑒別率板測量系統(tǒng)分辨率。成像分辨率需達(dá)到CCD探測器的理論值，即CCD成像分辨率優(yōu)于51″。

2.4 拼接模塊的調(diào)試

拼接模塊的調(diào)試主要是對安裝在一起的兩組光路進行俯仰軸的一致性調(diào)節(jié)和兩組光路拼接視場大小的調(diào)整。該過程調(diào)試所需的儀器設(shè)備有：拼接模塊工裝支架、反射式平行光管、電源、工裝顯示器、鉛垂線、臺燈。調(diào)試方法及原理如圖6所示。在拼接模塊兩組光路中各取一個CCD 同時連接電源與工裝顯示器；將鉛垂線置于平行光管焦面十字靶板處，并用臺燈照亮鉛垂線和十字靶板；通過工裝顯示器觀察，調(diào)整兩組光路之間的夾角，使顯示器觀察到的兩條鉛垂線之間夾角≥7.5°；分別調(diào)整兩組拼接光路的俯仰位置，使工裝顯示器觀察到的靶板十字水平線與工裝顯示器電子分劃水平線重合。為滿足后續(xù)圖像拼接的要求，從CCD可觀察到靶板十字水平線與工裝顯示器電子分劃水平線平行偏差不大于9.6′，即每組成像單元從CCD 觀察到的靶板十字水平線與工裝顯示器電子分劃水平線平行邊緣偏差不大于2個像素。最后將兩組拼接光路固定在一起。

圖6 拼接模塊調(diào)試原理圖Fig.6 Schematic of splicing module debugging

3 裝調(diào)精度（誤差）與結(jié)果分析

3.1 裝調(diào)誤差

按本文所提出的裝調(diào)方法和流程進行光機裝調(diào)，各步驟中達(dá)到的裝調(diào)誤差如表3所示，均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

表3 主要裝調(diào)步驟的誤差Table3 Error of main installation and adjustment steps

3.2 結(jié)果分析

按本文所提出的裝調(diào)方法和流程進行產(chǎn)品裝配和調(diào)試，每組成像單元中的2個CCD 匹配裝調(diào)滿足后續(xù)圖像處理要求，最終測得系統(tǒng)焦距52.7 mm，拼接后視場為15.2°×6.2°，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文介紹了一種由兩組視場為8°×6°的光學(xué)系統(tǒng)拼接為15°×6°視場的光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)步驟及方法，根據(jù)裝配精度要求和現(xiàn)場試驗條件設(shè)計了詳細(xì)的裝調(diào)流程。根據(jù)實際應(yīng)用中對系統(tǒng)的要求，重點對系統(tǒng)單組兩路折轉(zhuǎn)光路的光軸平行性和兩組拼接光路的光軸一致性進行控制，對拼接后的探測接收系統(tǒng)視場大小進行精確調(diào)試，測試結(jié)果滿足水平視場15°要求。

該探測接收系統(tǒng)集成到激光主動探測系統(tǒng)后，經(jīng)過外場試驗驗證，滿足15°×6°全視場無假目標(biāo)，100 m～3 000 m 無誤警與虛警的總體性能要求。