一種新的激光發(fā)射系統(tǒng)準(zhǔn)直方法

劉 琳,李春娜,李 林,王 岳

(1.北京理工大學(xué),北京 100081;2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

在高能激光發(fā)射系統(tǒng)中,高能激光需要持續(xù)瞄準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)秒鐘,因此,發(fā)射系統(tǒng)在對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和瞄準(zhǔn)時,必須具有較高的瞄準(zhǔn)精度[1]。在光電系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度的跟蹤瞄準(zhǔn)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題,因為光學(xué)系統(tǒng)光軸很長,同時目標(biāo)是移動的[2]。此外,強激光的波長較長,常規(guī)CCD是接收不到的[3]。為了使光軸精度達(dá)到微米級的量級,傳統(tǒng)的對準(zhǔn)方法通常需要復(fù)雜的工具,且校準(zhǔn)精度不高。本文提出了一種適用于這種情況的新的解決方案。采用輔助光源和參考鏡準(zhǔn)直方法,以最少的輔助工具和測試設(shè)備完成了系統(tǒng)的光軸調(diào)整。該方法具有以下優(yōu)點:(1)采用輔助光源,避免高能激光對人體造成傷害；(2)調(diào)試光路簡單易操作；(3)基于CCD的檢測方法,可以提高系統(tǒng)裝調(diào)精度。該方法不僅適用于室內(nèi)調(diào)試,而且適用于外場對設(shè)備進(jìn)行快速檢測和校準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 激光發(fā)射系統(tǒng)的組成

高能激光發(fā)射系統(tǒng)具備光束定向發(fā)射和跟蹤瞄準(zhǔn)的功能。由光束控制和發(fā)射系統(tǒng)、高能激光、可見光監(jiān)視和控制系統(tǒng)組成,如圖1所示。高能激光由高能激光器提供?？梢姽獗O(jiān)視系統(tǒng)由長焦鏡頭和CCD組成,用來對物空間成像?？刂葡到y(tǒng)通過目標(biāo)信息的反饋,控制軟件調(diào)制跟蹤精度。光束控制和發(fā)射系統(tǒng)由跟瞄轉(zhuǎn)臺帶動一個大口徑的離軸反射光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。跟瞄轉(zhuǎn)臺由方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)組件構(gòu)成。高能激光發(fā)射系統(tǒng)工作時必須使高度集中的能量會聚并持續(xù)照射在目標(biāo)固定點上。因此,系統(tǒng)的跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)必須具備極高的瞄準(zhǔn)精度。往往需要微弧度量級。為了達(dá)到這個目標(biāo),激光發(fā)射系統(tǒng)需要將精度分解在不同組件以及每個組件的配合精度上。

圖1 高能激光發(fā)射系統(tǒng)的組成

2.2 光學(xué)系統(tǒng)組成

高能激光發(fā)射系統(tǒng)的光學(xué)部分集中于系統(tǒng)的光束控制和發(fā)射系統(tǒng)上,由3個組件組成。分別是軸系傳輸光學(xué)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和監(jiān)視光學(xué)。如圖2所示。1是軸系傳輸光學(xué),安裝在跟蹤瞄準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺下方,不隨軸系旋轉(zhuǎn)運動；；2是發(fā)射望遠(yuǎn)鏡,由離軸拋物面鏡組成,繞轉(zhuǎn)臺軸系進(jìn)行方位和俯仰旋轉(zhuǎn)；3為監(jiān)視光學(xué),包括精跟蹤可見鏡頭和監(jiān)視鏡頭,同軸系傳輸光學(xué)一樣不隨軸系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動。高能激光由激光器出射,經(jīng)軸系傳輸光學(xué)和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出射,聚焦在遠(yuǎn)距離的目標(biāo)上；同時,目標(biāo)能量經(jīng)過系統(tǒng)會聚到監(jiān)視鏡頭CCD上。

圖2 高能激光發(fā)射系統(tǒng)的光學(xué)組成

3 裝調(diào)方法及步驟

3.1 裝調(diào)原則與精度分解

高能激光發(fā)射系統(tǒng)的裝調(diào)原則是保證高能激光光束始終沿發(fā)射系統(tǒng)的光路發(fā)射出去。即當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入系統(tǒng)時,光軸在方位和俯仰機械軸旋轉(zhuǎn)時始終瞄準(zhǔn)目標(biāo)。由于軸系加工誤差、光機配合誤差、光機裝調(diào)誤差、測試誤差等,靠硬件直接裝配達(dá)到微弧度的光軸精度,是不可能實現(xiàn)的。需要后期進(jìn)行光軸補償。采用閉環(huán)反饋控制補償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行,即通過實時測量光軸偏移量,采用兩維高精度微結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行調(diào)整補償。從而達(dá)到高精度的系統(tǒng)精度。兩維高精度補償微結(jié)構(gòu)的行程小、精度高,因此,系統(tǒng)硬件裝配的穩(wěn)定精度也要首先保證毫弧度的角度偏差。系統(tǒng)精度分配和調(diào)試目標(biāo)都是將誤差控制在3 mrad以內(nèi)。

采用自上而下的原則根據(jù)系統(tǒng)精度要求分解出影響系統(tǒng)精度的因素。對不同因素進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試,最后綜合各個因素的誤差,分析系統(tǒng)是否達(dá)到精度指標(biāo)要求。影響系統(tǒng)精度的因素有很多,本文在這節(jié)只介紹光機裝調(diào)的方法和步驟,在下一節(jié)對主要誤差做精度分析。

工藝設(shè)計通過合理分配每個零部件的加工精度、設(shè)計正確的裝配基準(zhǔn)以及安排易操作的調(diào)試步驟,使系統(tǒng)的方位和俯仰兩維的光學(xué)軸和機械軸在旋轉(zhuǎn)時基本保持一致。即保證目標(biāo)在進(jìn)行兩維高精度微結(jié)構(gòu)反饋補償之前,系統(tǒng)能滿足微調(diào)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的精度要求。

3.2 裝調(diào)步驟

3.2.1 軸系傳輸光路裝調(diào)

激光武器發(fā)射的光波能量強,波長長,不能用普通CCD接收。本系統(tǒng)在裝調(diào)時采用DPLL綠光激光器代替高能激光,由調(diào)試切換鏡切換進(jìn)調(diào)試光路,再由普通CCD進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)試。避免了直接采用高能激光進(jìn)行裝調(diào)的危險,同時將監(jiān)測結(jié)果可視化,提高了裝調(diào)精度。

裝調(diào)的主要思想是采用激光自準(zhǔn)直法測量系統(tǒng)的偏角。再根據(jù)偏角判斷光機系統(tǒng)的調(diào)試方向,將需要調(diào)整的光機組件調(diào)整至系統(tǒng)光軸中心。該方法簡單易行,只要能保證測量物體與接收器之間的距離,就能獲得足夠高的測量精度。自準(zhǔn)直法測量輔助工裝為一個平面反射鏡,具有兩維度可調(diào)可鎖緊的安裝結(jié)構(gòu)。調(diào)試時,將方位軸系和俯仰軸系作為兩個組件單獨進(jìn)行。裝調(diào)方法如下。

(1)方位軸系裝調(diào)

a)DPLL綠光激光器代替高能激光,由激光切換鏡切換進(jìn)調(diào)試光路；

b)通過精電視CCD監(jiān)視方位參考鏡返回的反射光斑。用手緩慢轉(zhuǎn)動方位軸,則光斑在監(jiān)視器屏幕上做圓周運動,不斷調(diào)整方位參考鏡上的調(diào)整螺釘,使光斑運動的圓周直徑最小。

測量光斑運動軌跡的直徑,為方位軸系的跳動量δ1。如圖3所示。

c)緊固方位參考鏡,使之位置相對光路固定,做標(biāo)記。在調(diào)試過程中,方位參考鏡不再調(diào)整,重新安裝均以標(biāo)記為準(zhǔn),裝至原始位置。

圖3 方位軸系裝調(diào)光路

(2)方位旋轉(zhuǎn)軸與精跟蹤可見光學(xué)的光軸一致性調(diào)試

a)撤離系統(tǒng)的45度轉(zhuǎn)折鏡1,放置自準(zhǔn)直平行光管。

b)自準(zhǔn)直平行光管出射平行光,經(jīng)參考鏡1反射,其反射光斑可通過自準(zhǔn)直平行光管和監(jiān)視光學(xué)CCD接收。調(diào)整自準(zhǔn)直平行光管,使目鏡中的反射像位于視場中心。如圖4所示。

c)微調(diào)監(jiān)視光學(xué)CCD,使其顯示的反射像位于CCD視場中心。固定監(jiān)視光學(xué)CCD。

d)撤掉自準(zhǔn)直平行光管。恢復(fù)系統(tǒng)光路。

圖4 方位旋轉(zhuǎn)軸與監(jiān)視光學(xué)的光軸一致性調(diào)試光路

(3)俯仰軸系裝調(diào)

自準(zhǔn)直儀出射的平行光經(jīng)方位反射鏡反射,沿原光路反射回自準(zhǔn)直儀。用手緩慢轉(zhuǎn)動俯仰軸,則光斑在接收視場內(nèi)做圓周運動。

不斷調(diào)整方位反射鏡上的調(diào)整螺釘,使光斑運動的圓周直徑最小。

測量光斑運動軌跡的直徑,為俯仰軸系的跳動量δ2。如圖5所示。

圖5 俯仰軸系裝調(diào)光路

3.2.2 激光光束監(jiān)測系統(tǒng)光路裝調(diào)

撤掉DPLL綠光激光器和切換鏡,將高能激光的功率調(diào)制1 W出射。使得高能激光傳輸至方位參考鏡,經(jīng)方位參考鏡反射,反射光束沿原光路返回,由精跟蹤可見CCD接收。接收光斑雖然很弱,仍然可在CCD上形成一個光斑,移動激光器,將光斑調(diào)制可見CCD中心。使得高能激光與精跟蹤視軸共軸。如圖6所示。

圖6 激光光束監(jiān)測系統(tǒng)光路裝調(diào)

4 結(jié)果與分析

根據(jù)激光發(fā)射系統(tǒng)和光機的裝調(diào)步驟,對激光光束經(jīng)轉(zhuǎn)臺出射后方位和俯仰的調(diào)試精度進(jìn)行分析。

其中,可見光精跟蹤視軸和高能激光出射光軸之間的平行度誤差是整個激光發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵,以此作為分析總目標(biāo)項。根據(jù)兩維高精度微結(jié)構(gòu)的性能要求,光軸平行度誤差應(yīng)該控制在3 mrad以內(nèi)。

光軸裝調(diào)的精度主要包括光機系統(tǒng)零件加工誤差和綜合誤差。光機系統(tǒng)誤差分為方位和俯仰機械軸系加工誤差和光學(xué)裝配誤差。綜合誤差包括CCD測量精度,自準(zhǔn)直儀測量誤差和人眼判讀誤差[1]。

在進(jìn)行誤差合成時,認(rèn)為各誤差項相互獨立。列出表1對系統(tǒng)誤差的來源、分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小做出說明。

表1 系統(tǒng)誤差的來源、分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小

4.1 計 算

方位軸系誤差:影響方位軸系誤差的誤差項有1,2,3,7,8,9,10。方位軸系光軸平行度裝調(diào)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差合成為:

(1)

俯仰軸系誤差:影響俯仰軸系誤差的誤差項有4,5,6,7,8,9,10。俯仰軸系光軸平行度裝調(diào)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差合成為:

(2)

(3)

從以上的誤差分析可以看出,光軸平行裝調(diào)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差σsystem為0.94 mrad,把它視為正態(tài)分布,則Δsystem=3σsystem=2.82 mrad。

4.2 分 析

為保證更高系統(tǒng)精度的需求,根據(jù)使用環(huán)境,分析系統(tǒng)誤差的各項因素,采用以下技術(shù)途徑來提高系統(tǒng)精度。

輔助光與基準(zhǔn)的平行度誤差由下式計算:

(4)

其中,n是像元數(shù);α是像元尺寸;π/180是弧度與角秒的轉(zhuǎn)化系數(shù)；f′為會聚鏡頭的焦距?？梢?可以通過提高會聚鏡頭的焦距或者縮小像元尺寸、增多像元數(shù)量,來提高輔助光與基準(zhǔn)的平行度誤差的精度[4]。

方位和俯仰機械加工的精度往往關(guān)乎成本預(yù)算,高精度的同時意味著高昂的加工成本。因此,機械加工精度的提高要充分考慮系統(tǒng)的綜合性價比。

CCD和自準(zhǔn)直儀的測量誤差是產(chǎn)品本身的制造誤差,可以通過購買使用更高精度的測量設(shè)備來提高。

5 結(jié) 論

針對高能激光發(fā)射系統(tǒng)的光軸對準(zhǔn)問題,提出了一種新的對準(zhǔn)方法,該方法具有較高的瞄準(zhǔn)精度。這種方法為構(gòu)建高質(zhì)量的光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)提供了一種更簡單、更經(jīng)濟、更高精度的方法。通過理論分析與精度計算,驗證該方法達(dá)到了毫弧度的精度量級,用以提供給后續(xù)微動補償機構(gòu),形成閉環(huán),使整個系統(tǒng)達(dá)到微弧度精度。除了輔助光能避免人員在調(diào)試過程中受到傷害而外,參考鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)成本更低、操作更為便捷,具有可進(jìn)行外場調(diào)試的優(yōu)點。在車載激光高能發(fā)射系統(tǒng)中經(jīng)過試驗驗證,系統(tǒng)硬件裝調(diào)達(dá)到了3 mrad的精度,經(jīng)過微調(diào)系統(tǒng)的補償,最終系統(tǒng)達(dá)到了10 μrad的瞄準(zhǔn)精度。