激光分束及高精度指向調(diào)節(jié)系統(tǒng)

王章軍，黃文濤，張鋒，李先欣，程學(xué)武，于洋，薛博洋，陳超

激光分束及高精度指向調(diào)節(jié)系統(tǒng)

王章軍1*，黃文濤2，張鋒1，李先欣1，程學(xué)武3，于洋1，薛博洋1，陳超1

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100；2.中國極地研究中心，上海 200120；3.中國科學(xué)院 精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，湖北 武漢 430000）

設(shè)計了一種三方向激光分束及高精度指向調(diào)節(jié)系統(tǒng)，適用于鈉熒光多普勒激光雷達高精度的激光光束方向指向控制，以便激光雷達在長距離觀測的情況下實現(xiàn)信號的迅速、精確獲取。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計要求，闡述了用于高脈沖能量分束鏡、反射鏡的光學(xué)物理特性以及控制反射鏡負載、方向應(yīng)有的機械特性；采用6個高精度的步進電機結(jié)合6個高精度光學(xué)二維調(diào)節(jié)鏡架能實現(xiàn)1.18°的角度行程，調(diào)節(jié)精度可達1.1'，且重復(fù)定位成功率達99.3%，實驗結(jié)果滿足高能激光發(fā)射系統(tǒng)對控制反射鏡的精度要求；測試分束后的激光能量損失為11.6%，滿足鈉熒光多普勒激光雷達的激光能量發(fā)射要求。并編寫了一套用于激光雷達分束及高精度指向調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制軟件，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程自動化控制。

激光雷達；三分束；能量損失；高精度；自動化控制

1 引　言

激光雷達是一種現(xiàn)代化光學(xué)遙感探測設(shè)備，它集激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和微弱信號探測技術(shù)于一體，與傳統(tǒng)雷達相比，激光雷達具有高精度、遠距離測量、強抗干擾能力等特性，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、通信、導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域［1-2］。

中高層大氣一直以來都是探測的盲區(qū)，該區(qū)域?qū)τ谘芯亢土私饪臻g天氣以及大氣/空間的相互作用非常重要，是近年來倍受空間科學(xué)研究和近地空間飛行關(guān)注的空域。普通探測器無法對這一區(qū)域進行有效探測，對于這一區(qū)域的大氣探測，利用中層頂區(qū)域金屬原子層的共振熒光開展激光雷達探測是當(dāng)前國際前沿技術(shù)。鈉熒光多普勒激光雷達利用這一原理能夠同時探測80～110 km處的溫度、風(fēng)場以及金屬原子濃度的垂直廓線［3］。2019年，中國南極中山站成功布設(shè)了鈉熒光多普勒激光雷達，標(biāo)志著中國在南極大氣探測研究方面取得了關(guān)鍵性的技術(shù)突破［4］。

鈉熒光多普勒激光雷達進行高空信號探測時，激光與望遠鏡視場角偏差1°會引起100公里處的激光水平偏差1.75公里［5-6］。望遠鏡視場角為0.5 mrad，系統(tǒng)在100 km處的觀測直徑為50 m，因此發(fā)射的激光僅需在這一范圍內(nèi)調(diào)節(jié)就可滿足系統(tǒng)需求。然而，在遠距離觀測的情況下系統(tǒng)受環(huán)境影響比較大，在溫差達50 ℃的環(huán)境中發(fā)射系統(tǒng)材料的熱脹冷縮會直接影響信號的強度，需要定期地進行人為干預(yù)來調(diào)節(jié)和優(yōu)化信號，此過程費時耗力。為了滿足激光雷達測量中高層大氣三維風(fēng)場的要求，激光雷達發(fā)射系統(tǒng)要能夠同時在3個方向（比如豎直、南向和西向）發(fā)射高能量脈沖激光束，并能實現(xiàn)這3束光方向的高精度調(diào)節(jié)，因此在激光雷達中引入3方向光束分束及高精度指向調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可以提高觀測信號的質(zhì)量，節(jié)約時間，并減少誤操作對人眼造成的傷害［7-8］。

本文根據(jù)激光分束及高精度指向調(diào)節(jié)系統(tǒng)的使用環(huán)境和性能要求，對系統(tǒng)的光學(xué)器件、驅(qū)動裝置及鏡架結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部分進行了研究，為鈉熒光多普勒激光雷達在南極等極端環(huán)境的部署提供了技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1　光路設(shè)計

為了獲得中高層大氣中的溫度、風(fēng)場和鈉密度的三維信息，系統(tǒng)需要將高能量的脈沖激光分成三束能量均等的激光分別發(fā)射到垂直向、南向和西向，其中南向和西向的仰角為60°，如圖1所示。激光源為589 nm高能量的脈沖激光，激光產(chǎn)生后經(jīng)兩次反射鏡（M0，M1）反射進入光路，光路中共有5片同型號高反射率反射鏡。分束鏡可將入射光按比例分成反射光和透射光兩部分，其中分束鏡BS2反射50%的激光能量、透射50%的激光能量，分束鏡BS1反射70%的激光能量、透射30%的激光能量。分束鏡BS1的底座具有電動調(diào)節(jié)功能，必要時可將它移出光路，從而實現(xiàn)三光束發(fā)射和單光束發(fā)射的切換，此功能可在信號調(diào)試時實現(xiàn)大能量單光束的發(fā)射，獲得更好的單向信號。當(dāng)光路中添加光透反率為30∶70的BS1時，激光被分為兩束，其中30%的光通過BS1經(jīng)M2反射后垂直射向天空，70%的激光被反射到BS2，然后再經(jīng)過50∶50的分束以后，由M3，M4兩個反射鏡分別射向南向和西向，這樣分光后的激光能量在垂直向、南向、西向的占比理論上為30∶35∶35；而當(dāng)光路中未添加BS1時，激光源的出射光經(jīng)過M0，M1反射后直接入射到M2上，經(jīng)M2反射后垂直射入大氣，這樣就增加了單束光發(fā)射時的光能量，在對光束能量要求高且只需要垂直方向探測的場合下使用。

圖1　激光分束及發(fā)射光路

2.2　器件性能

系統(tǒng)中的光源為高能量的脈沖激光，反射鏡的選擇除需考慮抗激光的損傷閾值外，還需要考慮材料的反射率，因此反射鏡采用鍍有寬帶介質(zhì)膜的熔融石英平面反射鏡來提升分束系統(tǒng)的整體傳輸效率，熔融石英具有更好的均勻性和更低的熱膨脹系。圖2給出了反射鏡出廠時的技術(shù)指標(biāo)，光在589 nm處45°反射角下的反射率大于99.6%。

圖2　反射鏡在不同波長處的反射率

分束鏡采用表面鍍有增透膜的石英晶體制成，增透膜可減少由前后表面反射光相互作用引起的干涉效應(yīng)。BS1，BS2分束鏡的出廠技術(shù)指標(biāo)見表1，BS1，BS2的分束比分別為30∶70，50∶50。

表1BS1和BS2分束鏡的技術(shù)指標(biāo)

Tab.1　Technical index of BS1 and BS2 beam splitters（%）

位移驅(qū)動器對于實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)的高精度、自動化調(diào)節(jié)具有重要意義，它決定著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、精度及載重等特性。6個位移驅(qū)動器被安裝在發(fā)射系統(tǒng)中的3個方向上，每個方向裝有兩個驅(qū)動電機，一個驅(qū)動電機實現(xiàn)同一方向的水平調(diào)節(jié)，另一個驅(qū)動電機實現(xiàn)同一方向的垂直調(diào)節(jié)。目前，技術(shù)比較成熟的驅(qū)動器有步進電機、伺服電機和舵機等［9-10］。步進電機與其他兩種電機相比，具有體積小、精度高、性價比高等優(yōu)良特性。為了滿足系統(tǒng)的高精度和長期穩(wěn)定性的要求，選用的步進電機要能方便地安裝于二維調(diào)整架上，還要兼顧環(huán)境溫度變化大及手動和自動可相互轉(zhuǎn)變等特點，選用的步進電機的性能指標(biāo)如表2表示。

表2步進電機的性能指標(biāo)

Tab.2　Performance index of stepping motor

為了獲得反射鏡的擺角信息，設(shè)計了一種高精度的角位移測量裝置。將兩個步進電機分別安裝在一個二維調(diào)節(jié)架的水平調(diào)節(jié)角和豎直調(diào)節(jié)角上，二維調(diào)節(jié)架安裝2英寸反射鏡，反射鏡可以根據(jù)步進電機設(shè)置的線位移對激光進行一定角位移的改變，如圖3所示。

圖3　高精度角位移測量裝置示意圖

2.3　控制軟件設(shè)計

極區(qū)大氣鈉熒光多普勒激光雷達三方向激光光束控制軟件主要實現(xiàn)對系統(tǒng)激光發(fā)射方向硬件的控制。三方向激光光束控制軟件基于LabVIEW軟件開發(fā)，軟件運行在Win10系統(tǒng)上并通過RS232控制線連接高精度激光發(fā)射控制器，實現(xiàn)3個方向上水平（軸）、豎直（軸）的位移調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)西向、豎直、南向的激光準(zhǔn)直。軟件控制原理如圖4所示。

圖4　三方向激光發(fā)射控制軟件原理

軟件界面如圖5所示，界面設(shè)有3個端口號，分別設(shè)置Vertical，West，South 3個方向，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；每個方向設(shè)有軸和軸，通過設(shè)置電機步數(shù)step實現(xiàn)水平方向和豎直方向的調(diào)節(jié)，其中step中的1步代表步進電機的實際位移量為0.01 mm；步數(shù)設(shè)置下面設(shè)有電機步數(shù)位置顯示，能實時顯示電機所進行的步數(shù)位移數(shù)，方便操作。具體操作步驟是先設(shè)置好每個方向的端口號，通訊連接成功后在step欄中設(shè)置好步進電機的調(diào)節(jié)步數(shù)然后點擊Up或者Down鍵；步進電機會根據(jù)設(shè)置步數(shù)進行一定的位移調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)每個方向的激光準(zhǔn)直調(diào)節(jié)。

圖5　三方向激光指向控制軟件界面

2.4　總體結(jié)構(gòu)

中山站鈉熒光激光雷達的三分束高精度激光發(fā)射系統(tǒng)主要是由工業(yè)控制計算機、高精度激光發(fā)射控制器、光學(xué)發(fā)射平板、分光發(fā)射組件和電動調(diào)節(jié)組件等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。分光發(fā)射組件、電動調(diào)節(jié)組件固定于光學(xué)發(fā)射平板，組成三分束高精度激光發(fā)射系統(tǒng)的硬件部分。工業(yè)控制計算機、激光發(fā)射控制器構(gòu)成軟件部分，實現(xiàn)遠程自動化操作。

圖6　激光分束及高精度指向調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在實際系統(tǒng)觀測時，鈉熒光多普勒激光雷達發(fā)射高能量的脈沖激光，發(fā)射系統(tǒng)將高能量脈沖激光分成能量比例為30∶35∶35的3束光，并將激光打向豎直、西向和南向天空。在優(yōu)化激光雷達信號時，需要在如圖5所示的激光指向控制軟件界面中進行操作，通過設(shè)置每一方向的軸、軸，觀察如圖7所示的數(shù)據(jù)采集軟件顯示界面中信號是否達到最優(yōu)，最終實現(xiàn)豎直、西向和南向的信號優(yōu)化。

圖7　鈉熒光多普勒激光雷達信號采集軟件界面

3 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)的定位精度和能量損失是表征其性能的重要指標(biāo)，實驗分別對三分束高精度激光發(fā)射系統(tǒng)的定位精度和能量損失進行測試。

3.1　定位精度測量

實驗采用系統(tǒng)中的豎直方向為測試對象，如圖8所示。為使測量結(jié)果精確，將激光多次反射到一定距離，設(shè)這段距離為（實際設(shè)置距離為20 m），設(shè)置步進電機進行一定位移，采用游標(biāo)卡尺測量處的光斑線位移量Δ，則可將光斑的線位移量轉(zhuǎn)為角度變化量［11］。

圖8　系統(tǒng)角位移測量原理

考慮到角位移量通常很小，式（1）近似表示為：

經(jīng)過實驗測量與式（2），可獲得系統(tǒng)的角位移分辨率為1.1'，此分辨率完全滿足系統(tǒng)的調(diào)節(jié)要求。對系統(tǒng)進行重復(fù)定位精度測試，以20 m處激光偏差1 mm（角偏差為0.17'）為判斷重復(fù)定位成功的標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)置不同的步進數(shù)，每個步進數(shù)下測量110次，獲得多次不同步進數(shù)下的重復(fù)定位精度，如圖9所示。

圖9　步進電機不同步數(shù)下的系統(tǒng)重復(fù)定位成功率

實驗結(jié)果表明，步進電機位移在0～1.1 mm時，重復(fù)定位成功率可達99.3%，在超過1.2 mm時，由于步進電機受所驅(qū)動的鏡架的彈力增大，重復(fù)定位成功率逐漸下降；當(dāng)步進電機位移量為1.5 mm時，成功率已降為0，為此，在系統(tǒng)中將步進電機的調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為0～1 mm。鈉熒光多普勒激光雷達的探測目標(biāo)在80～110 km處，步進電機位移0.1 mm，激光在100 km處的橫向位移量為160 m，已遠遠超出望遠鏡在此處的觀測直徑，因此步進電機的位移量僅需0.5 mm就可以滿足系統(tǒng)的探測需求。

3.2　能量損失測試

將激光能量功率計分別放置于如圖1所示的M0前端與M2，M3，M4后端進行總能量與分束后的能量測試，每進行一次能量測試，都要人為改變系統(tǒng)的實際出射總能量，以便獲得不同能量下分束后的出射能量結(jié)果。多次測量計算后垂直向、西向、南向的激光能量對比測試結(jié)果約為32∶34∶34，與理論值有一定偏差，但滿足系統(tǒng)需求，偏差的原因與兩個分束鏡放置的角度有關(guān)，分束鏡與激光方向呈45°角放置時，激光能量偏差最小。將分束后的三束激光能量求和，并與激光進入發(fā)射系統(tǒng)之前的總能量進行對比，求得能量損失，改變激光能量獲得不同激光能量下的能量損失比，如圖10所示。

圖10　系統(tǒng)能量損失測試結(jié)果圖

由圖10可以看出，隨著激光能量的逐漸增大，分束后的激光能量損失逐漸減小，并在激光總能量為600 mW以上時分束后能量損失達到穩(wěn)定，能量損失比均值為11.6%。其主要原因為激光功率計在測量分束以后的低能量激光時探頭不夠靈敏。

4 結(jié)　論

根據(jù)鈉熒光多普勒激光雷達發(fā)射系統(tǒng)的高精度、自動化的性能要求，本文采用高損傷閾值的反射鏡及分束鏡，且為了減小能量損失，對光學(xué)鏡片進行了鍍膜處理。采用高精度的步進電機作為發(fā)射系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。搭建完成后的系統(tǒng)總能量損失為11.6%，能實現(xiàn)1.18°的角度行程，調(diào)節(jié)精度可達1.1'，且重復(fù)定位成功率達99.3%，完全滿足鈉熒光多普勒激光雷達的發(fā)射需求。為了實現(xiàn)自動化，對系統(tǒng)進行了軟件編寫，可實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程自動化操作，對于惡劣環(huán)境下實現(xiàn)鈉熒光多普勒激光雷達的遠程自動化操作，實現(xiàn)信號的迅速、高精度優(yōu)化具有重要意義。

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Laser beam splitting and high precision pointing adjustment system

WANG Zhangjun1*，HUANG Wentao2，ZHANG Feng1，LI Xianxin1，CHENG Xuewu3，YU Yang1，XUE Boyang1，CHEN Chao1

（1，（），266100，；2，200120，；3，，430000，），：

A three-directional laser beam splitting system with high precision pointing adjustment iwas developed， including its hardware and software. This laser beam pointing control of sodium fluorescent Doppler lidar facilitated obtaining quick and accurate signals for long distance observation. Based on the design requirements of the optical system， the physical and mechanical characteristics of the beam splitter and reflector were presented. An angular stroke of 1.18° can be achieved using six high-precision stepper motors combined with six high-precision optical 2-D adjusting frames， with an adjustment precision of 1.1'， and the success rate of repeated positioning is 99.3%. The experimental results meet the precision requirements of the high energy laser emitting system. According to the performance requirements of the system， the laser energy loss is 11.6% after the beam splitter， which meets the laser energy emission requirements of sodium fluorescent Doppler lidar. A set of control software for the system was written to support remote automatic control of the laser lidar.

lidar； three beam； energy loss； high precision； automatic control

TN958.98；TH744

A

10.37188/OPE.20223001.0038

1004-924X（2022）01-0038-07

2021-05-28；

2021-06-28.

國家重點研發(fā)計劃資助項目（No.2018YFC1407300）；山東省重點研發(fā)計劃資助項目（No.2020CXGC010104，No.2021JMRH0104）

王章軍（1982），男，山東人，博士，研究員，2011年于中國海洋大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事海洋光學(xué)與激光探測技術(shù)的研究。E-mail：zhangjun.wang@hotmail.com