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《電子測量與儀器學報》2016年第8期

摘要:

為了測量水平式激光發(fā)射系統(tǒng)激光指向誤差，提出了一種天頂范圍激光指向遠距離檢測方法，設計了一個激光方向檢測裝置，介紹了激光方向檢測裝置的組成及工作原理，詳細介紹了光線折轉系統(tǒng)的結構，對指向誤差進行了實際測量，獲得激光指向誤差為5．7″，對檢測裝置中影響激光指向誤差的誤差源進行了分析，得到了作為系統(tǒng)誤差的視差ε1、檢測裝置的結構變形誤差ε2被消除、檢測裝置的測量誤差主要取決于電視系統(tǒng)分辨率和激光器光軸漂移誤差的結論，該檢測裝置測量的激光指向不確定度為1．87″。外場試驗結果表明，通過該檢測裝置得到的檢測結果進行誤差修正后，激光發(fā)射精度滿足使用要求，檢測方法直接、簡便，檢測精度較高，該檢測方法可以在工程實際中得到推廣應用。

關鍵詞:

水平式激光發(fā)射系統(tǒng)；激光指向誤差；遠距離檢測方法；檢測裝置

1引言

激光發(fā)射系統(tǒng)中激光指向精度直接決定激光對目標的作用效果，所以研究激光指向的檢測非常必要［1-10］。激光方向檢測方法有很多種，較為直接、檢測誤差較小的檢測方法為遠距離靶板法。所謂遠距離靶板法就是在距離激光發(fā)射系統(tǒng)較遠處(10km)設置一塊漫反射靶板，激光照射在漫反射靶板上，利用與激光發(fā)射方向平行設置的電視系統(tǒng)接收激光在靶板上的光斑，使其在電視系統(tǒng)的CCD上成像，隨著激光在工作區(qū)域范圍內的位置改變，測得激光光斑在CCD上成像點偏離理論位置的量，這個偏離量就是激光發(fā)射方向的誤差值。常見的激光發(fā)射系統(tǒng)架設在地平式經緯儀的水平軸上，水平軸隨垂直軸轉動的同時可以自傳，使激光工作在與水平方向成一定夾角的范圍內［11-20］，這樣設計的激光發(fā)射系統(tǒng)用遠距離靶板法檢測激光發(fā)射方向的精度非常方便，但是由于地平式經緯儀有無法過天頂精密跟蹤的缺陷，所以在要求激光在天頂上方工作時就不能采用地平式經緯儀架設激光發(fā)射系統(tǒng)，為了解決天頂上方精確發(fā)射激光的問題，設計了水平式轉臺激光發(fā)射系統(tǒng)。水平式轉臺由軸線相互垂直設置的內、外框架組成，兩個框架的旋轉軸水平設置，內框架隨外框架轉動，內框架可以自轉，激光軸安裝在水平式轉臺的內框架上。激光的工作方向為天頂上方方向，而靶板架設在高空不太可能，為了靶板安裝方便、節(jié)約成本，設計一片大的可以旋轉的反射鏡架設在水平式轉臺的上方，使激光器發(fā)出的激光經過多片導光反射鏡、擴束鏡后的激光束經過可以旋轉的大反射鏡反射出去，照射在距離轉臺10km處的慢反射靶板上，被電視系統(tǒng)接收，成像在CCD靶面上。轉動內、外框架，使激光發(fā)射方向改變，同時配合轉動大反射鏡，使激光光斑落在遠場慢反射靶板上，成像在電視系統(tǒng)中，測得電視系統(tǒng)上的成像點變化曲線，就是激光發(fā)射方向的誤差曲線。由于激光與電視系統(tǒng)都是經過同一片反射鏡反射的光線，即使大反射鏡不穩(wěn)定，有變形，也不會影響兩光軸的平行度測量值。

2激光發(fā)射方向的檢測

2．1水平式激光發(fā)射系統(tǒng)結構簡介

水平式激光發(fā)射系統(tǒng)由激光器、反射鏡1～4、激光擴束鏡組成，其結構如圖1所示。其中激光器固定在水平式轉臺上，X軸為內框架旋轉軸，Y軸為外框架旋轉軸。反射鏡4、激光擴束鏡、電視系統(tǒng)隨X軸旋轉;反射鏡1、反射鏡2、反射鏡3及X軸隨Y軸旋轉。實現激光器發(fā)出的激光在天頂區(qū)間(X軸工作范圍－50°～+50°、Y軸工作范圍－5°～+5°)任一方向發(fā)射出去。

2．2激光方向檢測裝置的組成及工作原理

激光方向檢測裝置主要由光線折轉系統(tǒng)、固定支撐、慢反射板組成，折轉反射鏡、旋轉框架、直線移動框架組成光線折轉系統(tǒng)，如圖2所示。折轉反射鏡與兩光軸成一定夾角固定在旋轉框架上，旋轉框架套裝在直線移動框架里面，直線移動框架架設在激光擴束鏡和電視系統(tǒng)上方的固定支撐上，使激光向天頂方向發(fā)出的光線轉折到水平方向，照射在10km處的漫反射板上。圖3為激光照射在漫反射板上的光斑示意圖。

2．3光線折轉系統(tǒng)結構設計

光線折轉系統(tǒng)由旋轉框架、折轉反射鏡、直線移動框架、旋轉軸、直線移動滑道、固定螺釘組成，結構如圖4所示。折轉反射鏡固定安裝在旋轉框架上，旋轉框架套裝在直線移動框架內，通過旋轉軸使旋轉框架帶動折轉反射鏡轉動，通過固定螺釘使折轉反射鏡固定在某一角度位置;直線移動滑道安裝在圖2所示的固定支撐上，使光線折轉系統(tǒng)實現直線移動。

2．4激光指向誤差遠場檢測

按照圖2所示安裝固定支撐、光線折轉系統(tǒng)及慢反射板，旋轉水平式轉臺的X軸和Y軸，使經過激光擴束鏡后的激光沿天頂向上發(fā)出，這時X軸和Y軸的轉角讀數分別為α=0°，β=0°;此時旋轉光線折轉系統(tǒng)中的旋轉框架，帶動折轉反射鏡旋轉，使激光經過折轉反射鏡后照射在慢反射板上，激光光斑如圖3所示，返回的激光光線被電視系統(tǒng)的CCD接收，在顯示器上的激光光斑圖像如圖5所示，圖中的ΔX、ΔY分別代表該點(α，β)處在X軸、Y軸方向上激光指向偏離電視光軸的脫靶量值，也就是激光偏離理論方向的誤差值。分別在－5°～5°內整度數位置固定Y軸，在－50°～50°內旋轉X軸，同時旋轉光線折轉系統(tǒng)中的旋轉框架，帶動折轉反射鏡旋轉，使激光光線照射在慢反射板上，間隔10°記錄一點CCD中激光光斑脫靶量值(ΔX，ΔY);在－50°～50°內間隔10°固定X軸，在－5°～5°內旋轉Y軸，間隔1°記錄一點CCD中激光光斑脫靶量值(ΔX，ΔY)。將上述激光光斑脫靶量值(ΔX，ΔY)換算成角度值(δ，θ)，如表1和2所示，(δ，θ)為激光指向誤差。表1、2中X、Y單位為°。在傳統(tǒng)經緯儀等精度觀測實驗中，通常用標準偏差來衡量光電經緯儀視軸指向精度［20-23］，因此激光指向綜合誤差:σx=∑x2in槡－1=3．4″(1)σy=∑y2in槡－1=4．6″(2)激光指向總誤差:σ=σ2x+σ2槡y=5．7″(3)

3激光方向檢測裝置測量誤差分析

3．1誤差源分析

檢測裝置中影響激光指向誤差的主要因素:1)視差ε1;2)檢測裝置的結構變形誤差ε2;3)電視系統(tǒng)的分辨率誤差ε3;4)激光器激光指向漂移誤差ε4。

3．2視差

激光擴束鏡與電視系統(tǒng)同時安裝于內框架上，激光軸與電視系統(tǒng)光軸的間距h為300mm，遠場檢測的測量距離H為10km，激光束R1經反射鏡后打在漫反射靶板A點處，A點光班一部分光線l'經反射鏡后進入電視系統(tǒng)，在CCD靶面上成像，如圖6所示。由A點光斑在CCD靶面上的脫靶量計算激光光軸與電視系統(tǒng)光軸平行度，從而得到激光光軸的指向精度。由于激光發(fā)射與電視接收為非共軸系統(tǒng)，即兩光軸距離h將引起視差ε1，為:ε1=arctan(h/H)=6．19″(4)然而視差ε1只與h、H有關，即檢測距離H確定后，ε1不會變，即為系統(tǒng)誤差。在外場測量時將ε1折算成電視系統(tǒng)脫靶量加以修正，修正精度取決于h、H理論值與實際值的誤差，H由GPS定位所得，誤差為±0．5m，h由機械加工保證，誤差為±0．1mm，因此視差為:ε'1=arctan(h±Δh/H±ΔH)=6．19″±0．0003″(5)按最大誤差法進行A類評定，得視差修正后引起的測量的不確定度:u1=1/k1δ1=0．000375″(6)因此可以認為視差對測量精度的影響很小，可以在測量時消除。

3．3檢測裝置的結構變形分析

檢測裝置的核心部件為可旋轉折轉反射鏡，因此，影響測量精度的誤差主要為該裝置的結構變形引起的反射鏡角位移誤差。檢測裝置結構變形對于測量精度的影響如圖7所示，其中ε2為結構變形引起反射鏡角位移誤差，R1為經擴束后的激光束光軸，R'1為經反射鏡后激光光軸，R″1為結構變形后經反射鏡的激光光軸，R2為電視系統(tǒng)光軸，R'2為經反射鏡后電視系統(tǒng)光軸，R″2為結構變形后經反射鏡的電視系統(tǒng)光軸。由圖6可知，由于激光光軸與電視系統(tǒng)光軸同時經一塊反射鏡反射，當反射鏡發(fā)生角位移ε2后，經反射鏡后的兩光軸R″1、R″2同時產生角位移2ε2。兩光軸產生的角位移量相同，方向相同，因此，該誤差ε2不影響兩光軸的平行度，即不影響激光指向的測量精度。即檢測裝置結構變形引起的測量不確定度u2=0。

3．4電視系統(tǒng)的分辨率誤差

檢測裝置通過電視系統(tǒng)測得激光光斑位置的變化，所以電視系統(tǒng)中CCD相機的像元與電視系統(tǒng)的焦距決定的分辨率對激光指向檢測誤差有直接的影響。CCD相機選用的是意大利產的型號為CV-A50的面陣CCD相機，像元尺寸為8．6×10－3mm，電視系統(tǒng)的焦距為2000mm，CCD中一個像元的角度值(分辨率)為:ε3=arctan(8．6×10－3/2000)≈0．9″(7)分辨率誤差引起的測量不確定度：u3=1/k1ε3=1．125″(8)

3．5激光器激光指向漂移誤差

由于溫度、出光時間等因素影響，激光器存在光軸漂移現象，根據激光器出場檢測報告激光器光軸漂移誤差為ε4=1．2″，則激光器光軸漂移引起的測量不確定度:u4=1/k1ε4=1．5″(9)因為各誤差源是相互獨立的，因此合成標準不確定度為:uc=u21+u22+u23+u槡24=1．87″(10)

4實驗驗證

水平式激光發(fā)射系統(tǒng)按照圖2所示裝置進行激光指向誤差檢測，根據檢測結果進行了誤差修正后，參加了外場試驗，試驗結果表明激光指向滿足精度要求。從試驗效果來看，通過上述檢測方法得到的修正數據與最終的試驗效果基本相符，進一步驗證了該檢測方法的可行性和實用性。

5結論

本文提出了一種水平式激光發(fā)射系統(tǒng)天頂范圍激光指向遠距離檢測方法，其主要依靠在激光光軸上方架設的折轉反射鏡，將朝向天頂的光線轉折到平行于大地的方向，通過電視系統(tǒng)接收遠距離設置的慢反射板上的激光光斑圖像來實現。激光指向誤差檢測值為5．7″。通過對激光方向檢測裝置測量誤差分析得到:作為系統(tǒng)誤差的視差ε1、檢測裝置的結構變形誤差ε2都被消除了，修正視場后的測量不確定度僅為0．000375″，檢測裝置的測量誤差取決于檢測中的電視系統(tǒng)分辨率誤差ε3和激光器激光指向漂移誤差ε4，合成標準不確定度為1．87″。結合該水平式激光發(fā)射系統(tǒng)參加外場試驗的結果，表明通過該檢測系統(tǒng)得到的檢測數據進行誤差修正，激光指向誤差可以在2″以內，該檢測方法可以在工程實踐中得到推廣應用。

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作者:施龍 張文豹 于萍 薛向堯 單位:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所