水平式激光发射系统激光指向检测研究范文

《电子测量与仪器学报》2016年第8期

摘要:

为了测量水平式激光发射系统激光指向误差，提出了一种天顶范围激光指向远距离检测方法，设计了一个激光方向检测装置，介绍了激光方向检测装置的组成及工作原理，详细介绍了光线折转系统的结构，对指向误差进行了实际测量，获得激光指向误差为5．7″，对检测装置中影响激光指向误差的误差源进行了分析，得到了作为系统误差的视差ε1、检测装置的结构变形误差ε2被消除、检测装置的测量误差主要取决于电视系统分辨率和激光器光轴漂移误差的结论，该检测装置测量的激光指向不确定度为1．87″。外场试验结果表明，通过该检测装置得到的检测结果进行误差修正后，激光发射精度满足使用要求，检测方法直接、简便，检测精度较高，该检测方法可以在工程实际中得到推广应用。

关键词:

水平式激光发射系统；激光指向误差；远距离检测方法；检测装置

1引言

激光发射系统中激光指向精度直接决定激光对目标的作用效果，所以研究激光指向的检测非常必要［1-10］。激光方向检测方法有很多种，较为直接、检测误差较小的检测方法为远距离靶板法。所谓远距离靶板法就是在距离激光发射系统较远处(10km)设置一块漫反射靶板，激光照射在漫反射靶板上，利用与激光发射方向平行设置的电视系统接收激光在靶板上的光斑，使其在电视系统的CCD上成像，随着激光在工作区域范围内的位置改变，测得激光光斑在CCD上成像点偏离理论位置的量，这个偏离量就是激光发射方向的误差值。常见的激光发射系统架设在地平式经纬仪的水平轴上，水平轴随垂直轴转动的同时可以自传，使激光工作在与水平方向成一定夹角的范围内［11-20］，这样设计的激光发射系统用远距离靶板法检测激光发射方向的精度非常方便，但是由于地平式经纬仪有无法过天顶精密跟踪的缺陷，所以在要求激光在天顶上方工作时就不能采用地平式经纬仪架设激光发射系统，为了解决天顶上方精确发射激光的问题，设计了水平式转台激光发射系统。水平式转台由轴线相互垂直设置的内、外框架组成，两个框架的旋转轴水平设置，内框架随外框架转动，内框架可以自转，激光轴安装在水平式转台的内框架上。激光的工作方向为天顶上方方向，而靶板架设在高空不太可能，为了靶板安装方便、节约成本，设计一片大的可以旋转的反射镜架设在水平式转台的上方，使激光器发出的激光经过多片导光反射镜、扩束镜后的激光束经过可以旋转的大反射镜反射出去，照射在距离转台10km处的慢反射靶板上，被电视系统接收，成像在CCD靶面上。转动内、外框架，使激光发射方向改变，同时配合转动大反射镜，使激光光斑落在远场慢反射靶板上，成像在电视系统中，测得电视系统上的成像点变化曲线，就是激光发射方向的误差曲线。由于激光与电视系统都是经过同一片反射镜反射的光线，即使大反射镜不稳定，有变形，也不会影响两光轴的平行度测量值。

2激光发射方向的检测

2．1水平式激光发射系统结构简介

水平式激光发射系统由激光器、反射镜1～4、激光扩束镜组成，其结构如图1所示。其中激光器固定在水平式转台上，X轴为内框架旋转轴，Y轴为外框架旋转轴。反射镜4、激光扩束镜、电视系统随X轴旋转;反射镜1、反射镜2、反射镜3及X轴随Y轴旋转。实现激光器发出的激光在天顶区间(X轴工作范围－50°～+50°、Y轴工作范围－5°～+5°)任一方向发射出去。

2．2激光方向检测装置的组成及工作原理

激光方向检测装置主要由光线折转系统、固定支撑、慢反射板组成，折转反射镜、旋转框架、直线移动框架组成光线折转系统，如图2所示。折转反射镜与两光轴成一定夹角固定在旋转框架上，旋转框架套装在直线移动框架里面，直线移动框架架设在激光扩束镜和电视系统上方的固定支撑上，使激光向天顶方向发出的光线转折到水平方向，照射在10km处的漫反射板上。图3为激光照射在漫反射板上的光斑示意图。

2．3光线折转系统结构设计

光线折转系统由旋转框架、折转反射镜、直线移动框架、旋转轴、直线移动滑道、固定螺钉组成，结构如图4所示。折转反射镜固定安装在旋转框架上，旋转框架套装在直线移动框架内，通过旋转轴使旋转框架带动折转反射镜转动，通过固定螺钉使折转反射镜固定在某一角度位置;直线移动滑道安装在图2所示的固定支撑上，使光线折转系统实现直线移动。

2．4激光指向误差远场检测

按照图2所示安装固定支撑、光线折转系统及慢反射板，旋转水平式转台的X轴和Y轴，使经过激光扩束镜后的激光沿天顶向上发出，这时X轴和Y轴的转角读数分别为α=0°，β=0°;此时旋转光线折转系统中的旋转框架，带动折转反射镜旋转，使激光经过折转反射镜后照射在慢反射板上，激光光斑如图3所示，返回的激光光线被电视系统的CCD接收，在显示器上的激光光斑图像如图5所示，图中的ΔX、ΔY分别代表该点(α，β)处在X轴、Y轴方向上激光指向偏离电视光轴的脱靶量值，也就是激光偏离理论方向的误差值。分别在－5°～5°内整度数位置固定Y轴，在－50°～50°内旋转X轴，同时旋转光线折转系统中的旋转框架，带动折转反射镜旋转，使激光光线照射在慢反射板上，间隔10°记录一点CCD中激光光斑脱靶量值(ΔX，ΔY);在－50°～50°内间隔10°固定X轴，在－5°～5°内旋转Y轴，间隔1°记录一点CCD中激光光斑脱靶量值(ΔX，ΔY)。将上述激光光斑脱靶量值(ΔX，ΔY)换算成角度值(δ，θ)，如表1和2所示，(δ，θ)为激光指向误差。表1、2中X、Y单位为°。在传统经纬仪等精度观测实验中，通常用标准偏差来衡量光电经纬仪视轴指向精度［20-23］，因此激光指向综合误差:σx=∑x2in槡－1=3．4″(1)σy=∑y2in槡－1=4．6″(2)激光指向总误差:σ=σ2x+σ2槡y=5．7″(3)

3激光方向检测装置测量误差分析

3．1误差源分析

检测装置中影响激光指向误差的主要因素:1)视差ε1;2)检测装置的结构变形误差ε2;3)电视系统的分辨率误差ε3;4)激光器激光指向漂移误差ε4。

3．2视差

激光扩束镜与电视系统同时安装于内框架上，激光轴与电视系统光轴的间距h为300mm，远场检测的测量距离H为10km，激光束R1经反射镜后打在漫反射靶板A点处，A点光班一部分光线l'经反射镜后进入电视系统，在CCD靶面上成像，如图6所示。由A点光斑在CCD靶面上的脱靶量计算激光光轴与电视系统光轴平行度，从而得到激光光轴的指向精度。由于激光发射与电视接收为非共轴系统，即两光轴距离h将引起视差ε1，为:ε1=arctan(h/H)=6．19″(4)然而视差ε1只与h、H有关，即检测距离H确定后，ε1不会变，即为系统误差。在外场测量时将ε1折算成电视系统脱靶量加以修正，修正精度取决于h、H理论值与实际值的误差，H由GPS定位所得，误差为±0．5m，h由机械加工保证，误差为±0．1mm，因此视差为:ε'1=arctan(h±Δh/H±ΔH)=6．19″±0．0003″(5)按最大误差法进行A类评定，得视差修正后引起的测量的不确定度:u1=1/k1δ1=0．000375″(6)因此可以认为视差对测量精度的影响很小，可以在测量时消除。

3．3检测装置的结构变形分析

检测装置的核心部件为可旋转折转反射镜，因此，影响测量精度的误差主要为该装置的结构变形引起的反射镜角位移误差。检测装置结构变形对于测量精度的影响如图7所示，其中ε2为结构变形引起反射镜角位移误差，R1为经扩束后的激光束光轴，R'1为经反射镜后激光光轴，R″1为结构变形后经反射镜的激光光轴，R2为电视系统光轴，R'2为经反射镜后电视系统光轴，R″2为结构变形后经反射镜的电视系统光轴。由图6可知，由于激光光轴与电视系统光轴同时经一块反射镜反射，当反射镜发生角位移ε2后，经反射镜后的两光轴R″1、R″2同时产生角位移2ε2。两光轴产生的角位移量相同，方向相同，因此，该误差ε2不影响两光轴的平行度，即不影响激光指向的测量精度。即检测装置结构变形引起的测量不确定度u2=0。

3．4电视系统的分辨率误差

检测装置通过电视系统测得激光光斑位置的变化，所以电视系统中CCD相机的像元与电视系统的焦距决定的分辨率对激光指向检测误差有直接的影响。CCD相机选用的是意大利产的型号为CV-A50的面阵CCD相机，像元尺寸为8．6×10－3mm，电视系统的焦距为2000mm，CCD中一个像元的角度值(分辨率)为:ε3=arctan(8．6×10－3/2000)≈0．9″(7)分辨率误差引起的测量不确定度：u3=1/k1ε3=1．125″(8)

3．5激光器激光指向漂移误差

由于温度、出光时间等因素影响，激光器存在光轴漂移现象，根据激光器出场检测报告激光器光轴漂移误差为ε4=1．2″，则激光器光轴漂移引起的测量不确定度:u4=1/k1ε4=1．5″(9)因为各误差源是相互独立的，因此合成标准不确定度为:uc=u21+u22+u23+u槡24=1．87″(10)

4实验验证

水平式激光发射系统按照图2所示装置进行激光指向误差检测，根据检测结果进行了误差修正后，参加了外场试验，试验结果表明激光指向满足精度要求。从试验效果来看，通过上述检测方法得到的修正数据与最终的试验效果基本相符，进一步验证了该检测方法的可行性和实用性。

5结论

本文提出了一种水平式激光发射系统天顶范围激光指向远距离检测方法，其主要依靠在激光光轴上方架设的折转反射镜，将朝向天顶的光线转折到平行于大地的方向，通过电视系统接收远距离设置的慢反射板上的激光光斑图像来实现。激光指向误差检测值为5．7″。通过对激光方向检测装置测量误差分析得到:作为系统误差的视差ε1、检测装置的结构变形误差ε2都被消除了，修正视场后的测量不确定度仅为0．000375″，检测装置的测量误差取决于检测中的电视系统分辨率误差ε3和激光器激光指向漂移误差ε4，合成标准不确定度为1．87″。结合该水平式激光发射系统参加外场试验的结果，表明通过该检测系统得到的检测数据进行误差修正，激光指向误差可以在2″以内，该检测方法可以在工程实践中得到推广应用。

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作者:施龙 张文豹 于萍 薛向尧 单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所