CN108152013A - 光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法，测量装置主要由光学平台以及安装在其上的激光光源、毛玻璃、小孔光阑、分束镜、平行光管准直镜、高帧频CCD相机等组成。本发明采用平面反射镜、光学自准直仪、五棱镜及经纬仪实现了光电系统跟瞄精度测量装置激光光源、小孔光阑及高帧频CCD相机位置的调校，具有精度高、操作简单、方便和直观的特点，解决了光电系统跟瞄精度测量装置的光路调较难题，不仅为空间激光通信跟瞄技术的发展提供了技术保障，还为空间激光通信系统跟瞄精度测量装置的设计提供了参考依据。

Description

光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法

技术领域

本发明属于光学计量测试技术领域，主要涉及光电系统跟瞄精度测量装置的光路调试方法，尤其涉及一种空间激光通信系统跟瞄精度测量装置的光路调校方法。

背景技术

跟瞄精度是评价光电系统跟踪瞄准能力的重要指标参数之一。光电系统跟瞄精度测量方法主要有四象限探测器法、平行光管法等。四象限探测器法灵敏度高，由于光电系统激光光斑通常不是均匀分布的矩形光斑，四象限差动放大输出值和激光光斑位置呈非线性，不适合高精度测量。平行光管法通常将平面反射镜固定于被测光电系统跟瞄装置内环上，位于平行光管焦平面处的激光光束经平行光管准直后照射到平面反射镜上，采用高帧频CCD相机记录经平面反射镜反射后与的激光光束质心位置变化信息，通过数据处理实现跟瞄精度的高精度测量。目前，光电系统跟瞄精度测量装置普遍采用的是平行光管测量法。

光电系统跟瞄装置通常具有微弧度量级跟踪瞄准能力，尤其是空间激光通信系统跟瞄装置。空间激光通信系统跟瞄装置主要用于获取、跟踪空间激光通信发射机信标激光信号，并反馈至激光通信接收机，确保在卫星间存在高速相对运动以及激光通信端机存在振动的环境条件下，建立远距离点对点通信链接。为适应卫星平台的振动和星间的高速运动，空间激光通信系统跟瞄测试精度要求达到亚微弧度量级。采用平行光管法的空间激光通信系统跟瞄精度测量装置测试精度主要取决于平行光管焦面处光斑质心位置的测试精度，因此对焦面位置装调误差要求很高，光路调校非常困难。

李响等人于2014年7月在《红外与激光工程》第43卷第7期中发表了《基于五棱镜的大型平行光管焦面监测技术及误差修正方法》一文，提出了一种利用五棱镜和线阵CCD实现大口径平行光管焦面监测和调整的方法。该方法只涉及平行光管焦面的调整，不能用于空间激光通信系统跟瞄精度测量装置中高帧频CCD相机靶面的调整。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法，本发明针对的调试对象为采用平行光管法的空间激光通信系统跟瞄精度测量装置。该测量装置主要由光学平台以及安装在其上的激光光源、毛玻璃、小孔光阑、分束镜、平行光管准直镜、高帧频CCD相机等组成。

本发明的技术方案为：

所述一种光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建光电系统跟瞄精度测量装置，将光电系统跟瞄精度测量装置中的激光光源、毛玻璃、小孔光阑、分束镜、平行光管准直透镜、高帧频CCD按布局要求放置在光学平台上；其中激光光源中心高与平行光管准直透镜中心高一致；毛玻璃紧贴小孔光阑，小孔光阑中心高与平行光管准直透镜一致并位于平行光管准直透镜焦面；分束镜中心高与平行光管准直物镜一致并以位于光阑与平行光管准直透镜之间；高帧频CCD中心高与平行光管准直透镜一致并位于分束镜反射光信号焦面；

步骤2：固定平行光管准直透镜，在平行光管准直透镜的机械基准面上安装平面反射镜，将激光光源、分束镜及小孔光阑中心分别对准平面反射镜中心，完成激光光源、分束镜及小孔光阑位置的初调；

步骤3：对准平面反射镜的反射面安装光学自准直仪，光学自准直仪发射的平行光束照射到平面反射镜上，调整光学自准直仪位置接收到反射回来的光束图像，使反射光束图像与光学自准直仪分划板十字叉丝图像重合，完成平面反射镜和光学自准直仪的光轴重合调试；

步骤4：去掉平面反射镜，光学自准直仪发出的平行光经平行光管准直透镜后会聚到平行光管准直透镜焦面位置，在焦面位置通过观察屏观察分划板十字叉丝图像，调整分束镜和小孔光阑位置，使焦面位置十字叉丝图像达到最清晰，固定分束镜，完成小孔光阑位置粗调；

步骤5：移开光学自准直仪，点亮激光光源，照亮小孔光阑，将五棱镜安装在准直透镜出射平行光束直径的一端，经纬仪安装在五棱镜的另一侧出光位置，通过经纬仪寻找并对准小孔光阑，使经纬仪十字分划中心对准小孔光阑中心，然后将五棱镜移至出射平行光束光斑直径的另一端，观察移动过程中小孔光阑中心是否始终与经纬仪十字分划中心重合，如有偏差，则调整小孔光阑前后位置，直至移动过程中，小孔光阑中心相对经纬仪十字分划中心位置不变，完成小孔光阑位置精调，固定小孔光阑，此时小孔光阑位于平行光管准直镜焦面处；

步骤6：在准直透镜的机械基准面上反向安装平面反射镜，使反射面朝向小孔光阑和高帧频CCD相机方向，将高帧频CCD相机中心对准平面反射镜中心，完成高帧频CCD相机位置的初调；

步骤7：点亮激光光源，照亮小孔光阑，激光光源发出的平行光经分束镜透射后照射到平面反射镜上，经平面反射镜反射及分束镜反射后的光束成像在高帧频CCD相机靶面上，调整高帧频CCD相机位置，使高帧频CCD相机获得最清晰的小孔光阑像，并且位于CCD相机靶面中心，固定高帧频CCD相机位置，完成高帧频CCD相机位置精调，使高帧频CCD相机位于平行光管焦面上并与小孔光阑成共轭成像关系。

有益效果

本发明采用平面反射镜、光学自准直仪、五棱镜及经纬仪实现了光电系统跟瞄精度测量装置激光光源、小孔光阑及高帧频CCD相机位置的调校，具有精度高、操作简单、方便和直观的特点，解决了光电系统跟瞄精度测量装置的光路调较难题，不仅为空间激光通信跟瞄技术的发展提供了技术保障，还为空间激光通信系统跟瞄精度测量装置的设计提供了参考依据。

附图说明

图1是本发明光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法中所用测量装置的组成示意图。

图2是本发明对光电系统跟瞄精度测量装置进行光路调校的原理图；(a)小孔光阑位置调校部分(步骤1至步骤5)，(b)CCD靶面位置调校部分(步骤6至步骤7)。

具体实施方式

下面结合附图及最佳实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明优选实施例所针对的调试对象为光电系统跟瞄精度测量装置。该测量装置包括光学平台8以及安装在其上的激光光源1、毛玻璃2、小孔光阑3、分束镜4、透射式平行光管准直镜5、高帧频CCD相机6、计算机图像采集与处理单元7组成。本实施例中，光学平台8尺寸为2.4m×1.2m；激光光源1选用808nm波长半导体光纤耦合连续激光器，光斑空间分布为高斯分布，光束质量M²≤1.1，光束指向稳定性≤1μrad，功率稳定性为2％；毛玻璃2紧贴小孔光阑3，小孔光阑3为精密固定光阑，孔径为100μm±1μm；分束镜4为融石英楔形分束镜，尺寸为Φ50mm×10mm，楔形角3°，分束比为1：1，面型pv值≤λ/4；平行光管准直镜5口径为Φ300mm、焦距为3000mm；高帧频CCD相机6选用德国Mikrotron公司MC1362高速摄像机，全分辨率输出像素数为Nx×My＝1280×1024，像素尺寸为Δx×Δy＝12μm×12μm，全分辨率最大帧频为500fps，动态范围为8bit；计算机图像采集与处理单元7选用加拿大IOIndustries公司DVR Express Core记录系统。该测量装置工作原理：激光光源1发射的激光光束经毛玻璃2和小孔光阑3后成为点光源，小孔光阑3处点光源经分束镜4透射后由平行光管准直镜5准直为平行光照射到被测光电系统跟瞄装置平面反射镜9上，由平面反射镜9反射回来的激光光束经平行光管准直镜5照射到分束镜4上，其反射光成像在高帧频CCD相机6，通过计算机采集与处理单元7采集处理高帧频CCD相机6靶面上光斑图像质心位置的抖动信息，根据质心偏置位置和平行光管准直镜5焦距，获得跟踪精度。所述小孔光阑3、高帧频CCD相机6构成共轭成像关系，位于平行光管准直镜5焦平面处。

如图2所示，本发明调试方法所需的仪器包括平面反射镜9、光学自准直仪10、观察屏11、五棱镜12和经纬仪13；其中，平面反射镜9口径为Φ300mm，反射面镀金属膜，面形pv值≤λ/10；光学自准直仪10口径为Φ100mm，角度测量分辨率为≤0.003″；五棱镜12棱面尺寸为50mm×50mm；经纬仪13角度测量分辨率≤0.5″，所述观察屏11用于观察光学自准直仪10焦面处光斑图像。

本发明提供的光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法如下：

第一步，搭建光电系统跟瞄精度测量装置，将光电系统跟瞄精度测量装置中的激光光源1、毛玻璃2、小孔光阑3、分束镜4、平行光管准直透镜5、高帧频CCD6按合理布局要求放置在光学平台8上，其中，激光光源1中心高与平行光管准直透镜5中心高一致；毛玻璃2紧贴小孔光阑3，小孔光阑3中心高与平行光管准直透镜5一致并位于平行光管准直透镜5焦面；分束镜4中心高与平行光管准直物镜5一致并以一定角度(45°)位于小孔光阑3与平行光管准直透镜5之间；高帧频CCD6中心高与平行光管准直透镜5一致并位于分束镜4反射光信号焦面；

第二步，将平行光管准直透镜5垂直固定在光学平台8上，在平行光管准直透镜5的机械基准面上安装平面反射镜9，将激光光源1、小孔光阑3、分束镜4中心对准平面反射镜9反射面中心，完成激光光源1、小孔光阑3、分束镜4位置的初步调整；

第三步，对准平面反射镜9的反射面安装光学自准直仪10，光学自准直仪10发射的平行光束照射到平面反射镜9上，调整光学自准直仪10的位置使之接收到反射回来的光束图像，使反射光束图像与光学自准直仪10分划板十字叉丝图像重合，完成平面反射镜9和光学自准直仪10的光轴重合调试；

第四步，去掉平面反射镜9，光学自准直仪发出的平行光经平行光管准直透镜5后会聚到平行光管准直透镜5焦面位置，在焦面位置附近通过观察屏11可观察到分划板十字叉丝图像，根据焦面位置附近十字叉丝图像的清晰程度调整分束镜4和小孔光阑3位置，固定分束镜4，完成小孔光阑3位置粗调；

第五步，移开光学自准直仪10，点亮激光器1，照亮小孔光阑3，将五棱镜12安装在准直透镜5光束出射光斑直径的一端，将经纬仪13安装在五棱镜12的另一侧出光位置，通过经纬仪13寻找并对准小孔光阑2，使经纬仪十字分划中心对小孔光阑2中心，然后将五棱镜12缓慢移至出射平行光束光斑直径的另一端，观察整个移动过程中小孔光阑3中心是否一直与经纬仪13十字分划中心重合，如有偏差，则调整小孔光阑3前后位置，直至无论将五棱镜12移至什么位置，小孔光阑3中心相对经纬仪13十字分划中心的位置不变，完成小孔光阑3位置精调，固定小孔光阑3，此时小孔光阑3位于平行光管准直镜5焦面处；

第六步，在准直透镜5的机械基准面上反向安装平面反射镜9，即反射面2朝向小孔光阑3和高帧频CCD相机6方向，将高帧频CCD相机6中心对准平面反射镜9中心，完成高帧频CCD相机6位置的初步调整；

第七步，打开激光器1电源，照亮小孔光阑3，激光器1发射的激光光束经毛玻璃2和小孔光阑3后形成点光源，经分束镜4透射、平行光管准直透镜5准直后照射到平面反射镜9上，由平面反射镜9反射的激光光束原路返回，经分束镜4反射后成像在高帧频CCD相机6靶面上，调整高帧频CCD相机6位置，使高帧频CCD相机6获得最清晰的小孔光阑像，并且小孔光阑像位于CCD相机6靶面中心，固定高帧频CCD相机6位置，完成高帧频CCD相机6位置精调，即高帧频CCD相机6位于平行光管准直透镜5焦面上，并与小孔光阑3构成共轭成像关系。

至此，光电系统跟踪精度测量装置光路调校完毕。

Claims (1)

1.一种光电系统跟瞄精度测量装置光路调校方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建光电系统跟瞄精度测量装置，将光电系统跟瞄精度测量装置中的激光光源、毛玻璃、小孔光阑、分束镜、平行光管准直透镜、高帧频CCD按布局要求放置在光学平台上；其中激光光源中心高与平行光管准直透镜中心高一致；毛玻璃紧贴小孔光阑，小孔光阑中心高与平行光管准直透镜一致并位于平行光管准直透镜焦面；分束镜中心高与平行光管准直物镜一致并以位于光阑与平行光管准直透镜之间；高帧频CCD中心高与平行光管准直透镜一致并位于分束镜反射光信号焦面；

步骤2：固定平行光管准直透镜，在平行光管准直透镜的机械基准面上安装平面反射镜，将激光光源、分束镜及小孔光阑中心分别对准平面反射镜中心，完成激光光源、分束镜及小孔光阑位置的初调；

步骤3：对准平面反射镜的反射面安装光学自准直仪，光学自准直仪发射的平行光束照射到平面反射镜上，调整光学自准直仪位置接收到反射回来的光束图像，使反射光束图像与光学自准直仪分划板十字叉丝图像重合，完成平面反射镜和光学自准直仪的光轴重合调试；

步骤4：去掉平面反射镜，光学自准直仪发出的平行光经平行光管准直透镜后会聚到平行光管准直透镜焦面位置，在焦面位置通过观察屏观察分划板十字叉丝图像，调整分束镜和小孔光阑位置，使焦面位置十字叉丝图像达到最清晰，固定分束镜，完成小孔光阑位置粗调；

步骤5：移开光学自准直仪，点亮激光光源，照亮小孔光阑，将五棱镜安装在准直透镜出射平行光束直径的一端，经纬仪安装在五棱镜的另一侧出光位置，通过经纬仪寻找并对准小孔光阑，使经纬仪十字分划中心对准小孔光阑中心，然后将五棱镜移至出射平行光束光斑直径的另一端，观察移动过程中小孔光阑中心是否始终与经纬仪十字分划中心重合，如有偏差，则调整小孔光阑前后位置，直至移动过程中，小孔光阑中心相对经纬仪十字分划中心位置不变，完成小孔光阑位置精调，固定小孔光阑，此时小孔光阑位于平行光管准直镜焦面处；

步骤6：在准直透镜的机械基准面上反向安装平面反射镜，使反射面朝向小孔光阑和高帧频CCD相机方向，将高帧频CCD相机中心对准平面反射镜中心，完成高帧频CCD相机位置的初调；

步骤7：点亮激光光源，照亮小孔光阑，激光光源发出的平行光经分束镜透射后照射到平面反射镜上，经平面反射镜反射及分束镜反射后的光束成像在高帧频CCD相机靶面上，调整高帧频CCD相机位置，使高帧频CCD相机获得最清晰的小孔光阑像，并且位于CCD相机靶面中心，固定高帧频CCD相机位置，完成高帧频CCD相机位置精调，使高帧频CCD相机位于平行光管焦面上并与小孔光阑成共轭成像关系。