CN100406957C - 一种用于测量指向扫描镜角速度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量指向扫描镜角速度的装置及方法，该装置包括：光学部分和电子学部分。光学部分由直角反射镜和二块分光镜组成。电子学部分由激光器、单元光电探测器、信息处理模块组成。光学部分将指向扫描镜的微小角度变化转化为激光光束干涉的强度信号，利用探测器将光强信号转化为电信号，通过信息处理模块的处理和PC机内存有的反演软件获得指向扫描镜的角速度。本发明的装置结构紧凑，装调简单，成本低廉，测量精度能够达到角秒级，可以应用于航天，军事等一些对角度测量精度要求极高的场合。

Description

一种用于测量指向扫描镜角速度的装置及方法

技术领域

本发明涉及角速度的测量装置及方法，具体是指一种用于航天航空遥感仪器中的指向扫描镜的角度转速测量装置及方法。

背景技术

在航天航空领域，指向扫描镜是对地观测载荷的重要组成部分。这些载荷往往都是通过指向镜的低速连续扫描来获得高质量的遥感图像，因此能否精确测量指向扫描镜的角速度就显得尤为重要。

传统的测量低速指向扫描镜角速度的方法一般是基于激光准直和面阵CCD来实现的，基本原理如图1所示。固定激光器的出射方向，当指向扫描镜转过θ时，反射光线转过2θ。由电机控制滚轴带动CCD跟踪出射光线，这样快速检测CCD的读出信号就可以反演出指向扫描镜的角速度。此种装置的测量精度与CCD的帧频和滚轴精度有关，如果要得到1″的精度，必须采用大面阵科学级CCD和高精度的步进电机，成本极高，而且面阵CCD的驱动和信号处理都很复杂。

发明内容

基于上述的测量装置存在的问题，本发明的目的是提出一种结构简单，成本低廉的指向扫描镜角速度测量装置及方法。

本发明的指向扫描镜角速度测量装置包括：光学部分和电子学部分。

光学部分由直角反射镜和二块分光镜组成。

电子学部分由激光器、单元光电探测器、信息处理模块组成。

所说的指向扫描镜是固定在转轴上的，镜面与转轴轴向平行，转轴由电机控制。

所说的直角反射镜由两相互垂直的平面反射镜组成，两反射镜相交的棱边固定在指向扫描镜的转轴上，棱边与转轴同轴，直角反射镜与指向扫描镜夹角固定。

所说的信息处理模块由依次成电路连接的前置放大器，滤波电路，A/D变换，数据格式器和PC机组成。数据格式器由大规模可编程控制器CPLD和两个静态存储器SRAM组成，它是利用CPLD控制两个缓存SRAM进行乒乓读写切换，实现数字信号流的连续传输来提高电路效率。PC机内存有数字信号反演出指向扫描镜的运动角速度软件。

探测器与前置放大器成电路连接。

激光器发出的光束以45°入射第一分光镜，由第一分光镜分为透射光束X和反射光束Y，反射光束Y再以45°入射第二分光镜，经第二分光镜反射，由探测器接收。透射光束X经随指向扫描镜同步转动的直角反射镜反射，再经第二分光镜透射，由探测器接收。探测器接收到的信号输入信息处理模块处理。

本发明的指向扫描镜角速度测量方法的具体步骤如下：

1.固定直角反射镜与指向扫描镜的位置，即固定直角反射镜与指向扫描镜的夹角。使直角反射镜两反射面相交的棱边固定在转轴上，与转轴同轴，固定方法采用胶接或螺接。

2.光路调整：打开激光器，转动指向扫描镜，调整第一分光镜和第二分光镜的位置，观察激光器的出射方向，如果该光束随着指向扫描镜的转动方向不变化，说明第一分光镜和第二分光镜的位置已经调整好。

3.打开信息处理模块和探测器，启动指向扫描镜的电机，指向扫描镜开始转动，PC机开始记录光电探测器探测到的，经信息处理模块处理得到输出信号，记录的信号是已经经过格式编排的数字信号，再由PC机内存有的数字信号反演出指向扫描镜的运动角速度软件处理得到指向扫描镜的角速度值。

本发明有如下有益效果：

1.本发明的测量装置结构简单、紧凑。对于相同的测量精度要求，实现本发明的成本相对于传统CCD测量装置大幅降低。

2.本发明的测量装置，对不同用途的低速指向扫描镜的角速度测量都适用。

附图说明

图1传统测量装置示意图。

图2为本发明的测试装置原理图。

图3为指向扫描镜和直角反射镜的连接示意图。

图4为本发明的光程差计算分析图。

图5是反演算法模拟探测器输出信号模拟示意图。

图6是信号处理模块结构示意图。

图7是PC机内存有的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明的测量装置如图2所示，被测指向扫描镜1与其转轴3是轴向固定的，镜面与其转轴轴向平行，转轴由电机控制。直角反射镜2由两块相互垂直的平面反射镜组成，两反射镜相交的棱边固定在转轴3上，与转轴同轴，它与转轴3固接方式可以是胶接，也可以是螺接。因此，直角反射镜与指向扫描镜的夹角是固定的。

激光器7发出的光束以45°入射第一分光镜4，由第一分光镜分为透射光束X和反射光束Y，反射光束Y再以45°入射第二分光镜5，经第二分光镜反射，由探测器6接收。透射光束X经随指向扫描镜而转动的直角反射镜2反射，再经第二分光镜5透射，由探测器接收。

由于光束Y的光程是固定不变的，光束X随指向扫描镜的转动而变化，因此探测器接收到的是二束发生干涉的强度交替变化的信号。本发明就是利用二束发生干涉的光束信号对指向扫描镜的转速进行测量的。

二束发生干涉的光束光程差计算分析见图3，通过转轴点O做一条垂直于入射和出射光线的直线MN，我们令|MO|＝b，|NO|＝a，那么根据θ₂是转动前的入射角，θ₁为转动后的入射角，由几何关系可以得到两者光程差L为(AB+BC)-(AD+CD)。分别计算这四段距离得到：

$\mathrm{AB}=a\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\frac{1}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)},---\left(1\right)$

$\mathrm{CD}=b\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\frac{1}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)},---\left(2\right)$

$\mathrm{BC}=\frac{(a+b)}{\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)},---\left(3\right)$

$\mathrm{AD}=\frac{(a+b)}{\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)},---\left(4\right)$

根据光学干涉理论，当两束相干光的光程差为波长整数倍的时候，获得干涉极大值，当光程差为半波长的奇数倍时，获得干涉极小值。如果L＝mλ(m为整数)，那么光电探测器将探测到由于干涉产生的m个信号最大值和m个信号最小值，由于被测指向扫描镜的转速是极低的，探测器将会得到最大最小值是交替连续变化的类似于正弦波形。这里有一点是值得说明的，图3中a和b的大小是一定相等的，这点很容易证明。

举例计算：a＝b＝0.05m，起始光束入射角θ₂＝20°，转动角度Δθ＝θ₁-θ₂＝0.01°θ₁＝20.01°，波长取λ＝0.68μm，得到：AB＝9.88333082577×10^-6m，CD＝7.45651338489×10^-5m，AD＝0.155572382686m，BC＝0.155507700883m，L＝1.2936360604631×10^-4m；我们可以得到m＝L/λ≈190，也就是说，在起始入射角为20°的时候，如果系统转动0.01°，那么在探测器上反映出来的信号将会是出现约190个干涉最大值和干涉最小值。

我们假设指向扫描镜的转动角度范围是θ₂→θ₁(θ₁≥θ₂)，θ₂，θ₁分别是透射光束X先后相对直角反射镜的入射角。假设由于指向扫描镜的角度微小变化Δθ(入射角θ₂变化到θ₂+Δθ)而导致光程变化正好为一个波长，ΔL＝(AB+BC)-(AD+CD)＝λ，我们得到函数解析式为：

$\frac{a\sin \left(\mathrm{\Δ}\right)}{\cos ({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\Δ\θ})\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}+\frac{a+b}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\Δ\θ})}-\frac{a+b}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}-\frac{b\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\Δ\θ})\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}=\mathrm{\λ}---\left(5\right)$

上式中，a，b，θ₂，λ都是预先确定的量，我们要求取得就是Δθ，上面的方程要求出解析解是很困难的，但是利用软件求出其数值解是可以做到的。例如利用matlab数学软件，取θ₂＝20°，a＝b＝5cm，λ＝680nm，可以得到Δθ＝0.18936″。

同样，由于指向扫描镜角度的连续变化，在入射角为θ₂+Δθ变化到θ₂+Δθ+Δθ′的光程差也为λ，我们可以列出一个如同上述方程，由于θ₂+Δθ我们已经算出来了，所以可以得到Δθ′的值。我们把上面计算得到的Δθ用(Δθ)₁来表示，Δθ′用(Δθ)₂来表示。如果有L_θ1-L_θ2＝nλ(这里的n可以取整数)，我们依次类推下去，我们就可以得到(Δθ)₁，(Δθ)₂……(Δθ)_n的值。在实际的测试过程中，(Δθ)₁，(Δθ)₂……(Δθ)_n是预先计算存入计算机的。

图4是反演算法模拟探测器输出信号模拟示意图，如图4所示，每个谷峰对应一个干涉极大值，每个谷底对应一个干涉极小值。而且通过上面的分析可以知道，每两个尖峰之间所对应的光程差是λ，对应的指向扫描镜的角度转动依次为(Δθ)₁，(Δθ)₂……(Δθ)_n。t₀，t₁，t₂……t_n-1，t_n是每次发生干涉极大值的时刻信息。这样我们就可以得到指向扫描镜从θ₂→θ₁(θ₁≥θ₂)的角速度信息。计算公式如下。

${\mathrm{\ω}}_{t_1}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_1}{t_1-t_0};$

${\mathrm{\ω}}_{t_2}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_2}{t_2-t_1};$

${\mathrm{\ω}}_{t_3}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_3}{t_3-t_2};$

……

${\mathrm{\ω}}_{t_{n-2}}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_{n-2}}{t_{n-2}-t_{n-3}};$

${\mathrm{\ω}}_{t_{n-1}}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_{n-1}}{t_{n-1}-t_{n-2}};$

${\mathrm{\ω}}_{t_n}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}_n}{t_n-t_{n-1}};---\left(6\right)$

t₀，t₁，t₂……t_n-1，t_n可以通过对光电探测器输出信号采样，计算每两个谷峰之间的脉冲个数得到。我们假设待测系统的角速度ω＝0.35°/s并且是匀速的，取t₀＝0，利用前面计算得到的结果(Δθ)₁＝0.18936″，得到t₁＝(Δθ)₁/ω＝1.5×10^-4s，下表列出了不同A/D采样频率下在第一个波形内的采样点个数。

A/D采样频率	一个波形内的采样点数
		500K	75
2M	300
		5M	750

目前市场上能够买到的晶振时钟精度优于0.1μs，转化速度达到MHz的A/D芯片也很容易得到，参看图4，在两个谷峰间采样大于500个点完全能恢复处模拟信号，并根据所占时钟中个数的多少得到t₀，t₁，t₂……t_n-1，t_n时间信息，所以上面的计算方法完全是可行的，通过上面的举例计算，测量系统的精度可以达到角秒级。

图7给出了PC机内存有的数字信号反演指向扫描镜运动角速度程序的软件流程图。其中初始角度信息(Δθ)₁，(Δθ)₂……(Δθ)_n是根据指向扫面镜转动范围θ₂ →θ₁(θ₁≥θ₂)计算后存入PC机的，经过信息处理模块得到的数字信号也作为初始条件存入PC机。图7中用Δt表示处理模块中A/D芯片的采样时钟周期，T表示信息处理模块总的处理时间，初始化时间信息t₀＝0，这样就可以通过软件计算得到各个时间信息t_i处的角速度信息ω_i。在后续处理中，储存ω_i做为y坐标，时间信息t_i为x坐标就可以绘制指向扫描镜的角速度曲线。

另外一点值得说明的是，我们可以根据需要来调整直角反射镜与待测转动镜的夹角，也就是说，就算待测试系统的角度转动范围有所变化，我们可以仍然可以保证初始入射角θ₂不变化，做到数据可重复使用。

Claims (2)

1.一种用于测量指向扫描镜角速度的装置，包括：光学部分和电子学部分，其特征在于：

光学部分由直角反射镜和二块分光镜组成；

电子学部分由激光器、单元光电探测器、信息处理模块组成；

所说的指向扫描镜(1)是固定在转轴(3)上的，镜面与转轴轴向平行，转轴由电机控制；

所说的直角反射镜(2)由两相互垂直的平面反射镜组成，两反射镜相交的棱边固定在指向扫描镜的转轴(3)上，棱边与转轴同轴，直角反射镜与指向扫描镜夹角固定；

所说的信息处理模块由依次成电路连接的前置放大器，滤波电路，A/D变换，数据格式器和PC机组成；数据格式器由大规模可编程控制器CPLD和两个静态存储器SRAM组成；PC机内存有数字信号反演出指向扫描镜的运动角速度软件；

探测器与前置放大器成电路连接；

激光器(7)发出的光束以45°入射第一分光镜(4)，由第一分光镜分为透射光束X和反射光束Y，反射光束Y再以45°入射第二分光镜(5)，经第二分光镜反射，由探测器接收；透射光束X经随指向扫描镜同步转动的直角反射镜(2)反射，再经第二分光镜(5)透射，由探测器接收。

2.一种利用权利要求1所述装置测量指向扫描镜角速度的方法，其特征在于具体步骤如下：

A.固定直角反射镜(2)与指向扫描镜(1)的位置，即固定直角反射镜与指向扫描镜的夹角，使直角反射镜两反射面相交的棱边固定在转轴(3)上，与转轴同轴，固定方法采用胶接或螺接；

B.光路调整：打开激光器，转动指向扫描镜，调整第一分光镜(4)和第二分光镜(5)的位置，观察激光的出射方向，如果该光束随着指向扫描镜的转动方向不变化，说明第一分光镜和第二分光镜的位置已经调整好；

C.打开信息处理模块和探测器(6)，启动指向扫描镜的电机，指向扫描镜开始转动，PC机开始记录光电探测器探测到的，经信息处理模块处理得到输出信号，记录的信号是已经经过数据格式器编排的数字信号，再由PC机内存有的数字信号反演出指向扫描镜的运动角速度软件处理得到指向扫描镜的角速度值。

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