CN101609250B - 相机摆镜摆角扫描特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种相机摆镜摆角扫描特性测量装置。该装置主要包括高稳定工作台，固定在高稳定工作台一端的摆镜摆角扫描系统、固定在高稳定工作台的另一端的高精度回转系统；固定在高精度回转系统上的高精度圆光栅测角系统和固定在圆光栅测角系统上的小角度高精度测角系统。本发明中的小角度高精度测角系统与高精度圆光栅测角系统结合可以对样品进行大角度高精度精确的测量，同时可实现测量过程的非接触化和对样品的动态跟踪，可以为卫星和航拍等用途相机的摆镜扫描特性提供有力的检测校正手段。

Description

相机摆镜摆角扫描特性测试装置 

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种相机摆镜摆角扫描特性测试装置，可用于摆镜的扫描角分辨力、扫描角速度、扫描均匀性、扫描角度重复性、扫描线性段时间、有效扫描视场、扫描频率等参数的大转角高精度的动态非接触的测量。 

技术背景

扫描摆镜是卫星和预警机等高空侦查设备中相机的关键部件，其性能直接影响卫星对地观测分辨能力和视场大小等，其在发射之前必须对相机扫描镜系统的扫描角分辨力、扫描角速度、扫描均匀性(线性度)、扫描角度重复性、扫描线性段时间、有效扫描视场、扫描频率等进行高精度校准，以利相机图像的拼接、解算与融合等。卫星相机设计中，相机扫描性能是其必须保证的核心性能指标。 

目前小角度高精度测量方法主要有：内反射高精度差动小摆角测角法、自准直测角法和激光干涉测角法等。内反射高精度差动小摆角测角技术测量原理是利用两个高精度的反射镜分别摆放在分光镜的透射和反射方向，构成差动的临界反射结构，利用两个反射镜的反射率随入射角度的变化而变化来测量入射角度的大小，构成的典型的内反射测角系统。系统的基本结构如图2所示，激光器8发出的光被前置分光系统9反射后到达被测摆镜7后反射回光路中，透过前置分光系统9到达分光系统10后被分成两束，两束光分别经过反射镜11和反射镜13反射后被光电探测器12和光电探测器14接收，当入射光束的角度变化时，两个反射镜的反射率会发生改变，光电探测器12和光电探测器14接收到的光强也会随之发生改变，因此反射镜11和反射镜13的反射率的变化量可以分别通过光电探测器12和光电探测器14测得的光强值与入射光强的比值计算得到。定义两个反射镜的反射率之差与两个反射镜的反射率之和的比值为两个反射镜的线性化反射率，在实际测量中可以使用两个光电探测器探测到的光强之差与两个光电探测器探测到的光强之和的比值得到。当测量角度在两个反射镜的临 界角时，两个反射镜的线性化反射率与被测角度成线性关系，可以通过测量两个探测器的光强后经过计算得到被测摆镜的摆动的角度。 

内反射高精度差动小摆角测角法由于其结构简单，测角精度高而广泛的应用于光学调试、航天器材、精密装配等领域，并且其体积小，性能可靠，因而可以做成便携式仪器，极大的扩展了这项技术的应用范围。但是由于其线性化反射率仅在两个反射镜的临界角附近与被测角度成线性关系，限制了测量的量程，使这项技术的应用领域受到了极大的限制；在使用中需要使用其他测角设备进行粗测，降低了测量效率，浪费了使用者大量的时间和精力。 

自准直测角技术近年来也得到了很大的发展，很多研究机构对其进行了改进和发展：如德国Moller-Wedel ELCOMATHR研制的双轴光电自准直仪，其采用光电元件感受反射像的位置变化，测量精度达到0.02″，但其测角范围很小、频响低，很难直接应用于卫星相机扫描镜转角的动态测量与校准。激光干涉测角方法，其将角度变化转换为长度变化来进行测量，该方法大角度测量时存在很大的非性性误差，因而仅适合小角度测量；因此这些方法都没有解决精密测角技术中的量程问题。 

圆光栅测角系统具有重复精度好，测量角度大，非线性误差小等优点而广泛应用于测角领域，并且随着近年来的光电子技术的发展，与光电探测技术结合可以实现测量的数字化，其测量精度和效率表现出很大的发展潜力，但是由于其测量过程中需要由被测物带动，不能够实现非接触测量，所以其使用范围受到了极大的限制。近年来，圆光栅与光电探测技术结合，使角度自动测量技术得到了快速发展，英国RENISHAW公司已经研制出高精度双读数头圆光栅测角系统，达到了很高的精度，但是也没有解决非接触测量的问题。而利用圆光栅测角系统与高精度小摆角测角技术结合，继而扩大测角量程、实现非接触的动态测量报道迄今为止尚未见到。 

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术用于大量程高精度非接触动态角 度测量时存在的上述不足，融合圆光栅测角技术和高精度小摆角度跟踪测量测角技术，提出一种大摆角高精度非接触相机摆镜摆角动态扫面特性测试装置。该装置在扩展系统量程的同时，还能实现非接触动态跟随测量，极大的扩展了该系统的使用范围。 

本发明的目的是通过下述装置实现的。 

一种相机摆镜摆角扫描特性的测试装置包括高稳定工作台，固定在高稳定工作台一端的摆镜摆角扫描系统、固定在高稳定工作台的另一端的高精度回转系统；固定在高精度回转系统上的高精度圆光栅测角系统和固定在圆光栅测角系统上的小角度高精度测角系统。 

装置中的小角度高精度测角系统采用差动内反射测角系统，系统包括：高稳定度激光器，放置在高稳定度激光器出射方向的前置分光系统，放置在前置分光系统反射方向反方向的差动测角系统。差动测角系统包括：分光系统，放置在分光系统的反射方向的反射镜，放置在反射镜出射方向的光电探测器；放置在分光系统的投射方向的反射镜和放置在反射镜出射方向的光电探测器。 

装置还可以包括：位于高稳定度激光器出射方向用于对高稳定度激光器的出射光进行准直的准直透镜；位于准直透镜与前置分光系统之间的消杂光光阑。 

装置还可以将分光系统替换为偏振分光系统，并且增加位于偏振分光系统与被测摆镜之间的四分之一波片。 

装置中还可以在小角度高精度测角系统的分光系统的透射方向增加一个差动测角系统，用于测量高稳定度激光器的角漂移量，这样小角度激光测角系统就形成了双差动结构，将位于分光系统透射方向的差动测角系统定义为差动测角系统A，位于分光系统|反射方向反方向的差动测角系统定义为差动测角系统B。 

装置还可以包括与小角度高精度测角系统和高精度圆光栅测角系统相连接的数据融合处理系统，用于对小角度高精度测角系统和高精度圆光栅测角系统测量得到的数据进行融合处理。 

装置中的小角度高精度测角系统还可以采用自准直仪或者激光干涉仪。 

本发明对比已有的技术装置具有以下显著优点： 

1.首次提出将圆光栅测角技术与小角度高精度测角技术结合，利用被测透镜反射回的激光信息进行非接触的动态跟踪测量。 

2.融合圆光栅测角技术与小角度高精度测角技术，实现了大摆角的高精度测量，既保证了系统的测角精度又扩展了系统的测量量程。 

3.采用了双差动的测角结构，单独测量激光器的角漂移，修正角度测量值，消除激光器角度漂移的影响。 

4.使用了数字融合处理系统对大角度测量和小角度测量系统的测量数据进行实时融合，简化了测量的步骤，提高了测量的效率。 

 附图说明

图1为本发明摆镜摆角扫描特性测试系统原理图； 

图2为本发明差动内反射测角系统原理图； 

图3为本发明双差动内反射测角系统原理图； 

图4为本发明差动内反射传感器角度测量特性曲线。 

 具体实施方式

其中：1-高稳定工作台、2-摆镜摆角扫描系统、3-激光束、4-高精度回转系统、5-高精度圆光栅测角系统、6-小角度高精度测角系统、7-被测摆镜、8-高稳定度激光器、9-前置分光系统、10-分光系统、11-反射镜、12-光电探测器、13-反射镜、14-光电探测器、15-差动内反射测角系统、16-分光系统、17-反射镜、18-光电探测器、19-反射镜、20-光电探测器、21-差动内反射测角系统、22-准直透镜、23-消杂光光阑、24-四分之一波片、25-数据融合处理系统。 

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

本发明技术原理为：采用差动内反射测角技术将小角度非接触跟踪动态测角光路的反射镜分别置于分光镜的反射和透射方向，构成差动的临界反射结构，通过两路探测器探测到的来自不同角度的光强信号，通过运算实现对被测角度高精度跟踪测量；另外，引入高精度圆光栅测角系统，结合数据融合处理系统，扩展了系统量程，同时实现了动态测量。 

本发明相机摆镜摆角扫描特性的测试装置结构如图1所示，包括：高稳定工作台1，固定在高稳定工作台1一端的摆镜摆角扫描系统2、 固定在高稳定工作台1的另一端的高精度回转系统4；固定在高精度回转系统4上的高精度圆光栅测角系统5和固定在圆光栅测角系统5上的小角度高精度测角系统6，与小角度高精度测角系统6和高精度圆光栅测角系统5相连接的用于对两者的测量数据进行融合处理的数据融合处理系统25；小角度高精度测角系统6采用差动内反射测角系统，系统结构如图3所示，包括：高稳定度激光器8，放置在高稳定度激光器8出射方向的用于对激光器8的出射光进行准直的准直透镜22、用于消除杂光的消杂光光阑23和前置偏振分光系统9，放置在前置偏振分光体统9反射方向的四分之一波片24，放置在前置分光系统透射方向的差动内反射测角系统A15和反射方向反方向的差动内反射测角系统B21。差动内反射测角系统15包括：分光系统10，放置在分光系统10的反射方向的反射镜11，放置在反射镜11出射方向的光电探测器12；放置在分光系统10的透射方向的反射镜13和放置在反射镜13出射方向的光电探测器14 

本发明相机摆镜摆角扫描特性的测试装置测量原理如图1所示：被测摆镜7在高精度回转系统4的带动下偏摆，由小角度高精度测角系统6发出的激光束3被被测摆镜7反射回小角度高精度测角系统6中，高精度回转系统4带动高精度圆光栅测角系统5和固定在圆光栅测角系统5上的小角度高精度测角系统6对反射的激光束进行动态跟踪测量，圆光栅测角系统5和小角度高精度测角系统6分别将测量得到的数据传输给数据融合处理系统17进行融合处理，得到被测摆镜7的偏摆角度。 

其中小角度高精度测角系统6的测角原理如图3所示：由高稳定度激光器8发出的激光经过准直透镜22准直后经过消杂光光阑23后被前置偏振分光系统9分为两束，其中透射光束直接进入差动内反射测角系统B21；光束进入差动内反射测角系统B21后被分光系统16分为两束后分别经过反射镜17和反射镜19的反射后进入光电探测系统18和光电探测系统20。反射光束通过四分之一波片24到达被测摆镜7被被测摆镜7反射后回到光路中，反射光束透过四分之一波片16后继续透过置偏振分光系统9达到差动内反射测角系统A15；光束进入差动内反射测角系统A15后被分光系统10分为两束后分别经过反射 镜11和反射镜13的反射后进入光电探测系统12和光电探测系统14。 

差动内反射测角系统A15和差动内反射测角系统B21中的光电探测器12、光电探测器12、光电探测器12和光电探测器12探测到的光强信号分别为：I₁、I₂、I₃和I₄，差动内反射测角系统A15测得的包含激光器角漂移的反映摆镜摆角线性化反射率R_合(Δθ)的值为： 

差动内反射测角系统A(13)测得的反映激光器角漂移的线性化反射率R_漂(Δθ)的值为： 

剔除光源自身角漂移的角度传感器测量的线性化反射率R_l(Δθ)为： 

根据计算得到的线性化反射率R_l(Δθ)便可以到被测的摆镜(7)的偏摆角度。 

基于该原理研制的差动内反射传感器角度测量特性曲线如图4所示，该传感器在-0.5°～+0.5°的测角范围内，分辨力达0.04″，非线性误差达±0.1％。该漂移量自补偿测角传感器，在-180″～+180″范围内，分辨力可达0.005″，非线性误差优于0.015％，重复性可达0.015″。 

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种相机摆镜摆角扫描特性的测试装置，其特征在于：包括高稳定工作台(1)，固定在高稳定工作台(1)一端的摆镜摆角扫描系统(2)、固定在高稳定工作台(1)的另一端的高精度回转系统(4)；固定在高精度回转系统(4)上的高精度圆光栅测角系统(5)和固定在圆光栅测角系统(5)上的小角度高精度测角系统(6)；小角度高精度测角系统(6)采用差动内反射测角系统，系统包括：高稳定度激光器(8)，放置在高稳定度激光器(8)出射方向的前置分光系统(9)，放置在前置分光系统(9)反射方向反方向的差动测角系统(13)，差动测角系统(13)包括：分光系统(10)，放置在分光系统(10)的反射方向的反射镜(11)，放置在反射镜(11)出射方向的光电探测器(12)；放置在分光系统(10)的投射方向的反射镜(13)和放置在反射镜(13)出射方向的光电探测器(14)；在小角度高精度测角系统(6)的前置分光系统(9)的透射方向增加一个差动测角系统(21)，用于测量高稳定度激光器的角漂移量，这样小角度激光测角系统(6)就形成了双差动结构，将位于前置分光系统(9)透射方向的差动测角系统(13)定义为差动测角系统A(13)，位于前置分光系统(9)反射方向反方向的差动测角系统(21)定义为差动测角系统B(21)。

2.根据权利要求1所述的相机摆镜摆角扫描特性的测试装置，其特征在于：包括位于高稳定度激光器出射方向用于对高稳定度激光器(8)的出射光进行准直的准直透镜(22)；位于准直透镜(22)与前置分光系统(9)之间的消杂光光阑(23)。

3.根据权利要求1所述的相机摆镜摆角扫描特性的测试装置，其特征在于将前置分光系统(9)替换为偏振分光系统，并且增加位于偏振分光系统(9)与固定在高稳定工作台(1)的被测摆镜(7)之间的四分之一波片(24)。

4.根据权利要求1所述的相机摆镜摆角扫描特性的测试装置，其特征在于：包括与小角度高精度测角系统(6)和高精度圆光栅测角系统(5)相连接的数据融合处理系统(25)，用于对小角度高精度测角系统(6)和高精度圆光栅测角系统(5)测量得到的数据进行融合处理。 

5.根据权利要求1所述的相机摆镜摆角扫描特性的测试装置，其特征还在于：小角度高精度测角系统(6)采用自准直仪或者激光干涉仪。 

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