CN102226701A - 高精度光学动态靶标装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度光学动态靶标装置，构成包括：调整平台、主回转轴系、旋转臂、多功能复用动态激光自准直仪、外置固定参考反射镜及计算机等。所述的多功能复用激光自准直仪在模拟空间运动目标的同时，作为主动测角单元，结合外置固定参考反射镜将光学动态靶标轴系的晃动转换成二维角度的动态变化，在线测量由动态靶标轴系晃动引起的动态误差量，计算机根据轴系晃动误差实时修正光学动态靶标的静态标定值，准确确定任意时刻动态靶标的空间角度。本发明装置有效地提高了光学动态靶标的动态精度，为光电跟踪测量系统的测量精度提供了更精确的检测装置及检测方法。

Description

高精度光学动态靶标装置

技术领域

本发明涉及光学动态靶标，特别是一种高精度光学动态靶标装置。本发明可用于二维指向镜等光电跟踪系统的跟踪性能的检测，可用于光电经纬仪等光电跟踪测量系统的动态跟踪性能和测量精度的室内检测与验证。

背景技术

动态靶标是一种普遍使用的室内检测光电仪器跟踪性能的装置，可以在对光电仪器的跟踪系统进行室内检测时提供模拟的空间目标。从功能上区分，动态靶标可分为跟踪靶标和测量靶标。跟踪靶标不能实现位置闭合，不能对靶标的运动位置进行准确的控制，只能作为检测光电跟踪测量仪器跟踪性能的靶标使用。测量靶标不仅可以模拟空间目标，而且能够准确地确定在任意时刻靶标的空间角度，因此它可以同时实现光电跟踪测量仪器跟踪性能和测角精度的检测。光电跟踪系统是一个集光学、机械、电子、计算机等综合的复杂系统，在系统的研制过程中，必须建立高精度的性能检测和验证平台，对系统和各关键单元的静态、动态的精度进行分析和检测，以及时掌握其各个阶段的特性变化。外场使用前，也必须对其性能进行室内检测和验证。光学动态靶标是室内检测光电跟踪测量系统的跟踪性能和测角精度的标校装置，当作为跟踪靶标使用时，不需要对其某一时刻的空间角度提出精确要求，但作为高精度的测量靶标使用时，就需要准确地确定在任意时刻动态靶标的空间角度。光学动态靶标在旋转时受离心力的作用，会产生悬臂长度拉伸变形和轴系晃动等情况，这是影响其动态精度的主要原因，因此对光学动态靶标轴系晃动的检测和补偿是提高其动态精度的重要手段。

目前测量并提高光学动态靶标动态性能的方法主要有以下几种：

方案之一(参见孙宁，光学动态靶标动态精度检测实验研究[J].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2007)是针对中空电机结构的动态靶标提出的改善其动态性能方法，该方法将平面镜固定在光学动态靶标的轴系上，由自准直平行光管发出的平行光经其反射成自准直像于探测器上，设定光学动态靶标以某一速度旋转，同时读取自准直像的方位角度和俯仰角度偏差值，计算机存储统计这些偏差值，对动态靶标的静态标定值修正补偿，获得动态靶标不同运动状态下的空间角度。

方案之二(参见冯婕，基于动态靶标光电经纬仪测角精度室内检测方法研究[D].中国科学院西安光学精密机械研究所，2009)是针对普通电机带动平行光管旋转结构的动态靶标提出的提高其动态性能方法，该方法通过基于CMOS传感器的辅助光学系统探测由动态靶标目标平行光管及棱镜组模拟的无穷远目标的晃动量，同时进行图像采集，事后对这些图像进行判读，修正补偿动态靶标的静态标定值，获得光学动态靶标在不同运动状态下的空间角度。

方案之三(参见卓仁善，大型光电经纬仪动态测角精度的检测装置及方法[P]，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2010)是针对普通电机带动平行光管旋转结构的动态靶标提出的提高其动态性能方法，该方法通过两反射镜将平行光管发出的模拟光束分出一部分，穿过旋转臂，将其引到靶标背面，再通过固定于回转轴末端的折转反射镜将光束的大角度运动转化为小角度运动，采用辅助的记录传感器接收记录靶标光束的实时变化情况，数据处理模块在线修正动态靶标的静态标定值，获得光学动态靶标不同运动状态下的空间角度。

方案(一)(二)均是在光学动态靶标实际应用之前事先测量出电机轴系晃动量，再对动态靶标的静态标定值作修正，进而估算出动态靶标各个状态的空间角度。这种方案是电机轴系晃动量的非实时补偿，由于靶标的不同运动状态会引起不同的轴系晃动误差，因此这种合成的空间角度很不准确。并且在事先测量电机轴系晃动量时，很难保证测量动态靶标轴系晃动误差的自准直仪与控制动态靶标的计算机的时间一致性，这对动态靶标电学系统的性能提出更高要求。

方案(三)是电机轴系晃动的实时补偿，但该方案需要额外的辅助探测光学系统，结构复杂，成本昂贵。

发明内容

本发明的目的是提出一种高精度光学动态靶标装置，该装置可用于二维指向镜等光电跟踪系统的动态跟踪性能的室内检测与验证，可用于光电经纬仪等光电跟踪测量系统的动态跟踪性能及测量精度的室内检测与验证。

本发明的核心思想是利用多功能复用激光自准直仪在模拟空间运动目标的同时，作为主动测角单元，结合外置固定参考反射镜将光学动态靶标轴系的晃动转换成二维角度的动态变化，在线测量由动态靶标轴系晃动引起的动态误差量，计算机根据轴系晃动误差实时修正光学动态靶标的静态标定值，准确确定任意时刻动态靶标的空间角度。本发明有效提高了光学动态靶标的动态精度，为光电跟踪测量系统的跟踪性能及测量精度提供了更精确的检测装置及检测方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度动态靶标装置，特点在于其构成包括：调整平台、主回转轴系及其控制器、旋转臂、多功能复用动态激光自准直仪、外置参考反射镜及计算机，上述元部件的位置关系如下：

所述的调整平台在整个设备中起调节和支撑作用，所述的主回转轴系主要由中空电机和编码器组成，所述的中空电机的转动带动所述的旋转臂绕着轴系的中心旋转运动，旋转运动的速度和加速度由计算机控制所述的编码器设定；所述的旋转臂上安装有目标模拟反射镜、辅助反射镜和多功能复用动态激光自准直仪；所述的多功能复用动态激光自准直仪位于旋转臂的中心通孔位置，该多功能复用动态激光自准直仪包括双自准直光路、目标探测器件及光斑采集与处理单元；所述的目标模拟反射镜安装在旋转臂的一端，反射面面向所述的多功能复用动态光电自准直仪；所述的辅助反射镜安装在旋转臂的另一端，反射面背向旋转臂并与旋转臂成一定角度；所述的外置固定参考反射镜安装在所述的主回转轴系的中空电机的背面相对于大地静止的支撑架上，位于并垂直于所述的旋转臂的中轴通孔和主回转轴系中轴通孔的延长线，其反射面正对所述的中轴通孔，所述的多功能复用动态激光自准直仪产生两束相互垂直的自准直光束，一路光束依次穿过旋转臂中轴通孔和主回转轴系中轴通孔射到所述的外置固定参考反射镜上，反射后依次经所述的主回转轴系中轴通孔、旋转臂中轴通孔成像在所述的动态激光自准直仪的目标探测器件上；另一路光束与主回转轴系的旋转轴垂直，射到所述的目标模拟反射镜上，反射后形成模拟目标光束输出，所述的主回旋转轴系带动旋转臂旋转，形成锥形运动光束目标，用于光电跟踪设备捕获跟踪；

所述的计算机的输出端和输入端分别与所述的控制器的输入端和光斑采集与处理单元的输出端相连，对所述的旋转臂的旋转速度和加速度通过所述的编码器进行编码，调节所述的主回转轴系的控制器以模拟各种运动形式的目标，接受多功能复用动态激光自准直仪的目标探测器件所测量的光学动态靶标轴系晃动量，实时数据处理，获得光学动态靶标在任意时刻精确的空间角度。

所述的多功能复用动态激光自准直仪是基于单线阵CCD的二维动态激光自准直仪，所述的目标探测器件为单线阵CCD探测器。

本发明具有突出的优点：

1、本发明充分利用激光的偏振特性，引入多功能复用动态激光自准直仪，不额外增加复杂的辅助光学系统，实现光学动态靶标轴系晃动量的在线探测，实时补偿光学动态靶标的空间角度，有效提高了光学动态靶标的动态精度，为光电跟踪测量系统的测量精度提供了更精确的检测装置及检测方法。

2、本发明仅利用一台多功能复用的动态激光自准直仪同时实现空间运动目标的模拟和动态靶标轴系晃动的在线测量，光路结构简单，稳定性好，节约了成本，有利于实用化。

附图说明

图1是本发明高精度动态靶标装置的结构图。

图2是基于单线阵CCD的二维动态激光自准直仪工作原理示意图。

图3是本发明利用N型分划丝实现单线阵CCD二维测角原理示意图。

图4是本发明多功能复用的动态激光自准直仪装置的光路结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明高精度动态靶标装置的构成包括：调整平台8、主回转轴系4及其控制器E、旋转臂7、多功能复用动态激光自准直仪1、外置参考反射镜3及计算机D，上述元部件的位置关系如下：

所述的调整平台8在整个设备中起调节和支撑作用，所述的主回转轴系4主要由中空电机和编码器组成，所述的中空电机的转动带动所述的旋转臂7绕着轴系的中心旋转运动，旋转运动的速度和加速度由计算机D控制所述的编码器设定；所述的旋转臂7上安装有目标模拟反射镜5、辅助反射镜6和多功能复用动态激光自准直仪1；所述的多功能复用动态激光自准直仪1位于旋转臂7的中心通孔位置，该多功能复用动态激光自准直仪1包括双自准直光路1A、目标探测器件1C及光斑采集与处理单元1B；所述的目标模拟反射镜5安装在旋转臂7的一端，反射面面向所述的多功能复用动态光电自准直仪；所述的辅助反射镜6安装在旋转臂7的另一端，反射面背向旋转臂并与旋转臂成一定角度；所述的外置固定参考反射镜3安装在所述的主回转轴系4的中空电机的背面相对于大地静止的支撑架上，位于并垂直于所述的旋转臂7的中轴通孔和主回转轴系4中轴通孔的延长线，其反射面正对所述的中轴通孔，所述的多功能复用动态激光自准直仪1产生两束相互垂直的自准直光束，一路光束依次穿过旋转臂中轴通孔和主回转轴系中轴通孔射到所述的外置固定参考反射镜3上，反射后依次经所述的主回转轴系中轴通孔、旋转臂中轴通孔成像在所述的动态激光自准直仪的目标探测器件1C上；另一路光束与主回转轴系4的旋转轴垂直，射到所述的目标模拟反射镜5上，反射后形成模拟目标光束输出，所述的主回旋转轴系统4带动旋转臂7旋转，形成锥形运动光束目标，用于光电跟踪设备捕获跟踪；

所述的计算机D的输出端和输入端分别与所述的控制器E的输入端和光斑采集与处理单元1B的输出端相连，对所述的旋转臂的旋转速度和加速度通过所述的编码器进行编码，调节所述的主回转轴系的控制器E以模拟各种运动形式的目标，接受多功能复用动态激光自准直仪1的目标探测器件1C所测量的光学动态靶标轴系晃动量，实时数据处理，获得光学动态靶标在任意时刻精确的空间角度。

所述的多功能复用动态激光自准直仪1是基于单线阵CCD的二维动态激光自准直仪，所述的目标探测器件1C为单线阵CCD探测器。

图2为基于单线阵CCD的二维动态激光自准直仪工作原理示意图。沿水平光轴方向，激光器A1发出的光束均匀照亮N型分划板A2，其中N型分划板A2位于准直物镜A4的焦平面处，经过分划板A2后的光束依次经分光棱镜A3和准直物镜A4后形成平行光束输出，其中分光棱镜A3的分束面与水平光轴成45°夹角。输出的平行光束经被测参考反射镜3反射并再次经准直物镜A4和分光棱镜A3后，在位于准直物镜A4焦平面处的光电探测器件1C上成像。当被测参考反射镜3围绕水平光轴旋转θ角时，光电探测器件1C上N型分划丝像有Δx的线性位移，同理，当参考反射镜3围绕垂直光轴旋转

角时，光电探测器件1C上N型分划丝像有Δy的线性位移。假设准直物镜A4的焦距为f，根据几何光学原理，方位角θ和俯仰角

可表示为：

由于θ很小，上式可近似为Δx＝f·2θ和

则有

请参阅图3，图3为利用N型分划丝实现单线阵CCD二维测角原理示意图。N型字符的夹角为α，实线N型字符是t1时刻N型分划丝在线阵CCD上所成的像，虚线N型字符是t2时刻N型分划丝在线阵CCD上所成的像，此时参考反射镜3绕水平轴旋转θ角度，垂直轴旋转

角度，根据几何关系原理，线性位移Δx和Δy可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=M2-M1=P2-P1\\ \mathrm{\Δy}=\frac{\mathrm{\Δ}3-\mathrm{\Δ}1}{\tan \mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}2-\mathrm{\Δ}4}{\tan \mathrm{\α}}=\frac{(\mathrm{\Δ}3-\mathrm{\Δ}4)-(\mathrm{\Δ}1-\mathrm{\Δ}2)}{2\tan \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：M1、M2、P1、P2是N型字符在所述的线阵CCD上的交点，因此，由光斑采集与处理单元1B实时动态的采集Δx及Δy的变化量后做相关处理计算，可得到被测参考反射镜的动态转角θ和

的变化。

请参阅图4，图4为多功能复用的动态激光自准直仪结构图。沿水平光轴方向，激光器A1发出的光束经起偏器A8后均匀照亮N型分划板A2，N型分划板A2同时位于第一准直物镜A4和第二准直物镜A6的焦平面处，经过N型分划板A2后的激光垂直入射到的偏振分束片A7上，该偏振分束片A7将激光分成偏振态相互垂直的P光和S光，其中P光无偏折地透过偏振分束片A7，再经第二准直物镜A6后形成平行光束输出。同理，S光经偏振分束片A7反射后依次经λ/4波片A5，准直物镜A4形成平行光束输出，输出的平行光束经被测反射镜3反射并再次经准直物镜A4和λ/4波片A5，偏振面旋转90°后透射过偏振分束片A7，在同时位于第二准直物镜A6和第一准直物镜A4焦平面处的光电探测器件1C上成像，当被测参考反射镜3围绕水平光轴旋转θ角，垂直光轴旋转角时，光电探测器件1C上N型分划丝像有Δx和Δy的线性位移，根据式(2)和(3)可计算出被测反射镜3的方位角变化θ和俯仰角变化

请参阅图1，本发明高精度光学动态靶标装置在旋转过程中，由于受到离心力的作用，会产生悬臂长度拉伸变形和旋转轴系晃动等情况，严重影响光学动态靶标的动态精度。提高光学动态靶标动态精度的方法是：外置固定的参考反射镜3作为合作反射镜，将影响光学动态靶标自身精度的轴系晃动量转换成动态角度的变化，在旋转臂7连续运转的情况下，多功能复用动态激光自准直仪实现动态靶标轴系晃动量的在线补偿。动态靶标轴系晃动量在线补偿的具体实施方法是：所述的多功能复用动态激光自准直仪1发出相互垂直的两束平行光，一路自准直光束用于模拟空间运动目标，该光束与旋转轴系垂直，入射到所述的目标模拟反射镜5上，再经该目标模拟反射镜5反射形成模拟目标光束输出，主回转轴系4带动旋转臂7旋转，形成锥形运动光束目标，用于光电跟踪设备捕获跟踪。另一路光束结合外置固定参考反射镜3将连续运转时光学动态靶标的轴系晃动量转化为二维角度的变化量。该路光束与旋转轴平行，依次经过旋转臂7通孔、主回转轴系4通孔入射到外置固定参考反射镜3上，经该外置固定参考反射镜3反射经过主回转轴系4通孔和旋转臂7通孔成像于多功能复用动态激光自准直仪1的CCD探测器1C上，该CCD探测器探测成像位置的变化可获得光学动态靶标轴系的晃动量。主回转轴系控制器E控制旋转臂7以不同的速度和加速度旋转，多功能复用动态激光自准直仪的光斑采集与处理单元1B实时读取光学动态靶标的轴系晃动量并传送给计算机D，该计算机D根据光学动态靶标的轴系晃动量修正光学动态靶标的静态标定值，可获得光学动态靶标在任意时刻精确的空间角度。

Claims (2)

1.一种高精度动态靶标装置，特征在于其构成包括：调整平台(8)、主回转轴系(4)及其控制器(E)、旋转臂(7)、多功能复用动态激光自准直仪(1)、外置参考反射镜(3)及计算机(D)，上述元部件的位置关系如下：

所述的调整平台(8)在整个设备中起调节和支撑作用，所述的主回转轴系(4)主要由中空电机和编码器组成，所述的中空电机的转动带动所述的旋转臂(7)绕着轴系的中心旋转运动，旋转运动的速度和加速度由计算机(的)控制所述的编码器设定；所述的旋转臂(7)上安装有目标模拟反射镜(5)、辅助反射镜(6)和多功能复用动态激光自准直仪(1)；所述的多功能复用动态激光自准直仪(1)位于旋转臂(7)的中心通孔位置，该多功能复用动态激光自准直仪(1)包括双自准直光路(1A)、目标探测器件(1C)及光斑采集与处理单元(1B)；所述的目标模拟反射镜(5)安装在旋转臂(7)的一端，反射面面向所述的多功能复用动态光电自准直仪；所述的辅助反射镜(6)安装在旋转臂(7)的另一端，反射面背向旋转臂并与旋转臂成一定角度；所述的外置固定参考反射镜(3)安装在所述的主回转轴系(4)的中空电机的背面相对于大地静止的支撑架上，位于并垂直于所述的旋转臂(7)的中轴通孔和主回转轴系(4)中轴通孔的延长线，其反射面正对所述的中轴通孔，所述的多功能复用动态激光自准直仪(1)产生两束相互垂直的自准直光束，一路光束依次穿过旋转臂中轴通孔和主回转轴系中轴通孔射到所述的外置固定参考反射镜(3)上，反射后依次经所述的主回转轴系中轴通孔、旋转臂中轴通孔成像在所述的动态激光自准直仪的目标探测器件(1C)上；另一路光束与主回转轴系(4)的旋转轴垂直，射到所述的目标模拟反射镜(5)上，反射后形成模拟目标光束输出，所述的主回旋转轴系统(4)带动旋转臂(7)旋转，形成锥形运动光束目标，用于光电跟踪设备捕获跟踪；

所述的计算机(D)的输出端和输入端分别与所述的控制器(E)的输入端和光斑采集与处理单元(1B)的输出端相连，对所述的旋转臂的旋转速度和加速度通过所述的编码器进行编码，调节所述的主回转轴系的控制器(E)以模拟各种运动形式的目标，接受多功能复用动态激光自准直仪(1)的目标探测器件(1C)所测量的光学动态靶标轴系晃动量，实时数据处理，获得光学动态靶标在任意时刻精确的空间角度。

2.根据权利要求1所述的高精度动态靶标装置，其特征在于所述的多功能复用动态激光自准直仪(1)是基于单线阵CCD的二维动态激光自准直仪，所述的目标探测器件(1C)为单线阵CCD探测器。

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