CN102706447B - 一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光制导类和激光引信类产品激光探测系统检测领域，具体涉及一种激光探测系统用会聚光斑质量测试方法。该方法的目的是实现激光探测系统用近红外光学镜头会聚光斑质量的精密测量。该方法包括光斑形状对称性的测量步骤、光斑尺寸的测量步骤、光斑能量分布的测量步骤的单一测量、两两或全部组合测量。通过对光斑形状对称性、光斑尺寸、光斑能量分布情况的测量实现了对激光探测系统光学镜头会聚光斑质量的精密测量，其测角精度一致性好且提高了测角线性度。

Description

一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法

技术领域

本发明属于激光制导类和激光引信类产品激光探测系统检测领域，具体涉及一种激光探测系统用近红外光学镜头会聚光斑质量测试方法。

背景技术

在现代高科技战争中，为了提高导弹或炮弹的命中精度和毁伤性能，通常都要在弹上配装制导系统和引信系统。目前，采用激光作为探测媒介的制导系统和非接触式近炸引信作为制导与引信领域的重要分支，因其具有许多特有的优势而得到了广泛的应用。激光制导具有制导精度高、抗干扰能力强、结构简单和成本低等优点，而激光引信则具有测距精度高、角分辨力强、隐蔽性好、抗综合干扰能力突出和主动式全向攻击的优势。

作为激光制导和激光引信系统的核心组成部分，激光探测系统光学镜头会聚光斑质量的优劣，将直接影响激光制导和激光引信产品功的实现和性能指标的达成。

目前，对于红外和可见光成像光学镜头的成像质量，采用调制传递函数（MTF）法进行像质评价已经得到了广泛的认可和应用，但是对于激光探测系统而言，激光通过光学镜头会聚后通常为焦面上的一个点，而对于多象限探测系统往往需要离焦使用而并非成像，显然无法再利用调制传递函数法来进行会聚光斑质量的评价。

实现对激光探测系统光学镜头会聚光斑质量的精密测量，准确掌握会聚光斑的技术状态，对提高激光探测产品的装配、调试效率和产品合格率，降低研制成本都具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，来实现激光探测系统用近红外光学镜头会聚光斑质量的精密测量。

本发明所采用的技术方案是：

一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑形状对称性测量，所述光斑形状对称性为

$\mathrm{\η}=1-\frac{\max \{(S1-S2),(S1-S3),(S1-S4),(S2-S3),(S2-S4),(S3-S4)\}}{(S1+S2+S3+S4)}$

式中，S1、S2、S3和S4分别为四个象限输出的电压值，由四象限探测组件输出，且所述四象限探测组件用于将激光光斑光信号转换为电信号。

一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑尺寸的测量：将光斑从中心沿x方向移到S2、S3恰好达到最小，S1、S4恰好达到最大的位置，记录此时转动角度θ₁，同理反方向测得θ₂；继续转动使得光斑移出，即S1、S4恰好达到最小的位置，记录此时转动角度θ₃，同理反方向测得θ₄；S1、S2、S3和S4分别为四个象限输出的电压值，所述电压值由四象限探测组件输出；若四象限探测器光敏面半径为R，计算光斑x方向尺寸r

$r=\frac{|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}{|{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3|-|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}R$

同理，y方向移动光斑，得到光斑y方向尺寸。

一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑能量不均匀性测量，所述光斑能量不均匀性为最大偏差电压S_wmax与总输出电压之比，最大偏差电压S_wmax指光斑按照一定的步长在x方向移动时的电压变化与光斑均匀时的理想移动电压变化间的最大差值。

一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑形状对称性的测量步骤、光斑尺寸的测量步骤、光斑能量分布的测量步骤的两两或全部组合。

如上所述的一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，其中：由激光目标模拟器生成平行激光束，由两轴转台安置被测光学镜头和四象限探测组件，两轴转台进行俯仰、方位转动控制和角度读取，被测光学镜头将平行激光束会聚成激光光斑，四象限探测组件将激光光斑光信号转换为电信号。

本发明的有益效果是：

本发明通过对光斑形状对称性、光斑尺寸、光斑能量分布情况的测量实现了对激光探测系统光学镜头会聚光斑质量的精密测量，其测角精度一致性好且提高了测角线性度。

对光斑形状对称性进行定义并测量，是由于光斑形状的对称性与探测视场的对称性直接相关。对于多象限探测系统，光斑形状的不对称还会导致系统无法进行零位标定的严重后果。

对光斑形状对称性进行定义并测量，是由于光斑尺寸的大小与激光回波能量的利用率直接相关。光斑尺寸过大，超过了探测器光敏面的尺寸，会导致会聚光斑能量无法完全被探测器接收，进而影响系统作用距离。对于多象限探测系统，光斑尺寸的大小直接影响激光探测系统的测角线性区的大小。

对光斑形状对称性进行定义并测量，是由于光斑能量分布主要影响多象限激光探测系统，多象限探测系统通常为测角系统，光斑能量分布与测角分辨率直接相关，光斑能量分布的不均匀会导致系统测角精度的下降和增加后期软件校正的难度。

附图说明

图1为一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法布局连接示意图；

图2为光斑形状对称性和光斑尺寸测试原理图；

图3为光斑能量分布测试原理图；

其中：1.激光目标模拟器，2.两轴转台，3.控制盒，4.四象限探测组件，5.测试计算机，6.被测光学镜头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法进行介绍：

一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑形状对称性的测量步骤、光斑尺寸的测量步骤、光斑能量分布的测量步骤的单一测量、两两或全部组合测量。

为方便测量，可选择如下的光路连接方式，如图1所示，由激光目标模拟器1生成一定波长、一定口径的均匀平行激光束，激光束所在的光路上依次置有被测光学镜头6和四象限探测组件4，且被测光学镜头6和四象限探测组件4放置在两轴转台2上，两轴转台2可通过控制盒3进行俯仰、方位转动控制和角度读取，四象限探测组件4将激光光斑光信号转换为电信号，并由测试计算机5采集四象限探测组件输出的测试数据。

其中激光目标模拟器用来模拟激光探测系统实际工作中所接收到的激光信号，要求出光口径大于被测镜头通光口径。两轴转台转动角度范围可选择：方位360度，俯仰±60度；测量角位置精度：±30"；轴线垂直度：±3"；额定负载：40kg。四象限探测组件可通过放大和AD转换后由串口输出，可选择光谱响应范围为400nm～1100nm，光敏面直径为8mm，四象限探测组件探测器x轴应与手动两轴转台台面平行，四象限探测器光敏面位于光学镜头设计焦面上。

光斑形状对称性的测量、光斑尺寸的测量、光斑能量分布的测量分别如下所述：

（1）光斑形状对称性的测量

定义光斑的形状对称性η为

$\mathrm{\η}=1-\frac{\max \{(S1-S2),(S1-S3),(S1-S4),(S2-S3),(S2-S4),(S3-S4)\}}{(S1+S2+S3+S4)}---\left(1\right)$

式中，S1、S2、S3和S4分别为四个象限（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限）输出的电压值，下同。

由公式（1）可见，当η越接近1时，光斑的对称性就越好。

调整两轴转台方位和俯仰，使得四象限探测组件四个象限输出电压值尽可能一致，即各象限间电压差值最小（记此时为转台角度零位），利用公式（1）比较四个象限输出值的差别，即可实现对光斑形状对称性的计算。

（2）光斑尺寸的测量

如图2所示，其中大圆为四象限探测器光敏面，设其半径为R，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为四个象限的标号。小圆为会聚光斑，设其半径为r。根据光学设计光斑半径选择光敏面半径，设计光斑半径不大于光敏面半径，取2r≤R为宜，为方便说明，本实施例中取r＝2mm，R＝8mm。中心实线小圆（O点位置）代表光斑位于探测器中心时的情况，两边的虚线小圆（θ₁和θ₂位置）分别代表通过两轴转台将光斑从中心沿x方向移到±r时的情况，大圆外的两个点划线小圆（θ₃和θ₄位置）分别代表光斑中心位于±（r/2+R）时的情况。

首先调整两轴转台方位和俯仰，使得四象限探测组件四个象限输出电压值尽可能一致，即各象限间电压差值最小，记此时为转台角度零位。测量四个象限输出电压变化情况，调整两轴转台方位，将光斑从中心沿x方向移到±r（对应虚线小圆θ₁和θ₂）及±（r/2+R）（对应点划线小圆θ₃和θ₄）位置，根据两轴转台控制盒数显表测得的θ₁和θ₂、θ₃和θ₄的值以及探测器光敏面半径R，计算光斑x方向尺寸为

$\frac{2(R+r)}{|{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3|}=\frac{2r}{|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}---\left(2\right)$

整理得，

$r=\frac{|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}{|{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3|-|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}R---\left(3\right)$

同理，调整两轴转台俯仰，可以得到光斑y方向尺寸。

（3）光斑能量分布的测量

定义光斑能量不均匀性δ为最大偏差电压S_wmax与总输出电压(S1+S2+S3+S4)之比，即

$\mathrm{\δ}=\frac{S_{w\max }}{S1+S2+S3+S4}---\left(4\right)$

如图3所示，横坐标为光斑半径，纵坐标为在x方向上，以Δr（根据精度要求选择步长大小，步长越小，精度越高，为方便说明，这里步长取0.3mm）为步长的竖条（如图3中黑色竖条所示）能量占总能量的比值，图3中下部曲线为假设光斑能量均匀分布时的情况。

转动两轴转台使光斑按照一定的步长（例如图中为0.3mm）在x方向移动，光斑能量的变化可以通过4个象限输出电压的变化得出，输出电压的变化为

AS＝|S1+S4-S2-S3|    （5）

输出电压与输出能量是成比例的，能量百分比p计算如下：

$p=\frac{\mathrm{\ΔS}}{S1+S2+S3+S4}---\left(6\right)$

下方曲线为光斑能量均匀时一定步长的能量百分比与光斑半径之间关系的理论曲线。再将按公式（5）（6）测得的实测曲线与图3中光斑能量均匀分布时的理论曲线对比，找到最大偏差电压S_wmax值，最后通过公式（4）计算出光斑能量不均匀性。

为实现该测试方法，硬件连接并不局限于图1中的连接，例如也激光目标模拟器放置在转台上，使其绕被测光学镜头和四象限探测组件弧线转动，即根据上述测量原理保证光斑的相对运动即可。

Claims (5)

1.一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑尺寸的测量：将光斑从中心沿x方向移到S2、S3恰好达到最小，S1、S4恰好达到最大的位置，记录此时转动角度θ₁，同理反方向测得θ₂；继续转动使得光斑移出，即S1、S4恰好达到最小的位置，记录此时转动角度θ₃，同理反方向测得θ₄；S1、S2、S3和S4分别为四个象限输出的电压值，所述电压值由四象限探测组件输出；若四象限探测组件光敏面半径为R，计算光斑x方向尺寸r

$\frac{|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}{|{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3|-|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}R$

同理，y方向移动光斑，得到光斑y方向尺寸；

由激光目标模拟器生成平行激光束，由两轴转台安置被测光学镜头和四象限探测组件，两轴转台进行俯仰、方位转动控制和角度读取，被测光学镜头将平行激光束会聚成激光光斑，四象限探测组件将激光光斑光信号转换为电信号。

2.一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑能量不均匀性测量，所述光斑能量不均匀性为最大偏差电压S_wmax与总输出电压之比，最大偏差电压S_wmax指光斑按照一定的步长在x方向移动时的电压变化与光斑均匀时的理想移动电压变化间的最大差值；在计算最大偏差电压S_wmax时，首先使光斑按照一定的步长在x方向移动，得到输出电压的变化为

ΔS＝|S1+S4-S2-S3|

输出电压与输出能量是成比例的，能量百分比p计算如下：

$p=\frac{\mathrm{\ΔS}}{S1+S2+S3+S4}$

得到在一定步长移动时，光斑能量百分比与光斑半径之间的测试曲线；再根据光斑尺寸参数，计算光斑能量百分比与光斑半径之间的理论曲线；计算两曲线间的最大差值，即为最大偏差电压S_wmax。

3.一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑形状对称性测量，将光斑分为四个象限，并分别将四个象限的光信号转换为电信号，光斑形状对称性计算如下

$\mathrm{\η}=1-\frac{\max \{(S1-S2),\}(S1-S3),(S1-S4),(S2-S3),(S2-S4),(S3-S4)}{(S1+S2+S3+S4)}$

式中，S1、S2、S3和S4分别为四个象限输出的电压值；

还包括光斑尺寸的测量：将光斑从中心沿x方向移到S2、S3恰好达到最小，S1、S4恰好达到最大的位置，记录此时转动角度θ₁，同理反方向测得θ₂；继续转动使得光斑移出，即S1、S4恰好达到最小的位置，记录此时转动角度θ₃，同理反方向测得θ₄；S1、S2、S3和S4分别为四个象限输出的电压值，所述电压值由四象限探测组件输出；若四象限探测组件光敏面半径为R，计算光斑x方向尺寸r

$r=\frac{|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}{|{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3|-|{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1|}R$

同理，y方向移动光斑，得到光斑y方向尺寸。

4.一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，包括光斑形状对称性测量，将光斑分为四个象限，并分别将四个象限的光信号转换为电信号，光斑形状对称性计算如下

$\mathrm{\η}=1-\frac{\max \{(S1-S2),\}(S1-S3),(S1-S4),(S2-S3),(S2-S4),(S3-S4)}{(S1+S2+S3+S4)}$

式中，S1、S2、S3和S4分别为四个象限输出的电压值；

还包括光斑能量不均匀性测量，所述光斑能量不均匀性为最大偏差电压S_wmax与总输出电压之比，最大偏差电压S_wmax指光斑按照一定的步长在x方向移动时的电压变化与光斑均匀时的理想移动电压变化间的最大差值；

在计算最大偏差电压S_wmax时，首先使光斑按照一定的步长在x方向移动，得到输出电压的变化为

ΔS＝|S1+S4-S2-S3|

输出电压与输出能量是成比例的，能量百分比p计算如下：

$p=\frac{\mathrm{\ΔS}}{S1+S2+S3+S4}$

得到在一定步长移动时，光斑能量百分比与光斑半径之间的测试曲线；再根据光斑尺寸参数，计算光斑能量百分比与光斑半径之间的理论曲线；计算两曲线间的最大差值，即为最大偏差电压S_wmax。

5.根据权利要求3所述的一种激光探测系统会聚光斑质量测试方法，其特征在于：还包括光斑能量不均匀性测量，所述光斑能量不均匀性为最大偏差电压S_wmax与总输出电压之比，最大偏差电压S_wmax指光斑按照一定的步长在x方向移动时的电压变化与光斑均匀时的理想移动电压变化间的最大差值。