CN102778219B - 一种非接触式扫描镜转角和转速测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式扫描镜转角和转速测试系统，属于光电检测技术领域中涉及的非接触式测试系统。要解决的技术问题：提供一种非接触式扫描镜转角和转速测试系统。解决的技术方案包括：半导体激光器、滤光片、阵列平面反射镜、CCD接收器件、检测系统基板、CCD处理电路、计算机、被检测扫描镜等。半导体激光器、滤光片、被检测的扫描镜、阵列平面反射镜和CCD接收器件都安装在检测系统基板上，阵列平面反射镜和被检测的扫描镜相对安装，阵列平面反射镜和CCD接收器件相对安装，四者的工作面水平中线在同一高度的平面上。该测试系统，精度高，测角范围大，避免了接触式测量的阻力矩干扰，提高了低速扫描镜转角和转速测量的准确度。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域中涉及的一种非接触式扫描镜转角和转速测试系统。
背景技术
星载超光谱成像仪是基于天基平台的新一代探测设备，它兼有成像和光谱探测的优点，因此在遥感和其他科技领域有着广泛的应用。超光谱成像仪对地面目标推扫成像时，由于飞行器飞行速度很高，探测器上每个像元接收地面目标辐射的时间（积分时间）很短，当地面目标较暗时，探测器的信噪比将很低，为了降低对探测器高帧频的要求，增加仪器对某些特定暗目标的观测能力，可在超光谱成像仪上设置一扫描镜使其逆飞行方向旋转，实现对特定目标的运动补偿，以增加目标在探测器上的积分时间。
扫描镜转动时的转速波动会直接影响超光谱成像仪的成像质量，如果扫描镜的转速波动超出了容许的误差范围，满足不了指定的性能指标，将极大地降低超光谱成像仪的成像质量，导致分辨率下降和图像变形、扭曲等现象。要保证超光谱成像仪的成像质量，务必要使扫描镜的转速波动满足性能指标要求，由于飞行器位置的变化、扫描镜指向角度的变化等，导致扫描镜补偿运动是一个非常复杂的运动过程，要检测扫描镜转速波动情况，就要求有一套高精度的检测系统能对扫描镜的转动速度进行精确检测。
长春光机所用于检测扫描镜转速的系统是应用光电轴角编码器进行检测，这种接触式测量对于编码器精度要求很高，价格昂贵，且存在接触式测量无法克服的一些缺点。
与本发明最为接近的已有技术是长春理工大学张国玉等人在《光学学报》 2007年27卷第五期875-881页发表的“红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法”，如图1所示，该系统包括：半导体激光器1、柱面镜2、扫描接收光学系统3、滤光片4、CCD接收器件5、处理电路6、计算机7、红外地球星敏感器扫描镜8、驱动电机9、红外地球星敏感器扫描镜转轴10。
该系统的工作原理是：从半导体激光器1发出的激光经由柱面镜2后，形成一长条形细光束入射到扫描镜8上，由扫描镜8反射后的光线经扫描接收光学系统3和滤光片4入射到CCD接收器件5的光敏面上，当扫描镜8在驱动电机9的驱动下摆动时，其像点在CCD接收器件5上的位置也随之变化，该位置信息经CCD处理电路6处理后，送入计算机7数据采集系统进行数据采集，可得到被测信息的位置与能量参量值。将其代入建立好的数学模型，关系式为：φ=1/2arctan（h/f），其中φ为被检测扫描镜8的摆角，是时间t的函数；h为CCD接收器件5光敏面上光斑中心相对于CCD中心的高度；f为扫描接收光学系统3的焦距。对时间t设定采样时间间隔，则测出一系列h值，就可给出相应的角度，从而完成角位移的测量，通过计算机数据处理软件可得到扫描镜摆角与时间的坐标曲线。
该系统的摆角测量分辨率和动静态测量精度较低，无法满足超光谱成像仪扫描镜对于检测系统的分辨率和精度的要求。
发明内容
为克服已有技术的缺陷，本发明目的在于要保证超光谱成像仪的成像质量和精度要求，特设计一种用于检测超光谱成像仪扫描镜转角和转速的检测系统。
本发明要解决的技术问题是：提供一种非接触式扫描镜转角和转速测试系统。解决技术问题的技术方案如图2所示，包括：半导体激光器11、半导体激光器可调支座12、滤光片支架13、滤光片14、阵列平面反射镜15、阵列平面反射镜基座16、CCD接收器件17、CCD接收器件基座18、检测系统基板19、CCD处理电路20、计算机21、被检测扫描镜22、被检测扫描镜转轴23、驱动 电机24；其中，阵列平面反射镜15的结构如图3所示，包括：第一平面反射镜25、第二平面反射镜26、第三平面反射镜27、第四平面反射镜28和第五平面反射镜29；CCD处理电路20的结构如图4，包括：CCD接收器件17、驱动模块30、视频处理器31、控制单元32、配置可编程只读存储器33、晶振34、差分芯片35、RS-422串行通信接口36、电源37和二次电源模块38。
被检测的扫描镜22安装在检测系统基板19上，使被检测扫描镜转轴23垂直于检测系统基板19，被检测扫描镜22能绕扫描镜转轴23转动，驱动电机24和扫描镜转轴23同轴固连，驱动电机24带动被检测扫描镜22转动；半导体激光器可调支座12安装在检测系统基板19上，半导体激光器11安装在半导体激光器可调支座12上，使半导体激光器11发射激光束的光轴平行于检测系统基板19的工作面，垂直入射到滤光片14上，激光束经过滤光片14指向被检测扫描镜22的反射面；滤光片14安装在滤光片支架13上，滤光片支架13安装在检测系统基板19上，滤光片14的工作面垂直于检测系统基板19；阵列平面反射镜15从右至左依次为第一平面反射镜25、第二平面反射镜26、第三平面反射镜27、第四平面反射镜28和第五平面反射镜29，构成一字形排列的阵列，它们的后表面在同一平面上，安装在阵列平面反射镜基座16上，阵列平面反射镜15的工作反射面都为平面；阵列平面反射镜基座16安装在检测系统基板19上，使阵列平面反射镜15的反射面与被检测扫描镜22的反射面相对；CCD接收器件基座18安装在检测系统基板19上，CCD接收器件17安装在CCD接收器件基座18上，使CCD接收器件17的光敏面与阵列平面反射镜15的反射面相对安装；同时，要使半导体激光器11发射激光束的光轴、滤光片14工作平面的水平中线、被检测扫描镜22的反射面水平中线、阵列平面反射镜15的反射面水平中线、CCD接收器件17的光敏面水平中线在同一高度的水平面上，在这个水平面上设有直角坐标系xoy面，xoy面与检测系统基板19是相互平行的；阵列平面反射镜15中的第一平面反射镜25、第二平面反射镜26、第三平面反射镜27、第四平面反射镜 28和第五平面反射镜29的反射面在xoy面上的投影是同一个椭圆的一系列切线段，两两相接，五块平面反射镜通过阵列平面反射镜基座16固定在一起，被检测扫描镜转轴23的回转中心和CCD接收器件17的竖直中心线分别位于xoy面内与阵列平面反射镜相切椭圆的两个焦点F1、F2处；CCD处理电路20通过CCD接收器件17的接口和CCD接收器件17相连。CCD处理电路20的工作原理：电源37经过二次电源模块38转换成CCD处理电路20中各个模块的工作电压，晶振34为控制单元32提供所需要的时钟频率，控制单元32上电后通过配置可编程只读存储器33读取控制程序。计算机21通过RS-422串行通信接口36发送工作指令给控制单元32，控制单元32收到指令后，通过驱动模块30发送驱动时序驱动CCD接收器件17，CCD接收器件17采集的视频信号经视频处理器31处理后发送给控制单元32，控制单元32将并行数据通过差分芯片35转换成差分信号后发送给计算机21。
本发明的工作原理：该测试系统是将扫描镜转过角度对时间进行差商，首先测量扫描镜转角，然后间接求扫描镜的转速。根据椭圆的一个特殊性质：从椭圆一个焦点发出的光线经椭圆面上一点反射后反射至椭圆另一个焦点。原理图如图5所示，在一个直角坐标系xoy中，以原点为中心画一个参考椭圆39，阵列平面反射镜15中的第一平面反射镜25、第二平面反射镜26、第三平面反射镜27、第四平面反射镜28和第五平面反射镜29分别和参考椭圆39相切，两两相接。被检测扫描镜转轴23的回转中心和CCD接收器件17的竖直中心线分别在椭圆的两个焦点F1、F2处，当被检测扫描镜22在位置a时，此时对应被检测扫描镜22与X轴的夹角为φ1，由半导体激光器11发出的激光束垂直入射到滤光片14上，经过滤光片14透射后入射到被检测扫描镜22上，激光束经被检测扫描镜22反射后至第一平面反射镜24的右端点K1，再经第一平面反射镜24反射的光束在CCD接收器件17的光敏面上Q2点成像；当被检测扫描镜22由驱动电机24带动绕转轴23转动至位置b时，此时对应被检测扫描镜22的转 角为φ′，激光光束经过滤光片14后经被检测扫描镜22反射后，反射至第一平面反射镜24与椭圆的切点K′，由椭圆的性质，激光束在CCD接收器件17上的像点为椭圆的左焦点F2；当被检测扫描镜22绕转轴23转动至位置c时，此时对应被检测扫描镜22的转角为φ2，激光束经第一平面反射镜25的左端点K2反射后在CCD接收器件17上的像点移动至Q1点。被检测扫描镜22绕转轴23继续旋转，光束将会反射至第二平面反射镜26的右端点K2（与第一平面反射镜25左端点重合，对应扫描镜22还在位置c），这时由于第二平面反射镜26相对于第一平面反射镜25角度位置的变化，CCD接收器件17上的像点将会重新移动至Q2点，在被检测扫描镜22继续转动至位置d（对应扫描镜转角为φ3）的过程中，CCD接收器件17上的像点会继续向Q1点移动，被检测扫描镜22绕扫描镜转轴23连续转动过程中光束经过第三平面反射镜27、第四平面反射镜28及第五平面反射镜29时原理同上。通过此种方式，采用五块平面反射镜构成的阵列平面反射镜15，可以对所测角度进行分段连续测量，利用椭圆的特殊性质设计各片平面反射镜间的位置和角度关系，在CCD接收器件17光敏面长度一定的情况下，扩大了测角范围，同时又不降低精度。通过CCD处理电路20和计算机21对CCD接收器件17接收的激光信号进行数据采集和处理，即可计算被检测扫描镜22转动角度与CCD接收器件17上像点位置的对应关系，然后根据CCD接收器件17的积分时间作出被检测扫描镜22转角和时间的关系曲线，即可实现对超光谱成像仪扫描镜转角和转速的动态连续测量。
本发明的有益效果：
a）、本发明所述的转速检测系统，成本低，精度高，测角范围大，实现大范围高精度对扫描镜转角和转速的连续测量；
b）、采用光斑为一字线的半导体激光器，解决了圆形激光光斑由于装调和加工误差致使线阵CCD无法接收到光斑或光斑位置波动导致测量精度降低的问题；
c）、利用椭圆性质设计的阵列平面反射镜转折光线，达到了利用一片线阵CCD 循环反复成像扩大测角范围的效果；
d）、非接触式测量方式，避免了接触式测量的阻力矩干扰，提高了低速扫描镜转速测量的准确度；
附图说明
图1是已有技术的测试系统的结构示意图；
图2是本发明的测试系统的结构示意图；
图3是本发明的测试系统的阵列平面反射镜结构示意图；
图4为本发明的测试系统的CCD处理电路原理结构示意图；
图5为本发明的测试系统的工作原理说明示意图。
具体实施方式
本发明按图2和图3所示的结构实施，其中半导体激光器11采用光斑为一字线的半导体激光器，波长为635nm；半导体激光器可调支座12为与半导体激光器11配套购买的高低可调调整座；阵列平面反射镜15中的第一平面反射镜25、第二平面反射镜26、第三平面反射镜27、第四平面反射镜28和第五平面反射镜29采用光学稳定性较好的K4玻璃加工，工作反射面镀铝膜，五块反射镜通过环氧树脂胶将背面粘在阵列平面反射镜基座16上，构成阵列平面反射镜15；阵列平面反射镜基座16是采用Al加工的固定座；CCD接收器件17采用柯达公司的线阵CCD；CCD接收器件基座18按照CCD外壳尺寸设计、用Al加工的固定座；被检测扫描镜22的材质采用SiC，反射面镀银膜，反射率不低于98%，扫描镜22绕扫描镜转轴23的转动速度为0.2～0.4°/s，转角范围为22.5°，要求其转动速度绝对误差不大于±0.017°/s，通过调整阵列平面反射镜15中平面反射镜数量可以改变本系统测角范围，测角范围可达30°。
系统的分辨率（σ）由CCD接收器件的像元尺寸（μ）和光线传播的距离2a，即参考椭圆轨迹的长轴二倍决定，σ=μ/2a，所以在确定了线阵CCD之后，设计参考椭圆的长轴（即光线的传播距离）就可以确定系统的分辨率。
Claims (1)
1.一种非接触式扫描镜转角和转速测试系统，包括：半导体激光器（11）、滤光片（14）、CCD接收器件（17）、CCD处理电路（20）、计算机（21）、扫描镜（22）、驱动电机（24）；其特征在于还包括：半导体激光器可调支座（12）、滤光片支架（13）、阵列平面反射镜（15）、阵列平面反射镜基座（16）、CCD接收器件基座（18）、检测系统基板（19）、被检测扫描镜转轴（23）；其中，阵列平面反射镜（15）包括：第一平面反射镜（25）、第二平面反射镜（26）、第三平面反射镜（27）、第四平面反射镜（28）和第五平面反射镜（29）；CCD处理电路（20）包括：CCD接收器件（17）、驱动模块（30）、视频处理器（31）、控制单元（32）、配置可编程只读存储器（33）、晶振（34）、差分芯片（35）、RS-422串行通信接口（36）、电源（37）和二次电源模块（38）；被检测的扫描镜（22）安装在检测系统基板（19）上，使被检测扫描镜转轴（23)垂直于检测系统基板(19)，被检测扫描镜(22)能绕扫描镜转轴(23)转动，驱动电机(24)和扫描镜转轴(23)同轴固连；半导体激光器可调支座(12)安装在检测系统基板(19)上，半导体激光器(11)安装在半导体激光器可调支座(12)上，使半导体激光器(11)发射激光束的光轴平行于检测系统基板(19)的工作面，垂直入射到滤光片(14)上，激光束经过滤光片(14)指向被检测扫描镜(22)的反射面；滤光片(14)安装在滤光片支架(13)上，滤光片支架(13)安装在检测系统基板(19)上，滤光片(14)的工作面垂直于检测系统基板(19)；阵列平面反射镜(15)从右至左依次为第一平面反射镜(25)、第二平面反射镜(23)、第三平面反射镜(27)、第四平面反射镜(28）和第五平面反射镜（29），构成一字形排列的阵列，它们的后表面在同一平面上，安装在阵列平面反射镜基座（16）上，阵列平面反射镜（15）的工作反射面都为平面；阵列平面反射镜基座（16)安装在检测系统基板(19)上，使阵列平面反射镜(15)的反射面与被检测扫描镜(22)的反射面相对；CCD接收器件基座(18)安装在检测系统基板(19)上，CCD接收器件（17）安装在CCD接收器件基座（18)上，使CCD接收器件(17)的光敏面与阵列平面反射镜(15）的反射面相对安装；同时，要使半导体激光器（11）发射激光束的光轴、滤光片（14）工作平面的水平中线、被检测扫描镜（22）的反射面水平中线、阵列平面反射镜（15)的反射面水平中线、CCD接收器件(17)的光敏面水平中线在同一高度的水平面上，在这个水平面上设有直角坐标系xoy面，xoy面与检测系统基板(19)是相互平行的；阵列平面反射镜(15)中的第一平面反射镜（25）、第二平面反射镜（26）、第三平面反射镜（27）、第四平面反射镜（28)和第五平面反射镜(29)的反射面在xoy面上的投影是同一个椭圆的一系列切线段，两两相接，五块平面反射镜通过阵列平面反射镜基座(16)固定在一起，被检测扫描镜转轴(23)的回转中心和CCD接收器件(17)的竖直中心线分别位于xoy面内与阵列平面反射镜相切椭圆的两个焦点F1、F2处；CCD处理电路(20)通过CCD接收器件(17)的接口和CCD接收器件(17)相连。
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