CN104614155A - 角反射器指向精度测量设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种角反射器指向精度测量设备及测试方法，该角反射器指向精度测量设备包括光源、平行光管、转台、瞄准系统以及用于实现光源能量输出的调节、用于平行光管焦面组件的切换以及用于瞄准系统采集图像的计算的处理系统；平行光管设置在光源的出射光路上；被测角反射器设置在平行光管出光口处并承载于转台上；瞄准系统设置经被测角反射器反射后的反射光所在光路上；处理系统分别与光源、平行光管、转台以及瞄准系统相连。本发明提供了一种测试结果准确可靠以及极大地提高了指向精度测试效率的角反射器指向精度测量设备及测试方法。

Description

角反射器指向精度测量设备及测试方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种角反射器指向精度测量设备及测试方法，尤其涉及一种针对远场面阵阵列角反射器指向精度同时精确测试的测量设备及测试方法。

背景技术

角反射器是一种具有定向反射特性的光学元件，普遍用于远程和超远程激光测距中，通过精密测定激光脉冲从地面观测点到装有角反射器卫星的往返时间间隔，从而计算出地面观测点至卫星的距离，也可用于其余的测距范畴。角反射器是一种高精度的三维光学元件，它的应用可以增大激光脉冲回波能量、增加仪器的测量距离、提高测距精度。由于远程激光测距使用条件较为苛刻，要求观测范围大，单个角反射器无法满足使用要求，因此，优化设计的角反射器阵列——远场角反射器便呼之欲出。

角反射器阵列是按照特定的排布方式组成的，其作用是为使用多站点测量需要并保证各测量站点的信号接收强度，同时尽可能地减少自身引入的测距误差。国际上木器的角反射器阵列有平面排布、球形排布等方式，针对低轨卫星，通常采用半球结构，而对于高轨卫星，一般只能采用平面布阵。平面不振又分为正六边形密接布阵和圆形平面布阵两种方式。角反射器的主要指标包括：视场角、回光效率、回光一致性、角度误差和指向精度等，一般阵列式远场角反射器其角度误差在加工过程中可以保证，各角锥视场角、回光效率等指标也可以精确测量，角锥阵列安装完成后，其第一表面法线方向代表的指向方向却不易测量。由于角锥具有一般光学元件没有的定向反射特性，导致对单个角锥第一表面法线方向的确定，测量时需要排除回光造成的影响。阵列式角反射器由于角锥较多，需要在装调过程中实时监测各角锥指向精度，这样才能保证整个角锥阵列参数的准确。小型化的阵列角反射器内部小角锥也有20个左右，如果使用一般的测试设备对指向精度进行测量，费时又费力，工作效率低下。那么， 急需发明一套可以对远场阵列式角反射器指向精度进行快速、精确测量的测试设备。这套设备的建立，对远场阵列角反射器的加工装调检测具有指导性意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种测试结果准确可靠以及极大地提高了指向精度测试效率的角反射器指向精度测量设备及测试方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种角反射器指向精度测量设备，其特殊之处在于：所述角反射器指向精度测量设备包括光源、平行光管、转台、瞄准系统以及用于实现光源能量输出的调节、用于平行光管焦面组件的切换以及用于瞄准系统采集图像的计算的处理系统；所述平行光管设置在光源的出射光路上；被测角反射器设置在平行光管出光口处并承载于转台上；所述瞄准系统设置经被测角反射器反射后的反射光所在光路上；所述处理系统分别与光源、平行光管、转台以及瞄准系统相连。

上述被测角反射器与平行光管所形成的准直光束之间的夹角是20°。

上述平行光管的口径以及瞄准系统的口径均略大于被测角反射器的口径。

上述瞄准系统包括标准光学镜头以及与标准光学镜头处于同一光路上的相机，所述标准光学镜头和相机依次设置在经被测角反射器反射后的反射光所在光路上；所述处理系统与相机相连。

上述标准光学镜头的焦距是300mm、口径是50mm透射式镜头，所述标准光学镜头的全视场畸变优于1‰。

上述相机是滨松ORCA-Flash2.8高速科学相机，所述相机的像元尺寸是3.63μm×3.63μm，所述相机的像素数是1920×1440。

基于如上所述的角反射器指向精度测量设备的测试方法，其特殊之处在于：所述测试方法包括以下步骤：

1)处理系统点亮光源，待光源稳定；

2)处理系统控制平行光管焦面组件转动选择合适大小的星点板；

3)处理系统控制转台转动带动被测角反射器转动，当角反射器表面法线与平行光管所形成的准直光束之间的夹角不高于20°时，在瞄准系统上观察到角反 射器反射的平行光管焦面星点像；

4)微量调整转台角度，直到在瞄准系统中查看角反射器全口径范围；

5)使用瞄准系统采集当前图像，处理系统根据采集图像，按照腐蚀轮廓灰度加权算法计算角反射器内部各个小角锥相互之间的方位、俯仰角度偏差。

本发明的优点是：

本发明着眼于远场角反射器的特点，利用大口径平行光管的准直特性，使用瞄准系统采集各个小角锥前表面的反射光线，将角锥的指向特性从回光特性中剥离了出来，其光路简单却不失新颖，很好的解决了远场角反射器指向精度不易测量的问题。其开创性的将具有多组角锥式的远场角反射器各角锥间的指向角度一次成像并测量计算，解决了多次瞄准测量效率低下、精度不高的问题。本发明中的瞄准系统采用长焦距的标准光学镜头，相对畸变可达1‰，高分辨率科学级相机，测角分辨率2.5″，大大提高了瞄准系统的角度测量精度。本发明中的处理系统可根据瞄准系统采集图像，利用封装于其内部的快速目标识别算法(腐蚀轮廓灰度加权法)，有效的将小角锥相互间的指向角度偏差精确计算并输出报表，其测试结果准确可靠，极大的提高了指向精度测试的效率。本发明中的光源使用了高稳定度的卤钨灯光源，其稳定性可达0.5％(8小时)，保证了瞄准系统采集图像的灰度稳定性，增强了处理系统指向角度计算结果的稳定性。

附图说明

图1是本发明所提供的角反射器指向精度测量设备的结构示意图；

其中：

1-光源；2-平行光管；3-被测角反射器；4-转台；5-瞄准系统；6-标准光学镜头；7-相机；8-处理系统。 

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种角反射器指向精度测量设备，包括光源1、平行光管2、转台4、瞄准系统5以及处理系统8；平行光管2设置在光源1的出射光路上；被测角反射器3设置在平行光管2的出光口处，与平行光管所形成的准直光束成20°左右夹角，并承载于转台4之上；瞄准系统5设置在平行光管准直光束经由被测角反射器3反射后的出射光路上；处理系统8与光源1、平行光管2、转 台4和瞄准系统5相连。

瞄准系统包括标准光学镜头6和相机7，标准光学镜头6和相机7依次设置在被测角反射器3的出射光路上；标准光学镜头为焦距300mm、口径50mm透射式镜头，全视场畸变优于1‰；相机为滨松ORCA-Flash2.8高速科学相机，像元尺寸3.63μm×3.63μm，像素数1920×1440。

处理系统8用于实现光源能量输出的调节，用于平行光管焦面组件的切换，用于瞄准系统采集图像的计算。

本发明主要利用平行光管出射的平行光束来作为被测远场角反射器指向精度测试的标准光束，由于角反射器第一面玻璃是平面，一束大口径平行光束(口径大于被测角反射器口径)，覆盖被测远场角反射器内所有角锥。被测角反射器搭载于转台之上，转动转台(一般为20°左右)，在角锥第一表面反射的平行光束光路上搭载瞄准系统，瞄准系统的口径也略微大于整个角反射器的口径，这样可以将每个小角锥的反射光线进行完全收集。瞄准系统的焦距为300mm，角度分辨率为2.5″，可以保证将各角锥指向精度控制在角分级别。当瞄准系统准确调整至角反射器反射光束方向时，会在跟瞄系统的高速科学相机上显示出一系列的小角锥第一表面反射的平行光管焦面星点像。根据封装于处理系统中的目标识别算法(腐蚀轮廓灰度加权法)，可以快速对各个小角锥反射像进行定位，并快速根据不同星点像间的质心位置，换算为偏离方位、俯仰角度，输出最终测试结果。

本发明中的测试设备简单紧凑，使用非常便捷，对于远场阵列式角反射器指向精度的测试，在搭载调整好角反射器后，测试时间非常短暂，这在指导角锥安装调试时，可以极大提高工作效率。另外，对于20个以上小角锥式的阵列角反射器，只需增大平行光管口径和瞄准系统口径便可。

本发明中的瞄准系统采用长焦距的标准光学镜头，相对畸变可达1‰，高分辨率科学级相机，测角分辨率2.5″，完全可以满足普通阵列角锥指向精度优于1′安装指标的需要。

本发明中的处理系统可根据瞄准系统采集图像，利用封装于其内部的快速目标识别算法(腐蚀轮廓灰度加权法)，有效的将小角锥相互间的指向角度偏差 精确计算并输出报表，其测试结果准确可靠，极大的提高了指向精度测试的效率。

本发明中的光源使用了高稳定度的卤钨灯光源，其稳定性可达0.5％(8小时内)，保证了瞄准系统采集图像的灰度稳定性，增强了处理系统指向角度计算结果的稳定性。

同时，本发明还提供了一种基于如上的一种远场角反射器指向精度的检测方法，该方法包括以下步骤：

1)处理系统点亮光源，待其稳定；

2)处理系统控制平行光管焦面组件转动选择合适大小的星点板；

3)处理系统控制转台转动带动被测角反射器转动，当角反射器表面法线与平行光管出射准直光束成20°左右角度时，可在瞄准系统上观察到角反射器反射的平行光管焦面星点像；

4)微量调整转台角度，直到在瞄准系统中可查看角反射器全口径范围；

5)使用瞄准系统采集当前图像，处理系统根据采集图像，按照腐蚀轮廓灰度加权算法计算角反射器内部各个小角锥相互之间的方位、俯仰角度偏差。

本发明提供了一种角反射器指向精度测量设备针对面阵远场角反射器专门定制，可以非常简洁、准确的实现指向精度的测量，在角反射器工程应用中起到了至关重要的支撑作用，使得角反射器大规模、精确化制造和使用成为了可能，值得在工程应用中推广和使用。

Claims (7)

1.一种角反射器指向精度测量设备，其特征在于：所述角反射器指向精度测量设备包括光源、平行光管、转台、瞄准系统以及用于实现光源能量输出的调节、用于平行光管焦面组件的切换以及用于瞄准系统采集图像的计算的处理系统；所述平行光管设置在光源的出射光路上；被测角反射器设置在平行光管出光口处并承载于转台上；所述瞄准系统设置经被测角反射器反射后的反射光所在光路上；所述处理系统分别与光源、平行光管、转台以及瞄准系统相连。

2.根据权利要求2所述的角反射器指向精度测量设备，其特征在于：所述被测角反射器与平行光管所形成的准直光束之间的夹角是20°。

3.根据权利要求1或2所述的角反射器指向精度测量设备，其特征在于：所述平行光管的口径以及瞄准系统的口径均略大于被测角反射器的口径。

4.根据权利要求3所述的角反射器指向精度测量设备，其特征在于：所述瞄准系统包括标准光学镜头以及与标准光学镜头处于同一光路上的相机，所述标准光学镜头和相机依次设置在经被测角反射器反射后的反射光所在光路上；所述处理系统与相机相连。

5.根据权利要求4所述的角反射器指向精度测量设备，其特征在于：所述标准光学镜头的焦距是300mm、口径是50mm透射式镜头，所述标准光学镜头的全视场畸变优于1‰。

6.根据权利要求5所述的角反射器指向精度测量设备，其特征在于：所述相机是滨松ORCA-Flash2.8高速科学相机，所述相机的像元尺寸是3.63μm×3.63μm，所述相机的像素数是1920×1440。

7.基于如权利要求1-6任一权利要求所述的角反射器指向精度测量设备的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下步骤：

1)处理系统点亮光源，待光源稳定；

2)处理系统控制平行光管焦面组件转动选择合适大小的星点板；

3)处理系统控制转台转动带动被测角反射器转动，当角反射器表面法线与平行光管所形成的准直光束之间的夹角不高于20°时，在瞄准系统上观察到角反射器反射的平行光管焦面星点像；

4)微量调整转台角度，直到在瞄准系统中查看角反射器全口径范围；

5)使用瞄准系统采集当前图像，处理系统根据采集图像，按照腐蚀轮廓灰度加权算法计算角反射器内部各个小角锥相互之间的方位、俯仰角度偏差。