CN107727008B - 一种测量主动光电系统收发同轴的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量主动光电系统收发同轴的装置及方法，该发明基于分光镜(Beam Splitter)的分光功能，将光束分析仪与光纤端面等距离的固定到分光镜(Beam Splitter)两侧，从而组合成一个固定收发一体的焦面模块。将该焦面模块放置于平行光管焦面处发射的激光可以被主动光电系统接收，同时焦面模块的光束分析仪可以接收被主动光电系统发出的激光，通过二者之间的关系来判断主动光电系统的光轴偏差。该发明适用于各种主被动结合的光电系统收发同轴检测等领域，焦面模块固定、定标方法简单、价格低廉。

Description

一种测量主动光电系统收发同轴的装置及方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种测量主动光电系统收发同轴的装置及方法，该发明装置结构简单、可移植性强，匹配到电脑固定的测试软件操作简单、方便、快捷，特别适用于各种主被动结合的光电系统收发同轴检测等领域。
背景技术
激光遥感系统是一种主动式的现代光电遥感设备,是传统的无线电或微波雷达(radar)向光学频段的延伸。激光以其高空间分辨率、高灵敏度、单色性好、全天候等优良特性而备受青睐，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用。国内外发展的激光遥感系统主要包括激光高度计、激光测距机、激光雷达等。由于所用探测波长的缩短和方向性的加强,系统的空间、时间分辨能力都得到了很大的提高，在军事、航天、大地测绘、工程建筑等方面都有着广泛的应用和深入的研究。
对激光光学仪器来说，光轴配准度是仪器的关键技术指标之一，光轴的变化将直接影响到系统的探测水平，而随着各种光学仪器应用范围的扩大和应用需求的提高，对光学仪器的稳定性、光轴配准精度的要求也越来越高，也对光学仪器的地面定标及性能测试提出了更高的要求。激光遥感系统的探测能力指标主要包括系统测距精度、探测范围(最大测程、最小测程)、测距分辨率和探测概率(虚警率、漏警率)。而光轴配准度的变化将直接影响到系统的探测能力，这就要求能有标准的仪器或设备能对其进行测试，并及时标定出变化情况。
本发明基于分光镜(Beam Splitter)的分光功能，将光束分析仪与光纤端面等距离的固定到分光镜(Beam Splitter)两侧，从而组合成一个固定收发一体的焦面模块。而角锥棱镜作为一种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，它不受入射角大小的影响，将任意进入通光孔径内的入射光线高效的按方向返回。本发明基于角锥棱镜的自准直功能,将收发一体的焦面模块放置于平行光管焦面处，利用角锥棱镜辅助标定收发一体的焦面模块发射光源与接收探测器像元之间的关系,从而实现对被测仪器的收发同轴的测试。本发明适用于各种主被动结合的光电系统收发同轴检测等领域，该发明的收发一体的焦面模块固定、定标方法简单、价格低廉。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量主动光电系统收发同轴的装置及方法。该发明基于分光镜(Beam Splitter)的分光功能，将光束分析仪与光纤端面等距离的固定到分光镜(Beam Splitter)两侧，从而组合成一个固定收发一体的焦面模块。同时利用角锥棱镜在不受入射角变化影响的情况下，能够将任意进入通光孔径内的入射光线高效的按原方向返回的自准直功能来标定收发一体的焦面模块的同轴关系,焦面模块发射的激光可以被主动光电系统接收，同时焦面模块的光束分析仪可以接收被主动光电系统发出的激光，通过二者之间的关系来判断主动光电系统的光轴偏差。该发明适用于各种主被动结合的光电系统收发同轴检测等领域，焦面模块固定、定标方法简单、价格低廉。
本发明方法的检测装置如附图1所示：该发明装置由平行光管1、收发一体的焦面模块2、角锥棱镜3、被测主动光电系统4组成。所述的收发一体的焦面模块2由分光镜2-1、带有电脑的光束分析仪2-2、可更换光纤的激光器2-3组成；其中所述的带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面与可更换光纤的激光器2-3光纤端面等距离固定于分光镜2-1的两侧，所述的带有电脑的光束分析仪2-2用于接收经过平行光管1会聚的信号，所述的可更换光纤的激光器2-3引入光信号，光信号经过被测平行光管1后产生发射的平行光，用于产生平行光源；带有电脑的光束分析仪2-2中电脑用于观测成像光斑在光束分析仪上的位置。
收发一体的焦面模块2放置于平行光管1的焦面处，被测主动光电系统4放置在平行光管1前，调节被测主动光电系统4的方位、俯仰角度，使得被测主动光电系统4中的激光发射系统4-1出射激光经过平行光管后1会聚于带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面上，直至将激光发射系统4-1出射激光光斑调节到收发同轴点为止，开启可更换光纤的激光器2-3，激光经过平行光管1准直输出，此时激光发射系统4-1的发射光轴与平行光管1的出射光同轴，平行光管1产生的平行光经过被测主动光电系统4的接收系统4-2接收，其接收位置与理想位置的偏差即为收发同轴偏差。
所述的平行光管1为一种常规反射式或透射式的光学测试设备，且平行光管1的后截距大于收发一体的焦面模块2的外形尺寸。
所述的收发一体的焦面模块2由分光镜2-1、带有电脑的光束分析仪2-2和可更换光纤的激光器2-3组成；
所述的带有电脑的光束分析仪2-2与可更换光纤的激光器2-3的光纤端面等距离固定于分光镜2-1的两侧，所述的带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面用于接收经过平行光管会聚的信号，所述的可更换光纤的激光器2-3引入光信号，光信号经过平行光管1后产生发射的平行光，用于产生平行光源；带有电脑的光束分析仪2-2的电脑用于观测成像光斑在光束分析仪上的位置；
所述的分光镜2-1的光谱范围覆盖光纤激光器的波长；所述的分光镜2-1对使用波长的分光比介于4:6与6:4之间，通光面面形偏差RMS值小λ/10@632.8nm。
所述的角锥棱镜3的回转精度小于3″。
所述的被测主动光电系统4由激光发射系统4-1与接收系统4-2组成，所述激光发射系统4-1的波长处于带有电脑的光束分析仪2-2的光谱响应范围内，所述的接收系统4-2用于接收回波信号。
本发明装置中,利用平行光管1、收发一体的焦面模块2及角锥棱镜3可以辅助被测主动光电系统4的收发同轴关系标定，该方法由以下步骤组成：
1)收发一体的焦面模块2装配
●利用设计好的结构将用于接收信号的带有电脑的光束分析仪2-2与可更换光纤的激光器2-3初步固定于分光镜2-1两侧，初步完成收发一体的焦面模块2的调节；
●将初步完成的收发一体的焦面模块2放置于平行光管1焦面附近,开启可更换光纤的激光器2-3，并将角锥棱镜3放在平行光管1前方,通过带有电脑的光束分析仪2-2来观察角锥棱镜3的回转光斑在带有电脑的光束分析仪2-2上位置；
●将角锥棱镜3放在平行光管1前方的不同位置,观察角锥棱镜3的回转光斑在带有电脑的光束分析仪2-2位置是否变化,如果位置发生变化,则调整可更换光纤的激光器2-3的光纤端面到分光镜2-1中心的距离
●通过反复调节,最终使得角锥棱镜3在平行光管1的不同出口位置时回波光斑位置不变,此时可更换光纤的激光器2-3的光纤端面与带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面等距的分布于分光镜2-1两侧,完成收发一体的焦面模块2的调节。系统的最大变化量为Δ，则系统的收发同轴精度为：
Figure BDA0001432658640000051
其中：参数u为像点在光束分析仪上改变的相对位置(单位um)f为平行光管的焦距(单位m)。
2)主动光电系统收发同轴标定
●将调解完成的收发一体的焦面模块2初步放置于平行光管1的焦面处；
●再将被测主动光电系统4放置在平行光管1前，调节被测主动光电系统4方位、俯仰角度，使得被测主动光电系统4中的发射系统4-1出射激光经过平行光管后会聚于带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面上，直至将发射系统4-1出射激光光斑调节到收发同轴点为止；
●开启可更换光纤的激光器2-3，激光经过平行光管1后准直输出，此时激光发射系统4-1的发射光轴与平行光管1的出射光同轴，平行光管(1)产生的平行光经过被测主动光电系统4的接收系统4-2接收，该成像点与被测主动光电系统4中的发射系统4-1出射激光光轴关系对应,其在接收系统4-2上的接收光斑位置与理想位置的偏差即为收发同轴偏差。
该发明的特点主要体现在：
1)该发明的收发一体的焦面模块自检方法简单、测量精度高、成本低廉。
2)该发明的收发一体的焦面模块制作方法操作简单、易学，配合电脑软件操作简单、易懂。
3)可以通过更换单模光纤的波长来实现对不同系统的检测；本发明也可以通过平行光管来测量基准镜之间的关系，也可以提供环境试验的器件的变化量。
附图说明
图1为该发明的示意图。
图2为收发一体的焦面模块2的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)平行光管1：采用普通加工的反射式平行光管，望远镜口径为400mm，望远镜焦距为4m，抛物面面型要求RMS优于1/20λ@632.8nm。
2)收发一体的焦面模块2:分光镜2-1采用Thorlabs公司带结构的型号为BS017的非偏振分光棱镜，其主要性能参数：工作波段为700-1100nm，分光比为1：1，通光口径为20mm；带有电脑的光束分析仪2-2中光束分析仪采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200；电脑为普通笔记本电脑；可更换光纤的激光器2-3中光纤法兰采用Thorlabs公司的普通光纤法兰；单模光纤采用Thorlabs公司型号为SM600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-800nm；光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径125±1um，截至波长为550±50nm；光纤激光器采用Thorlabs公司型号为LPS-PM635-FC的激光二极管，其主要性能参数：激光波长为635nm，光功率可调范围1uw-10mw。
3)角锥棱镜3：采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数：透光面表面面型优于λ/10@632.8nm；回转精度小于3″，通光口径为25.4mm，透光范围为400-1100。
4)被测主动光电系统4：由激光发射系统4-1与接收系统4-2组成，所述激光发射系统4-1的波长取为1064nm，接收系统4-2用于接收信号,接收系统4-2采用star1000探测器接收信号,star1000的像元大小为15um,光谱响应范围为400-1100nm。
具体实施方式中，本发明装置的装校示意图如图1所示，具体步骤如下
1收发一体的焦面模块2装配
●利用设计好的结构将用于接收信号的带有电脑的光束分析仪2-2与可更换光纤的激光器2-3初步固定于分光镜2-1两侧，初步完成收发一体的焦面模块2的调节；
●将初步完成的收发一体的焦面模块2放置于平行光管1焦面附近,开启可更换光纤的激光器2-3，并将角锥棱镜3放在平行光管1前方,通过带有电脑的光束分析仪2-2来观察角锥棱镜3的回转光斑在带有电脑的光束分析仪2-2上位置；
●将角锥棱镜3放在平行光管1前方的不同位置,观察角锥棱镜3的回转光斑在带有电脑的光束分析仪2-2位置是否变化,如果位置发生变化,则调整可更换光纤的激光器2-3的光纤端面到分光镜2-1中心的距离
●通过反复调节,最终使得角锥棱镜3在平行光管1的不同出口位置时回波光斑位置不变,此时可更换光纤的激光器2-3的光纤端面与带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面等距的分布于分光镜2-1两侧,完成收发一体的焦面模块2的调节。系统的最大变化量为Δ，则系统的收发同轴精度为：
Figure BDA0001432658640000081
其中：参数u为像点在光束分析仪上改变的相对位置(单位um)，f为平行光管的焦距(单位m)。
2)主动光电系统收发同轴标定
●将调解完成的收发一体的焦面模块2初步放置于平行光管1的焦面处；
●再将被测主动光电系统4放置在平行光管1前，调节被测主动光电系统4方位、俯仰角度，使得被测主动光电系统4中的发射系统4-1出射激光经过平行光管后会聚于带有电脑的光束分析仪2-2的光敏面上，直至将发射系统4-1出射激光光斑调节到收发同轴点为止；
●开启可更换光纤的激光器2-3，激光经过平行光管1后准直输出，此时激光发射系统4-1的发射光轴与平行光管1的出射光同轴，平行光管(1)产生的平行光经过被测主动光电系统4的接收系统4-2接收，该成像点与被测主动光电系统4中的发射系统4-1出射激光光轴关系对应,其在接收系统4-2上的接收光斑位置与理想位置的偏差即为收发同轴偏差。

Claims (1)

1.一种测量主动光电系统收发同轴的装置的同轴度标定方法，所述的测量主动光电系统收发同轴的装置由平行光管(1)、收发一体的焦面模块(2)、角锥棱镜(3)、被测主动光电系统(4)组成，由可更换光纤的激光器(2-3)在平行光管(1)焦点处出射信标光，出射光经过分光镜(2-1)后进入到平行光管(1)内产生平行光，平行光经过角锥棱镜(3)原路返回到平行光管(1)，在经过平行光管焦面处分光镜(2-1)反射到带有电脑的光束分析仪(2-2)上；
收发一体的焦面模块(2)放置于平行光管(1)的焦面处，被测主动光电系统(4)放置在平行光管(1)前，调节被测主动光电系统(4)的方位、俯仰角度，使得被测主动光电系统(4)中的激光发射系统(4-1)出射激光经过平行光管(1)后会聚于带有电脑的光束分析仪(2-2)的光敏面上，直至将激光发射系统(4-1)出射激光光斑调节到收发同轴点为止，开启可更换光纤的激光器(2-3)，激光经过平行光管(1)准直输出，此时激光发射系统(4-1)的发射光轴与平行光管(1)的出射光同轴，平行光管(1)产生的平行光经过被测主动光电系统(4)的接收系统(4-2)接收，其接收位置与理想位置的偏差即为收发同轴偏差；
其特征在于方法步骤如下：
1)收发一体的焦面模块(2)装配
1-1)利用设计好的结构将用于接收信号的带有电脑的光束分析仪(2-2)与可更换光纤的激光器(2-3)初步固定于分光镜(2-1)两侧，初步完成收发一体的焦面模块(2)的调节；
1-2)将初步完成的收发一体的焦面模块(2)放置于平行光管(1)焦面附近,开启可更换光纤的激光器(2-3)，并将角锥棱镜(3)放在平行光管(1)前方,通过带有电脑的光束分析仪(2-2)来观察角锥棱镜(3)的回转光斑在带有电脑的光束分析仪(2-2)上位置；
1-3)将角锥棱镜(3)放在平行光管(1)前方的不同位置,观察角锥棱镜(3)的回转光斑在带有电脑的光束分析仪(2-2)位置是否变化,如果位置发生变化,则调整可更换光纤的激光器(2-3)的光纤端面到分光镜(2-1)中心的距离；
1-4)通过反复调节,最终使得角锥棱镜(3)在平行光管(1)的不同出口位置时回波光斑位置不变,此时可更换光纤的激光器(2-3)的光纤端面与带有电脑的光束分析仪(2-2)的光敏面等距的分布于分光镜(2-1)两侧,完成收发一体的焦面模块(2)的调节；系统的最大变化量为Δ，则系统的收发同轴精度为：
其中：参数u为像点在光束分析仪上改变的相对位置，单位um，f为平行光管的焦距，单位m；
2)主动光电系统收发同轴标定
2-1)将调解完成的收发一体的焦面模块(2)初步放置于平行光管(1)的焦面处；
2-2)再将被测主动光电系统(4)放置在平行光管(1)前，调节被测主动光电系统(4)方位、俯仰角度，使得被测主动光电系统(4)中的发射系统(4-1)出射激光经过平行光管后会聚于光束分析仪(2-2)的光敏面上，直至将发射系统(4-1)出射激光光斑调节到收发同轴点为止；
2-3)开启可更换光纤的激光器(2-3)，激光经过平行光管(1)后准直输出，此时激光发射系统(4-1)的发射光轴与平行光管(1)的出射光同轴，平行光管(1)产生的平行光经过被测主动光电系统(4)的接收系统(4-2)接收，该成像点与被测主动光电系统(4)中的发射系统(4-1)出射激光光轴关系对应,其在接收系统(4-2)上的接收光斑位置与理想位置的偏差即为收发同轴偏差。
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