CN107884763A

CN107884763A - 一种光轴标校方法及装置

Info

Publication number: CN107884763A
Application number: CN201710940186.2A
Authority: CN
Inventors: 杜国军; 李旭; 廖志波; 肖正航; 穆生博; 阴刚华; 王聪; 贾馨; 刘源杰; 董欣
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: CN107884763B

Abstract

本发明公开了一种基于角镜和电动双光楔的光轴标校方法及装置，使用同侧横向迁移角镜将激光测距仪发射的激光束折转至与入射方向相反，利用电动双光楔接收折转后的激光束并用其扫描激光测距仪内部接收系统的探测器，根据电动双光楔转动角度和接收系统内的单像元探测器测得的能量值拟合得出激光发射机光轴和接收系统视轴的偏差，该光轴标校装置包括衰减装置，同侧横向迁移角镜，电动双光楔，数据采集系统及遮光筒，可实现热真空等特殊环境下光轴的高精度标校。

Description

一种光轴标校方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测距仪领域，尤其涉及一种适用于热真空等特殊环境的光轴标校方法及装置。

背景技术

星载激光测距仪主要用于探测目标和卫星本体之间的距离，自20世纪90年代以来，激光测距技术空间应用取得了重大进步。不完全统计，国际已发射的激光测距仪近20台套，对于星载激光测距仪来说，为减小噪声、提高探测效率，激光发射机发散角和接收镜头视场角都很小，为保证接收系统能有效接收到激光回波信号，要求接收系统视轴和激光发射光轴必须保证极高的平行度装调一致性。另外为了提高测量效率，激光测距仪由发展初期采用单波束探测发展到了采用多波数探测，也使得接收系统和发射系统的光轴平行度要求进一步提高。

现有的光轴标校装置结构如图1所示，主要包括分划板16、探测器15、半透半反镜14、平行光管13、半反半透镜12和反射镜，在平行光管13的焦面通过半反半透镜14设置共轭的光路，一路对应十字分划板16，一路对应CCD探测器15，在使用前通过光学标定方法将分划板16和CCD探测器15标定在平行光管13的焦面上，通过光源照明分划板16提供一个十字分划板的物，经过半反半透镜12和反射镜11反射后，用于测试接收系统的光轴，激光发射机的光束通过半反半透镜12入射，被平行光管收集后聚焦在CCD探测器15上，通过测试两者的偏差实现激光测距仪收发系统的平行度测试。此种标校装置体积大，带有外部光源，无法集成到密闭空间中，由于激光发射机的激光能量高，容易对人员和探测器造成损伤，尤其是在真空环境下，当接收系统的APD探测器工作时，即使激光发射机的10^-10量级的光进入APD探测器中，也会造成损伤，限制了此种装置的使用范围。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有激光光轴标校系统体积庞大，无法应用在热真空等封闭空间内的缺点，提出了一种高精度光轴标校方法及装置，解决现有系统的不足。

本发明的技术方案是：

一种光轴标校的方法的步骤如下：

1)发射激光束，衰减激光束的能量，利用第一平面镜和第二平面反射镜将激光束在水平面内折转，令折转后激光束光轴与折转前激光束光轴平行且方向相反；

2)用电动双光楔接收折转后的激光束并转动电动双光楔使激光束扫描外部接收系统；

3)采集接收系统内的探测器上测得的激光束光斑强度及该光斑对应的电动双光楔转动角度，计算得到接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差，完成标校。

计算接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差包括如下步骤：

A)转动电动双光楔让激光束扫描外部接收系统，使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为水平直线，计算光斑连线中心点对应电动双光楔的转动角度；

B)再次转动电动双光楔让激光束扫描外部接收系统，使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为竖直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，计算此次获得的光斑连线中心点对应电动双光楔的转动角度；

C)再次转动电动双光楔使激光束扫描外部接收系统，使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为水平直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，计算此次获得的光斑连线中心点对应电动双光楔的转动角度；

D)判断两次光斑水平直线中心点对应电动双光楔转动角度是否相同，若相同则该光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度即为接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差；若不相同，则重复步骤B)-C)直至前后两次光斑水平连线中心点对应的电动双光楔转动角度相同，则该光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度即为接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差，完成标校。

计算光斑连线中心点对应电动双光楔的转动角度的方法为：当探测器测得的2个光斑强度为探测器所测到光斑强度峰值的一半时，获得这2个光斑对应电动双光楔(23)转动角度(α1,β1)和(α2,β2)，则计算得到光斑连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度为

使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为直线的方法为：电动双光楔扫描探测器时保持电动双光楔偏转角度的合成矢量方向不变，改变合成矢量的大小；

所述使光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线的方法为：电动双光楔偏转角度的合成矢量须与上次扫描直线时的合成矢量的方向垂直，改变合成矢量的大小。

光轴标校装置包括衰减装置、同侧横向迁移角镜、电动双光楔和数据采集系统；衰减装置接收外部的激光发射机发射的激光束并衰减激光束的能量，同侧迁移角镜接收衰减后的激光束，将激光束在水平面内折转后发射给电动双光楔，折转时令发射给电动双光楔的激光束光轴与入射同侧迁移角镜的激光束光轴平行且方向相反；电动双光楔改变折转后激光束的出射角度；外部接收系统接收从电动双光楔出射的激光束，接收系统内部的探测器探测激光束光斑强度，数据采集系统采集探测器上探测得到的激光束光斑强度及该光斑对应的电动双光楔转动角度，并计算接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差，完成标校。

数据采集系统计算接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差的方法包括如下步骤：

E)转动电动双光楔让激光束扫描外部接收系统，使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为水平直线，数据采集系统计算光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度；

F)再次转动电动双光楔让激光束扫描外部接收系统，使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为竖直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，数据采集系统计算光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度；

G)再次转动电动双光楔让激光束扫描外部接收系统，使激光束打到接收系统内部探测器上的光斑连线为水平直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，计算此次获得的光斑连线中心点对应电动双光楔的转动角度；

H)判断前后两次光斑水平连线中心点对应电动双光楔转动角度是否相同，若相同则该光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度即为接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差；若不相同，则重复步骤F)-G)直至前后两次光斑水平连线中心点对应的电动双光楔转动角度相同，则该光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度即为接收系统视轴和激光发射机光轴之间的偏差，完成标校。

数据采集系统计算光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度的方法为：当探测器测得的个光斑强度为探测器所测到光斑强度峰值的一半时，获得这个光斑对应电动双光楔转动角度(α1,β1)和(α2,β2)，则计算得到光斑连线中心点对应电动双光楔转动角度为

同侧横向迁移角镜包含两个用机械结构固定连接的第一平面反射镜和第二平面反射镜，两个反射镜镜面法线互相垂直；第一平面反射镜接收外部入射的激光束，并将激光束反射给第二平面反射镜，第二平面反射镜将激光束反射到外部。

第一平面反射镜中心点和第二平面反射镜中心点间的距离等于接收系统视轴和激光发射机光轴之间的理论距离。

光轴标校装置还包括遮光筒，遮光筒把衰减装置、同侧横向迁移角镜、电动双光楔和激光束的光路封闭

本发明与现有技术相比有益效果是：

(1)本发明提出了一种全新的高精度光轴标校装置，抛弃传统的平行光管焦面设置共轭光路的方法，而采用高精度的同侧横向迁移角镜实现光轴标校，缩小了系统的体积。

(2)相对于现有的系统，本系统不加入新的光源和探测器，通过激光发射机的光源测试接收系统的视轴，通过在光路中引入电动双光楔，测试得出激光发射机和接收系统的光轴偏差。

(3)由于传统的系统只能工作在开放空间，容易损伤人员和光电器件，本系统可封闭在密闭管路中，无高强激光外泄的风险，是一种既能在大气环境下工作，又能在热真空等封闭环境下工作的高精度光轴标校方法。

附图说明

图1是现有光轴标校装置结构示意图；

图2是本发明的一种光轴标校装置示意图；

图3是同侧横向迁移角镜示意图；

图4是电动双光楔示意图；

图5是电动双光楔偏转角度矢量合成示意图；

图6是单像元探测器接测得的光斑示意图；

图7是电动双光楔扫描原理示意图；

图8是电动双光楔转动角度和探测器测得的光斑强度分布图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的光轴标校装置包括5部分，分别为衰减装置21，同侧横向迁移角镜22，电动双光楔23，遮光筒24和数据采集系统25。在标校时，待标校的激光测距仪26和本发明装置保持固定无相对位移。激光测距仪26内的激光发射机27发射激光光束111，激光的波长为近红外波段，激光能量的峰值功率可达到几百兆瓦量级，如果直接出射会对试验人员，光学器件以及探测器30带来损伤，且超出探测器30能探测接收的能量范围，因此激光发射机27发射的激光束111首先进入衰减装置21内，衰减装置21衰减激光束111的能量，衰减后的激光能量在接收系统28的响应范围内。激光束111衰减后进入同侧横向迁移角镜22中，同侧迁移角镜22将激光束111在水平面内折转，令折转后激光束112的光轴与折转前激光束111的光轴平行且方向相反。电动双光楔23接收激光束112，当电动双光楔23在零位时，从电动双光楔23出射的光束方向和激光发射机27光轴平行，即激光发射机27光轴对应电动双光楔23的水平方向和竖直方向的角度值均为零。当电动双光楔23转动时，激光束112的角度随之变化，数据采集系统25记录电动双光楔23转动角度，变化角度后的激光束112进入激光测距仪26的接收系统28内，由接收系统28内的探测器30接收，数据采集系统25记录接收系统28中探测器30测得的激光束112的光斑强度，数据采集系统25根据电动双光楔23转动角度和探测器30上强度变化之间的对应关系，计算出接收系统28视轴和激光发射机27光轴之间的偏差。

如图3所示，同侧横向迁移角镜22包含第一平面反射镜222和第二平面反射镜223，反射镜222和第二平面反射镜223用机械结构211固定连接，第一平面反射镜222和第二平面反射镜223的镜面法线互相垂直，第一平面反射镜222接收外部入射的激光束，并将激光束反射给第二平面反射镜223，第二平面反射镜223将接收到的激光束反射到外部。第一平面反射镜222中心点和第二平面反射镜223中心点间的距离等于接收系统28视轴和激光发射机27光轴之间的理论距离，入射第一平面反射镜222的激光束和第二平面反射镜223反射的激光束在水平面内平行，且方向相差180度。

如图4所示，电动双光楔23包括结构框232，电动控制光楔233，电动控制光楔234，电动控制光楔233和电动控制光楔234转动改变出射光角度，扫描接收系统28的视轴。电动双光楔23偏转角度矢量合成示意图如图5所示，电动控制光楔233和电动控制光楔234分别偏转一个角度，当调整电动控制光楔233偏转角度矢量为241，调整电动控制光楔234偏转角度矢量为242，则合成矢量为251。合成矢量的方向决定激光束112偏差角的方位，合成矢量的大小决定激光束112的偏差角的大小，可根据需要组合出任意偏转角度实现对接收系统28视轴的扫描。

如图6所示，接收系统28的探测器30为单像元探测器，整个探测器30的可分辨光斑的最小角度为160″，而激光测距仪26收发激光光路的平行度偏差精度要求优于5″，所以接收系统28的探测器30只能观察激光发射机27发射出的激光束112的光斑是否位于接收视场内，无法精确测量激光发射机27光轴和接收系统28视轴之间平行度偏差。激光发射机27发射出的激光束112在接收系统28内的光斑为31，32，33和34，实际光斑32和光斑34之间的差值已达到130″，但接收系统28却无法测试出实际偏差，因为接收系统28的单像元探测器30只能区分出160″的差别，即只能识别激光发射机27的光斑是否位于接收系统28的探测器30内。

本发明的高精度光轴标校方法扫描原理示意图如图7所示，探测器30上接收到的激光发射机27发射的光斑位于411位置，转动电动双光楔23让激光束扫描外部接收系统，扫描时保持合成矢量的方向不变，改变其大小，使接收系统28内部探测器30探测得到的光斑连线为水平直线41，激光发射机27的光斑分别落在411至414位置，探测器30边缘处的光斑412和光斑413测得的光斑强度为探测器30所测到得的光斑强度峰值的一半，光斑411对应的电动双光楔23转动角度为(α1,β1)，光斑414对应的电动双光楔23转动角度为(α2,β2)，进而得到此次水平直线的中心点对应电动双光楔23转动角度再次转动电动双光楔23让激光束扫描外部接收系统28，使激光束打到接收系统28内部探测器30上的光斑连线垂直于上一步中得到的水平直线41，且过水平直线41的中心点，即电动双光楔23扫描的合成矢量须与上次扫描水平直线41时合成矢量的方向垂直，改变其大小，得到与水平直线41正交的竖直线43，此时位于探测器30边缘处的2个光斑对应电动双光楔23转动角度为(α3,β3)和(α4,β4)，则此次竖直线43的中心点对应电动双光楔23转动角度为再次转动电动双光楔23让激光束扫描外部接收系统28，使激光束打到接收系统28内部探测器30上的光斑连线垂直于上一步中得到的竖直线43，且过竖直线43的中心点，即电动双光楔23扫描的合成矢量须与上次扫描水平直线时合成矢量的方向垂直，改变其大小，得到与竖直线43正交的水平直线42，此时位于探测器30边缘处的2个光斑对应电动双光楔23转动角度为(α5,β5)和(α6,β6)，则此次水平直线42的中心点对应电动双光楔23转动角度为对比和是否相等，如果相等，则接收系统28视轴水平方向角度值和竖直方向角度值分别为和即为接收系统28视轴和激光发射机27光轴之间的偏差值，标校结束。如果不相等，电动双光楔23对探测器30继续扫描互相垂直的光斑直线，直到前后两次扫描到的水平直线的中心点对应电动双光楔23转动角度值一致，标校结束。为了提高测量精度可以采用多次测量取平均值的方法提高测量精度。此种方法简便，大大提高了光轴的标校精度。

如图8所示，为电动双光楔23转动角度和探测器30测得的光斑强度分布图，采集点的密度可根据需要增减，当采集密度越高时，系统的测量精度越高，再通过对曲线的上升沿和下降沿进行差值拟合，进一步提高测量精度。

以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种光轴标校的方法，其特征在于步骤如下：

1)发射激光束，衰减激光束的能量，利用第一平面镜(222)和第二平面反射镜(223)将激光束在水平面内折转至与折转前的激光束光轴平行且方向相反；

2)用电动双光楔(23)接收折转后的激光束，转动电动双光楔(23)使激光束扫描外部接收系统(28)；

3)采集接收系统(28)内探测器(30)上测得的激光束光斑强度及该光斑对应电动双光楔(23)的转动角度，计算接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差，完成标校。

2.根据权利要求1所述的一种光轴标校的方法，其特征在于：所述计算接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差包括如下步骤：

A)转动电动双光楔(23)让激光束扫描外部接收系统(28)，使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为水平直线，计算光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度；

B)再次转动电动双光楔(23)让激光束扫描外部接收系统(28)，使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为竖直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，计算此次获得的光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度；

C)再次转动电动双光楔(23)让激光束扫描外部接收系统(28)，使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为水平直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，计算此次获得的光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度；

D)判断前后两次光斑水平直线中心点对应电动双光楔(23)转动角度是否相同，若相同则该光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度即为接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差；若不相同，则重复步骤B)-C)直至前后两次获得的光斑水平连线中心点对应的电动双光楔(23)转动角度相同，则该光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度即为接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差，完成标校。

3.根据权利要求2所述的一种光轴标校方法，其特征在于：所述计算光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度的方法为：当探测器(30)测得的2个光斑强度为探测器(30)所测到光斑强度峰值的一半时，获得这2个光斑对应电动双光楔(23)转动角度(α1,β1)和(α2,β2)，则计算得到光斑连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度为

4.根据权利要求2或3所述的一种光轴标校方法，其特征在于：

所述使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为直线的方法为：电动双光楔(23)扫描探测器(30)时保持电动双光楔(23)偏转角度的合成矢量方向不变，改变合成矢量的大小；

所述使光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线的方法为：电动双光楔(23)偏转角度的合成矢量须与上次扫描直线时的合成矢量的方向垂直，改变合成矢量的大小。

5.一种光轴标校装置，其特征在于：包括衰减装置(21)、同侧横向迁移角镜(22)、电动双光楔(23)和数据采集系统(25)；衰减装置(21)接收外部的激光发射机(27)发射的激光束并衰减激光束能量，同侧迁移角镜(22)接收衰减后的激光束，将激光束在水平面内折转后发射给电动双光楔(23)，折转时令发射给电动双光楔(23)的激光束光轴与入射进同侧迁移角镜(22)的激光束光轴平行且方向相反；电动双光楔(23)改变折转后激光束的出射角度；外部接收系统(28)接收从电动双光楔(23)出射的激光束，接收系统(28)内部的探测器(30)探测激光束光斑强度，数据采集系统(25)采集探测器(30)上探测得到的激光束光斑强度及该光斑对应的电动双光楔(23)转动角度，并计算接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差，完成标校。

6.根据权利要求5所述的一种光轴标校装置，其特征在于：所述数据采集系统(25)计算接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差的方法包括如下步骤：

E)转动电动双光楔(23)让激光束扫描外部接收系统(28)，使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为水平直线，数据采集系统(25)计算光斑连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度；

F)再次转动电动双光楔(23)让激光束扫描外部接收系统(28)，使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为竖直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，数据采集系统(25)计算光斑连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度；

G)再次转动电动双光楔(23)让激光束扫描外部接收系统(28)，使激光束打到接收系统(28)内部探测器(30)上的光斑连线为水平直线，并且光斑连线垂直于上一次获得的光斑连线且过上一次获得的光斑连线中心点，计算此次获得的光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度；

H)判断前后两次光斑水平连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度是否相同，若相同则该光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度即为接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差；若不相同，则重复步骤F)-G)直至前后两次获得的光斑水平连线中心点对应的电动双光楔(23)转动角度相同，则该光斑连线中心点对应电动双光楔(23)的转动角度即为接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的偏差，完成标校。

7.根据权利要求6所述的一种光轴标校装置，其特征在于：所述数据采集系统(25)计算光斑连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度的方法为：当探测器(30)测得的2个光斑强度为探测器(30)所测到光斑强度峰值的一半时，获得这2个光斑对应电动双光楔(23)转动角度(α1,β1)和(α2,β2)，则计算得到光斑连线中心点对应电动双光楔(23)转动角度为

8.根据权利要求6所述的一种光轴标校装置，其特征在于：所述同侧横向迁移角镜(22)包含两个用机械结构(211)固定连接的第一平面反射镜(222)和第二平面反射镜(223)，两个反射镜镜面法线互相垂直；第一平面反射镜(222)接收外部入射的激光束，并将激光束反射给第二平面反射镜(223)，第二平面反射镜(223)将接收到的激光束反射到外部。

9.根据权利要求8所述的一种光轴标校装置，其特征在于：第一平面反射镜(222)中心点和第二平面反射镜(223)中心点间的距离等于接收系统(28)视轴和激光发射机(27)光轴之间的理论距离。

10.根据权利要求5-7任意所述一种光轴标校装置，其特征在于：还包括遮光筒(24)，遮光筒(24)把衰减装置(21)、同侧横向迁移角镜(22)、电动双光楔(23)和激光束的光路封闭。