CN107991506A - 一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置及测试方法，由空心圆柱固定架、CMOS相机、线激光器组和控制系统组成，利用被测量物——摆镜本身能够反射激光的特性，通过布置圆环型线激光器组，用CMOS相机和图像采集卡采集摆镜反射光线的数字图像信号，根据数字图像信号得到高精度的摆镜旋转角速度。其扫描均匀性测量精度可达到3×10^‑5，较现有测试方法精度得到大幅提升。

Description

一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置及测试方法

技术领域

本发明属于测试摆镜扫描速度和均匀性的装置，涉及一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置及测试方法。

背景技术

侦察类光电产品在进行大范围对地观测时，通过扫描摆镜的快速旋转，实现对广域内场景的实时快速成像。扫描摆镜在高速旋转时，其扫描均匀性对成像质量起到至关重要的作用。目前对高速旋转摆镜的测试方法主要有码盘自测试法和转台动态跟踪法两种。采用码盘自测试法，需要实现对扫描摆镜的码盘机构进行计量标定，再通过其输出数据直接进行测试，测试过程繁琐，且属于环路内自测试法，不具有严格的说明性。转台动态跟踪法是将摆镜放置于转台的回转中心，通过转台和摆镜的同步运动，测出摆镜的扫描均匀性，其测试精度只能达到3×10^-3左右，难以满足高精度测试需求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置及测试方法。

技术方案

一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置，其特征在于包括空心圆柱固定架1、多个线激光器3和CMOS相机4；多个线激光器3均匀设置在空心圆柱固定架1的圆周上，线激光器3的发射端指向圆周中心，CMOS相机4固定于空心圆柱固定架1的边缘，且光轴中心指向圆周中心；使用时，被测摆镜置于的空心圆柱固定架1的圆周中心，且旋转中心与圆周中心相重合。

所述多个线激光器3为20～36个。

一种利用所述测试摆镜扫描速度和均匀性的装置进行测试的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将被测摆镜置于的空心圆柱固定架1的圆周中心，且旋转中心与圆周中心相重合；

步骤2：多个线激光器3同时向被测摆镜发射激光光束，激光束指向摆镜中心线；CMOS相机捕获摆镜相机捕获摆镜被测反射的激光信号；

被测摆镜以角旋转速度ω进行旋转，t₀为旋转的起始时间，θ₀为摆镜初始姿态角度；所述角旋转速度ω为60°/s～200°/s；

步骤3：根据CMOS相机的水平分辨率P、镜头焦距M、帧频f、镜头的视场角β，计算被测摆镜在单帧内旋转的角度：

步骤4：根据反射激光线扫过光学镜头的时间t，以及被测摆镜在单帧内旋转的角度α，得到被测摆镜的扫描速度：

步骤5、计算被测摆镜扫描的均匀性：重复步骤分别步骤2～步骤4，计算出每个线激光器发射激光光束时分别计算出摆镜扫描速度ω_i，根据得被测摆镜扫描的均匀性，其中：为每个线激光器扫过时测量的扫描速度的平均值，

有益效果

本发明提出的一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置及测试方法，由空心圆柱固定架、CMOS相机、线激光器组和控制系统组成，利用被测量物——摆镜本身能够反射激光的特性，通过布置圆环型线激光器组，用CMOS相机和图像采集卡采集摆镜反射光线的数字图像信号，根据数字图像信号得到高精度的摆镜旋转角速度。其扫描均匀性测量精度可达到3×10^-5，较现有测试方法精度得到大幅提升。

附图说明

图1：摆镜扫描速度和均匀性测试装置组成图

图2：工作流程图

1、空心圆柱固定架；2、摆镜；3、线激光器；4、CMOS相机；5、CMOS相机固定板；6、控制系统；7、线激光光束。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

摆镜扫描速度和均匀性测试装置由空心圆柱固定架、CMOS相机、线激光器组和控制系统组成。该装置的核心部分为CMOS相机和线激光器组的组合方式，利用被测量物本身能够反射激光，用CMOS相机和图像采集卡采集摆镜反射光线的数字图像信号，根据数字图像信号得到高精度的摆镜旋转角速度，代替了传统的角速度传感器，使得对角速度的测量精度得到近10倍提升。同时线激光器组通过空心圆柱固定架对被测量物进行准确定心，使得对扫描速度和均匀性的测试范围由传统的±5°范围提升到全向360°范围。

利用被测量物本身能够反射激光，同时CMOS相机可利用其高帧频采样率，对激光光斑移动轨迹进行采样，根据数字图像信号得到高精度的摆镜旋转角速度，代替了传统的角速度传感器，使得对角速度的测量精度得到近10倍提升。

利用空心圆柱固定架将线激光器组在标准圆环上进行固定，测试状态时将被测摆镜放置中心，通过观察激光光斑是否重合，可快速、准确实现定心工作。同时摆镜在旋转过程中，线激光组依次发射线激光光束，在整个全向360°范围内，CMOS相机总能接收到激光信号，因此可对摆镜在全向范围内的扫描速度和均匀性进行测试。

如图1所示，摆镜扫描速度和均匀性测试装置由空心圆柱固定架、CMOS相机、线激光器组等组成。工作流程图如图2所示，具体工作流程如下：

1)系统初始化：电源给控制系统供电，控制系统通过电源模块为线激光器组和CMOS相机供电，摆镜准备转动；

2)线激光器组发射激光光束，激光束指向摆镜中心线；

3)CMOS相机捕获摆镜相机捕获摆镜反射的激光信号(线激光器组共发射20束激光信号，在任意时间点，有且仅一束激光信号任意时间点，有且仅一束激光信号被CMOS相机捕获到)并传输到图像采集卡上，图像采集卡将图像数字信号发送给实时操作系统RTX；

4)摆镜开始转动时，会将同步的时间信号t₀和摆镜初始姿态信号θ₀发送给实时操作系统RTX(同步信号由摆镜系统方提供)。RTX在没有接收到同步信号的情况下不进行工作，在不进行工作，在不进行工作，在不进行工作，在不进行工作，在接收到同步信号后开始信号后开始信号后开始读取图像采集卡回来的图像回来的图像回来的图像数字信号，并调用图像处理软件对数据进行；

5)经过图像处理，解算出摆镜在任意时间段内的转动角速度。

6)摆镜停止转动时，发送终止信号给RTX，图像采集卡采集到的图像数据不再发生变化，控制系统停止工作。

该装置相较于传统的扫描均匀性测试装置，其测量精度可达到3×10^-5，精度提升近10倍。其具体设计过程如下：

设激光反射光线的半径为R(mm)；CMOS相机的水平分辨率为P，CMOS相机的帧频为f；镜头焦距为M(mm)，镜头有效弦长为L(mm)，镜头的视场角为β(°)，反射激光光束入射镜头的最大角度和最小角度的差值为α(°)。为保证精度，最大限度的利用CMOS相机的水平分辨率，在设计时需有α＝β。

摆镜的旋转角速度范围为60°/s～200°/s。当摆镜以60°/s～200°/s的角速度旋转时，根据光的反射原理，激光在镜面的反射光线的旋转角速度为120°/s～400°/s。设摆镜的旋转角速度为ω(°/s)，反射激光线扫过光学镜头的时间为t(s)。

则为满足在t时间内CMOS能捕获到可识别的激光扫描信号，需有：

可知选取CMOS相机最小帧频为：

为了在图像处理过程中能够精确的分析计算出CMOS相机捕获激光光束的光斑中心线位置，需要采集足够的帧频。设系数N，N<P，令

N值的选取与图像处理过程有关。现取N＝2，可得：

设摆镜旋转角度误差为Δω＝3*ω×10^-5(°)，则反射激光的旋转角度误差为2*Δω，反射激光的旋转角度误差2*Δω要大于等于单位像元所对应的视场角：

得

β≤2*Δω*P (8)

由式5和α＝β可知视场角选取范围：

取ω＝60°/s，得视场角范围为：

取ω＝200°/s，得视场角范围为：

为了得到有效的β值，需有：

得N*f≥1.111111×10⁵hz。本装置中CMOS线阵相机帧频为148Khz，故可实现3×10^-5的扫描均匀性测试精度。

根据反射激光线扫过光学镜头的时间t，以及被测摆镜在单帧内旋转的角度α，得到被测摆镜的扫描速度：

计算被测摆镜扫描的均匀性：重复步骤分别步骤2～步骤4，计算出每个线激光器发射激光光束时分别计算出摆镜扫描速度ω_i，根据得被测摆镜扫描的均匀性，其中：为每个线激光器扫过时测量的扫描速度的平均值，

Claims (3)

1.一种测试摆镜扫描速度和均匀性的装置，其特征在于包括空心圆柱固定架(1)、多个线激光器(3)和CMOS相机(4)；多个线激光器3均匀设置在空心圆柱固定架(1)的圆周上，线激光器(3)的发射端指向圆周中心，CMOS相机(4)固定于空心圆柱固定架(1)的边缘，且光轴中心指向圆周中心；使用时，被测摆镜置于的空心圆柱固定架(1)的圆周中心，且旋转中心与圆周中心相重合。

2.根据权利要求1所述测试摆镜扫描速度和均匀性的装置，其特征在于：所述多个线激光器(3)为20～36个。

3.一种利用权利要求1或2所述测试摆镜扫描速度和均匀性的装置进行测试的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将被测摆镜置于的空心圆柱固定架(1)的圆周中心，且旋转中心与圆周中心相重合；

步骤2：多个线激光器(3)同时向被测摆镜发射激光光束，激光束指向摆镜中心线；CMOS相机捕获摆镜相机捕获摆镜被测反射的激光信号；

被测摆镜以角旋转速度ω进行旋转，t₀为旋转的起始时间，θ₀为摆镜初始姿态角度；所述角旋转速度ω为60°/s～200°/s；

步骤3：根据CMOS相机的水平分辨率P、镜头焦距M、帧频f、镜头的视场角β，计算被测摆镜在单帧内旋转的角度：

<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

步骤4：根据反射激光线扫过光学镜头的时间t，以及被测摆镜在单帧内旋转的角度α，得到被测摆镜的扫描速度：

<mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>t</mi> </mfrac> </mrow>

步骤5、计算被测摆镜扫描的均匀性：重复步骤分别步骤2～步骤4，计算出每个线激光器发射激光光束时分别计算出摆镜扫描速度ω_i，根据得被测摆镜扫描的均匀性，其中：为每个线激光器扫过时测量的扫描速度的平均值，