CN110794385A - 一种激光器零重力指向的评估方法及系统 - Google Patents

一种激光器零重力指向的评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种激光器零重力指向的评估方法及系统，包括(1)搭建测试光路；(2)打开测试激光器及基准光纤激光器，使二者光斑都显示在CCD成像焦面上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离；(3)计算测试激光器出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；(4)将测试激光器上下翻转180°倒置安装，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离；(5)计算测试激光器翻转后的出光光轴指向；(6)计算零重力下测试激光器出光光轴指向；(7)进行多次测量，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。该评估方法及系统解决了测试中不能评估星上指向状态的问题，测试原理及数据处理过程简单，不包含仿真分析及计算误差。

Description

一种激光器零重力指向的评估方法及系统
技术领域
本发明属于星载激光测距仪测试领域，涉及一种激光器出射光束光轴的零重力指向的评估方法，可用于星载激光测距仪设计、装调、测试过程中激光器光轴指向偏转的获取。
背景技术
星载激光测距仪需要在地面重力的环境中完成安装、光学装调和测试，而其在轨工作环境为微重力环境。这种环境条件的天地不一致性，会导致激光器出光光轴的指向发生一定的变化。
对于这一问题可以通过两种途径解决：1)地面测试评估零重力环境中激光出光光轴指向；2)在轨期间进行标定。目前国内学者的研究多集中于在轨期间的标定上。相关专利包括CN201610458680李松等的发明专利《一种基于指向角残差的星载激光测高仪指向角系统误差标定方法》，或者CN201710259896唐新明等的发明专利《基于金字塔搜索地形匹配的星载激光在轨指向检校方法》。在轨期间的激光指向标定需要提取激光数据和地形数据，对这些数据进行建模和计算。仅依赖该种方法对数据传输及计算有较高的要求。且标定后很可能需要相关机构对光轴进行调整，如果地面设计、测试阶段没有较好的评估方法，该调整机构的调整范围较难确定，不利于系统功能、性能的保证。
目前对于地面的光轴指向标定有较多的方法，诸如经纬仪指向标定方法，具体可见CN201110460957李春艳等的发明专利《一种星敏感器探头组合体光轴指向标定方法》。以及平行光管法、五棱镜法等，具体测试方法可见李晓春的硕士学位论文《基于焦面扫描的激光接收光学系统光轴标定方法研究》。这些方法虽然具备高精度及工程应用适应性，但是现在的测试方法仅适用于地面重力条件下的指向测试，不能评估微重力条件下的指向偏转，对于星载激光器的性能评价并不完全适用，目前暂无用于激光器零重力指向评估的测试方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种激光器零重力指向的评估方法及系统，其能在重力环境下通过测试和相应计算抵消重力对激光器光轴指向的影响，从而实现激光器的零重力指向评估，可以显著提高星载激光测距仪地面测试的精度。
本发明所采用的技术方案是：
一种激光器零重力指向的评估方法，步骤如下：
(1)搭建测试光路，测试光路包括测试激光器(1)、基准光纤激光器(2)、平行光管(3)和CCD成像焦面(4)；
(2)打开测试激光器(1)及基准光纤激光器(2)，使二者光斑都显示在CCD成像焦面(4)上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0；
(3)计算测试激光器(1)出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；
(4)将测试激光器(1)上下翻转180°倒置安装，重复步骤(2)，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离Δt180、Δh180；
(5)计算测试激光器(1)翻转后的出光光轴的指向；
(6)计算零重力下测试激光器(1)出光光轴的指向；
(7)重复步骤(1)-(6)，进行多次测量，计算测试激光器(1)出光光轴的俯仰角与方位角，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。
进一步的，所述测试光路中，测试激光器(1)和基准光纤激光器(2)固定在光学平台上，发射的激光通过平行光管(3)最终在CCD成像焦面(4)上成像，测试激光器(1)和基准光纤激光器(2)发出的激光平行。
进一步的，所述步骤(2)测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0，是在焦面测量坐标系中进行，该坐标系中，以基准光纤激光器(2)在CCD成像焦面(4)的光斑质心为原点，焦面像素与地面平行的一条边为X轴，与该条边垂直的另一条像素边为Y轴。
进一步的，步骤(3)计算测试激光器(1)出光光轴的俯仰角和方位角，具体位置：
俯仰角
Figure BDA0002239620750000031
方位角
其中，f为平行光管的焦距。
进一步的，步骤(5)中测试激光器(1)翻转后的出光光轴的指向具体为：
俯仰角
Figure BDA0002239620750000033
方位角
Figure BDA0002239620750000034
进一步的，步骤(6)中计算零重力下测试激光器(1)出光光轴的指向，具体为：
俯仰角
Figure BDA0002239620750000035
方位角
进一步的，最终的零重力指向评估结果为：
Figure BDA0002239620750000037
其中，为最终的俯仰角评估结果，
Figure BDA00022396207500000310
为最终的方位角评估结果，n为测试的次数。
进一步的，本发明还提出一种激光器零重力指向评估系统，包括：
测试光路构建模块：搭建测试光路，测试光路包括测试激光器、基准光纤激光器、平行光管和CCD成像焦面；测试激光器和基准光纤激光器固定在光学平台上，发射的激光通过平行光管最终在CCD成像焦面上成像；
光斑质心距离测量模块：打开测试激光器及基准光纤激光器，使二者光斑都显示在CCD成像焦面上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0；
出光光轴指向第一测量模块：计算测试激光器出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；
出光光轴指向第二测量模块：将测试激光器上下翻转180°倒置安装，重复步骤，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离Δt180、Δh180；计算测试激光器翻转后的出光光轴的指向；
零重力出光光轴指向测量模块：计算零重力下测试激光器出光光轴的指向；重复进行多次测量，计算测试激光器出光光轴的俯仰角与方位角，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明零重力激光器光轴指向的评估方法利用了有限元理论进行推导，通过激光器不同安装状态中物理量的相对关系，剔除了重力的影响，利用较为简单的数据处理方法即可获得零重力激光器光轴的指向。
(2)常规方法零重力指向依赖仿真计算，计算过程较为复杂，过程涉及较多仿真及拟合的计算误差，最终精度较低。本发明方法测试原理及数据处理过程简单，不包含仿真分析及计算误差，测试精度较高；数据处理方面多次测量可以互相检验避免粗大误差，通过数据平均处理可以进一步减小测试误差。
(3)常规方法零重力指向测试仿真计算存在主观因素，采用不同的仿真方法结果存在差异；本发明方法采用客观的测试设备、流程及数据处理方法，没有主观以及调整因素，并且多次测量可以相互印证，符合空间应用对可靠性的要求。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为本发明方法中的测试原理图；
图3为本发明方法测试时CCD焦面上光斑质心的相对位置关系示意图。
具体实施方式
本发明提出一种激光器零重力指向的评估方法及系统，通过有限元理论推倒出零重力指向的算法，利用光学装调设备及仪器搭建光学测试系统对测试激光器进行多次翻转，根据推倒算法及数据处理可以实现地面重力环境下对星上零重力环境下激光器零重力指向的评估。该评估方法及系统解决了测试中不能评估星上指向状态的问题，测试原理及数据处理过程简单，不包含仿真分析及计算误差。
具体的，如图1所示，本发明提出的一种激光器零重力指向的评估方法，步骤如下：
(1)搭建测试光路，测试光路包括测试激光器1、基准光纤激光器2、平行光管3和CCD成像焦面4；所述测试光路中，测试激光器1和基准光纤激光器2固定在光学平台上，发射的激光通过平行光管3最终在CCD成像焦面4上成像，测试激光器1和基准光纤激光器2发出的激光平行。
平行光管的焦距会影响测试的精度，因此宜选用焦距≥5m的平行光管。为保证测试精度，CCD成像焦面的测量精度应优于10μm。固定两台激光器位置，实验过程中两台激光器的相对位置不能发生变化。调整CCD成像焦面的位置，将其置于平行光管的最佳焦面位置上。
(2)打开测试激光器1及基准光纤激光器2，使二者光斑都显示在CCD成像焦面4上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0；
光斑质心的提取的算法可以使用阈值法。设定CCD成像焦面的探测阈值下限，在X轴、Y轴方向分别上寻找超过阈值的临界像元，这些像元就组成了光斑的边界，在这些边界像元中分别提取在X轴上的最大值Xmax，最小值Xmin，在Y轴上的最大值Ymax，最小值Ymin。这样，光斑的质心坐标则为：
Figure BDA0002239620750000061
测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0，是在焦面测量坐标系中进行，该坐标系中，以基准光纤激光器2在CCD成像焦面4的光斑质心为原点，焦面像素与地面平行的一条边为X轴，与该条边垂直的另一条像素边为Y轴。
(3)计算测试激光器1出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；
具体为：
俯仰角
Figure BDA0002239620750000062
方位角
Figure BDA0002239620750000063
其中，f为平行光管的焦距。
(4)将测试激光器1上下翻转180°倒置安装，重复步骤(2)，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离Δt180、Δh180；
(5)计算测试激光器1翻转后的出光光轴的指向；
具体为：
俯仰角
方位角
Figure BDA0002239620750000065
(6)计算零重力下测试激光器1出光光轴的指向；
具体为：
俯仰角
Figure BDA0002239620750000066
方位角
Figure BDA0002239620750000067
以上零重力指向的算法作为激光器零重力指向的评估中的核心，上述公式的原理如下：
地面测试阶段，激光器光轴指向的偏转可分为由重力引起的偏转和非重力因素引起的偏转，可将两个测试状态的指向俯仰角和方位角进行分解，在0°安装状态，激光器光轴的俯仰角和方位角可分别表示为：
θt0＝θTt+θGt0；
θh0＝θTh+θGh0。
在180°安装状态，激光器光轴的俯仰角角和方位角可分别表示为：
θt180＝θTt+θGt180；
θh180＝θTh+θGh180。
其中，θTt和θTh是非重力因素引起的俯仰角和方位角变化，与0°与180°的翻转状态无关，θGt和θGh是重力引起的俯仰角和方位角变化，会随着激光器的翻转发生变化。
利用有限理论进行进一步推导，若其只受到重力和支撑力的作用，对于激光器这个三维实体，其上存在若干有限元节点，则存在：
KΔX＝F。
其中，K——刚度矩阵；
ΔX——激光器上各节点偏离理想位置的位移矩阵；
F——各节点所受到的节点力矩阵。
在0°安装状态时，相应的存在：
KΔX0＝F0＝Fg+Fm。
其中，Fg——节点力的重力分量；
Fm——节点力的支撑力分量。
在180°安装状态时，相应的存在：
KΔX180＝F180＝-Fg-Fm
由此可知，ΔX180＝-ΔX0。
则两种状态时光轴的俯仰角与方位角是相反的，即
θGt180＝-θGt0
θGh180＝-θGh0
将以上两个公式带入到计算0°及180°俯仰角与方位角的计算公式中，即可推导出激光器零重力指向俯仰角与方位角的算法公式。
(7)重复步骤(1)-(6)，进行多次测量，计算测试激光器1出光光轴的俯仰角与方位角，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。
最终的零重力指向评估结果为：
Figure BDA0002239620750000081
Figure BDA0002239620750000082
其中，
Figure BDA0002239620750000083
为最终的俯仰角评估结果，
Figure BDA0002239620750000084
为最终的方位角评估结果，n为测试的次数。
进一步的，本发明还提出一种激光器零重力指向评估系统，包括：
测试光路构建模块：搭建测试光路，测试光路包括测试激光器1、基准光纤激光器2、平行光管3和CCD成像焦面4；测试激光器1和基准光纤激光器2固定在光学平台上，发射的激光通过平行光管3最终在CCD成像焦面4上成像；
光斑质心距离测量模块：打开测试激光器1及基准光纤激光器2，使二者光斑都显示在CCD成像焦面4上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0；
出光光轴指向第一测量模块：计算测试激光器1出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；
出光光轴指向第二测量模块：将测试激光器1上下翻转180°倒置安装，重复步骤2，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离Δt180、Δh180；计算测试激光器1翻转后的出光光轴的指向；
零重力出光光轴指向测量模块：计算零重力下测试激光器1出光光轴的指向；重复进行多次测量，计算测试激光器1出光光轴的俯仰角与方位角，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。
根据本激光器零重力指向的评估方法及系统，进行了以下测试，测试结果如下表所示：
表1某激光器零重力指向测试结果
Figure BDA0002239620750000091
从结果中可以看到，三次测试的结果从量级上是较为一致的，并且数值精度主要靠设备精度保证，当设备精度满足要求时可达到预期的测试精度。对比现在普遍使用的仿真计算方法结果通常依赖仿真人员的经验和理解的情况，本评估方法及系统有更高的稳定性和精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于步骤如下：
(1)搭建测试光路，测试光路包括测试激光器(1)、基准光纤激光器(2)、平行光管(3)和CCD成像焦面(4)；
(2)打开测试激光器(1)及基准光纤激光器(2)，使二者光斑都显示在CCD成像焦面(4)上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0；
(3)计算测试激光器(1)出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；
(4)将测试激光器(1)上下翻转180°倒置安装，重复步骤(2)，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离Δt180、Δh180；
(5)计算测试激光器(1)翻转后的出光光轴的指向；
(6)计算零重力下测试激光器(1)出光光轴的指向；
(7)重复步骤(1)-(6)，进行多次测量，计算测试激光器(1)出光光轴的俯仰角与方位角，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。
2.根据权利要求1所述的一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于：所述测试光路中，测试激光器(1)和基准光纤激光器(2)固定在光学平台上，发射的激光通过平行光管(3)最终在CCD成像焦面(4)上成像，测试激光器(1)和基准光纤激光器(2)发出的激光平行。
3.根据权利要求1所述的一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于：所述步骤(2)测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0，是在焦面测量坐标系中进行，该坐标系中，以基准光纤激光器(2)在CCD成像焦面(4)的光斑质心为原点，焦面像素与地面平行的一条边为X轴，与该条边垂直的另一条像素边为Y轴。
4.根据权利要求3所述的一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于：步骤(3)计算测试激光器(1)出光光轴的俯仰角和方位角，具体位置：
俯仰角
Figure FDA0002239620740000021
方位角
Figure FDA0002239620740000022
其中，f为平行光管的焦距。
5.根据权利要求4所述的一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于：步骤(5)中测试激光器(1)翻转后的出光光轴的指向具体为：
俯仰角
Figure FDA0002239620740000023
方位角
6.根据权利要求5所述的一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于：步骤(6)中计算零重力下测试激光器(1)出光光轴的指向，具体为：
俯仰角
Figure FDA0002239620740000025
方位角
7.根据权利要求1所述的一种激光器零重力指向的评估方法，其特征在于：最终的零重力指向评估结果为：
Figure FDA0002239620740000027
Figure FDA0002239620740000028
其中，
Figure FDA0002239620740000029
为最终的俯仰角评估结果，为最终的方位角评估结果，n为测试的次数。
8.一种根据权利要求1所述的激光器零重力指向评估方法实现的评估系统，其特征在于包括：
测试光路构建模块：搭建测试光路，测试光路包括测试激光器(1)、基准光纤激光器(2)、平行光管(3)和CCD成像焦面(4)；测试激光器(1)和基准光纤激光器(2)固定在光学平台上，发射的激光通过平行光管(3)最终在CCD成像焦面(4)上成像；
光斑质心距离测量模块：打开测试激光器(1)及基准光纤激光器(2)，使二者光斑都显示在CCD成像焦面(4)上，确定两光斑的质心，并分别测量二者质心在X轴及Y轴的相对距离Δt0、Δh0；
出光光轴指向第一测量模块：计算测试激光器(1)出光光轴的指向，即俯仰角和方位角；
出光光轴指向第二测量模块：将测试激光器(1)上下翻转180°倒置安装，重复步骤(2)，分别测量两个激光器的光斑质心在X轴和Y轴的相对距离Δt180、Δh180；计算测试激光器(1)翻转后的出光光轴的指向；
零重力出光光轴指向测量模块：计算零重力下测试激光器(1)出光光轴的指向；重复进行多次测量，计算测试激光器(1)出光光轴的俯仰角与方位角，将平均值作为最终的零重力指向评估结果。
9.根据权利要求8所述的激光器零重力指向评估系统，其特征在于：
计算测试激光器(1)出光光轴的俯仰角和方位角，具体位置：
俯仰角
方位角
Figure FDA0002239620740000032
其中，f为平行光管的焦距；
测试激光器(1)翻转后的出光光轴的指向具体为：
俯仰角
Figure FDA0002239620740000033
方位角
Figure FDA0002239620740000034
10.根据权利要求8所述的激光器零重力指向的评估系统，其特征在于：计算零重力下测试激光器(1)出光光轴的指向，具体为：
俯仰角
Figure FDA0002239620740000035
方位角
Figure FDA0002239620740000036
最终的零重力指向评估结果为：
俯仰角
Figure FDA0002239620740000037
方位角
Figure FDA0002239620740000041
n为测试的次数。
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