CN110966962A - 一种全天域激光平行度标校设备 - Google Patents

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刘廷霞
王伟国
姜润强
王鹤淇
刘阳
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Abstract

本发明实施例公开了一种全天域激光平行度标校设备。该全天域激光平行度标校设备包括：具有用于接收可见光而形成可见光图像的可见光成像部和用于接收红外光而形成红外图像的红外成像部的成像模块，设置在成像模块的前方且用于发出模拟空间飞行目标的平行光的平行光管模块，用于调整平行光管模块相对待检测光电设备的光路的旋转模块，用于调整标校设备相对待检测光电设备的相对高度的升降模块。该全天域激光平行度标校设备能够在室内完成激光武器激光轴与跟踪轴平行性的标校工作。

Description

一种全天域激光平行度标校设备
技术领域
本发明涉及光电探测的技术领域，具体涉及一种利用光学成像对光电设备的激光发射光轴与跟踪视轴进行全天域平行度标校设备。
背景技术
近年来，随着激光对抗武器的发展，对激光的跟踪和瞄准的精度要求越来越高。激光武器是一种定向能武器，利用强大的定向发射的激光束直接毁坏目标或使之失效。激光武器是一种利用高亮度强激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星或人员等目标的高技术新概念武器。为实现作战，激光武器必须能够精确瞄准运动目标，为此要采用光学跟踪系统。激光武器的光学跟踪系统一般配置红外跟踪探测器和可见探测器，为了对不同红外辐射目标的探测，同一激光武器要配置中波探测器和长波探测器。因此，要想精确跟踪瞄准目标，即做到激光武器“指哪打哪”，就必须标校跟踪轴与激光轴的平行性。目前，为了标校激光轴与跟踪轴的全天域的平行性，现有技术只能到外场找宽阔的场地来进行检测。室外进行激光轴与跟踪轴的全天域的平行性标校工作，不仅繁琐、占用空间大、实现难度大，而且还需进一步提高标校精度。
因此，针对室外进行激光轴与跟踪轴的全天域的平行性标校设备所存在的问题，有必要提出一种能够在室内完成激光武器激光轴与跟踪轴平行性标校工作的全天域标校的设备。
发明内容
针对室外进行激光轴与跟踪轴的全天域的平行性标校设备所存在的问题，有必要提出一种能够在室内完成激光武器激光轴与跟踪轴平行性标校工作的全天域标校的设备。本发明实施例所提供的一种全天域激光平行度标校设备利用激光能够通过光学镜头在探测器上成像的原理及通过平行光管模拟无穷远目标能在激光武器的跟踪探测器上的成像原理，从而有效地模拟全天域目标及进行激光平行度的标校。
该全天域激光平行度标校设备的具体方案如下：一种全天域激光平行度标校设备，包括：成像模块，包括用于接收可见光而形成可见光图像的可见光成像部和用于接收红外光而形成红外图像的红外成像部；平行光管模块，设置在所述成像模块的前方，用于发出模拟空间飞行目标的平行光；旋转模块，包括旋转臂、旋转轴以及设置在所述旋转臂上的多个反射镜，用于调整待检测光电设备相对所述平行光管模块的光路；升降模块，用于调整所述标校设备相对待检测光电设备的相对高度。
优选地，所述成像模块采用电动切换方式切换所述可见光成像部和所述红外成像部。
优选地，所述可见光成像部包括可见光成像单元和可见光镜头，所述红外成像部包括红外成像单元和红外镜头。
优选地，所述平行光管模块与所述成像模块之间设置衰减滤光片，所述衰减滤光片用于衰减激光的强度。
优选地，所述平行光管模块包括平行光管、设置在所述平行光管侧面的光源和第三反射镜。
优选地，所述平行光管模块的结构采用反射式卡塞格林系统。
优选地，所述设置在所述旋转臂上的多个反射镜包括第一反射镜和第二反射镜。
优选地，所述旋转模块还包括用于调节旋转轴角度的倾角调节电机。
优选地，所述升降模块包括升降机构导轨及丝杠、升降支撑机构和用于驱动所述丝杠升降的升降电机。
优选地，所述升降模块包括设置在底部的移动装置，所述移动装置包括定向轮和万向轮。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供一种全天域激光平行度标校设备根据激光发射特性及光电探测原理和旋转靶标模拟全天域目标的原理，采用红外和可见光两种探测器成像满足不同波段激光成像的需求，并通过电动切换的方式实现自动调整成像波段的功能。进一步地，本发明实施例提供的一种全天域激光平行度标校设备根据光学靶标模拟空间目标的原理，具有三个能改变光轴交点的调整环节，即用于调整旋转轴与水平面夹角的旋转轴、用于调整旋转臂高度的直线升降机构、用于移动标校设备的移动装置，从而达到方便地改变标校设备与被标校光电设备的位置关系。本发明实施例提供的一种全天域激光平行度标校设备结构简单且小巧，适合在室内进行标校。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种全天域激光平行度标校设备的设计原理示意图；
图2为图1所示实施例中原理的数学模型示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种全天域激光平行度标校设备的整体示意图；
图4为图3所示实施例中成像模块的切换结构示意图；
图5为图3所示实施例中光路及相关模块的示意图；
图6为图3所示实施例中衰减滤光片的结构及位置示意图；
图7为图3所示实施例中旋转模块的结构示意图。
附图中标号说明：
100、标校设备 200、被标校的设备 20、成像模块
30、平行光管模块 40、旋转模块 50、升降模块
1、第一反射镜 2、平行光管 3、第三反射镜
4、第二反射镜 5、红外光成像单元 6、可见光成像单元
7、光源 8、可见光镜头 9、红外镜头
10、红外衰减滤光片 11、可见光衰减滤光片 12、旋转臂
13、旋转轴 14、倾角调节电机 15、升降机构导轨及丝杠
16、升降支撑机构 17、升降电机 18、移动装置
19、固定装置
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种全天域激光平行度标校设备的设计原理示意图。本发明实施例中提供的一种全天域激光平行度标校设备利用光学靶标输出一个空间某一平面转动的信号；电机带动平行光管旋转，从而平行光管发出的平行光能够模拟空间飞行的目标；根据球面三角定理，可计算得出光学旋转靶标模拟空间目标的方位角与俯仰角公式。具体的计算数学模型，如图2所示。根据图1和图2所示，空间目标的方位角与俯仰角公式的具体表达式如公式1至公式3所示：
E＝sin-1(cos a sin b+sin a cos b cosθ) (公式1)
Figure BDA0001817362240000041
θ＝ωt (公式3)
其中，θ为光学旋转靶标的旋转臂旋转角度；a表示OT0与OT1之间的夹角，也称为锥角；b表示OT0与水平面的夹角，也称为倾角；A表示方位角；E表示俯仰角。
待标校的光电设备的视轴始终对准靶标T1出光点，随着靶标的转动而运动，任意时刻的位置由方位角A和俯仰角E表示。O点为待标校的光电设备的光轴交点。OT0为靶标旋转轴。OT0与水平面的夹角为b。靶标绕OT0轴旋转，T1为最高点。初始时刻靶标处于T1位置。
如图3所示，为本发明实施例中提供的一种全天域激光平行度标校设备的整体示意图。图3所示实施例是根据图1和图2所示的设计原理来设计的。在该实施例中，全天域激光平行度标校设备100包括：具有用于接收可见光而形成可见光图像的可见光成像部和用于接收红外光而形成红外图像的红外成像部的成像模块20，设置在成像模块20的前方且用于发出模拟空间飞行目标的平行光的平行光管模块30，包括旋转臂12、旋转轴13以及设置在旋转臂12上的多个反射镜的旋转模块40，旋转模块40用于调整待检测光电设备200相对所述平行光管模块30的光路，用于调整标校设备100相对待检测光电设备200的相对高度的升降模块50。
参照图5，可见光成像部包括可见光成像单元6和可见光镜头8，用于接收可见光而形成可见光图像。可见光成像单元6可以采用可见光成像CCD探测器，具体如采用型号为CVA50的CCD相机，该相机的像元尺寸为8.3μm×8.3μm，像素752×582。可见光镜头8采用1000mm焦距的镜头，脱靶量分辨率为1.6角秒。优选地，为了提高系统分辨率，设计采用像元16细分的方式，通过计算多个像元的灰度值，求得细分后的目标脱靶量信息，求得细分后的目标脱靶量数据,实现0.1″的分辨率精度。
红外成像部包括红外光成像单元5和红外镜头9，用于接收红外光而形成红外图像。红外光成像单元5可以采用红外成像探测器，具体如采用型号为Asi071的红外相机，像元尺寸为16μm×16μm，像素为384×288。红外镜头9采用100mm焦距红外镜头。
为了满足对不同波段激光成像的需求，成像模块20可以采用电动切换方式切换所述可见光成像部和所述红外成像部。通过采用电动切换CCD的方式将响应频段不同的CCD切入视场，实现自动调整成像波段的功能。如图4所示，本发明实施例中成像模块的切换结构示意图。图4分别显示了切换结构的四幅附图，从左至右及从上至下分别为主视图、左视图、俯视图和剖视图。在该实施例中，采用14HYB401-03电流型步进电机作为驱动元件；采用RENISHAW公司的RELA绝对式直线光栅尺作为位置反馈元件，分辨率为0.2μm；采用NSK丝杠，精度等级为C3，采用THKVR2-105x18Z，P级导轨，从而能够很好的保证CCD切换过程的直线精度，确保不会影响系统的成像质量。在该实施例中，电动切换CCD的系统的定位精度优于8μm。
参照图6所示，由于被测试激光光强较大，在平行光管模块30与成像模块20之间设置衰减滤光片，衰减滤光片用于衰减激光的强度。衰减滤光片具体包括红外衰减滤光片10和可见光衰减滤光片11。红外衰减滤光片10设置在平行光管模块30与红外成像部之间，可见光衰减滤光片11设置在平行光管模块30与可见光成像部之间。优选地，衰减滤光片为多档可调式，可根据激光信号的强度选择不同档位的衰减片。
继续参照图5，平行光管模块30包括平行光管2、设置在平行光管2侧面的光源7和第三反射镜3。在该实施例中，平行光管模块30的结构采用反射式卡塞格林系统。反射式卡塞格林系统将光源7装在平行光管2的侧面，通过分光棱镜(图中未示出)反射后将光反射到主光路中，通过三维调节机械调整光源的位置，使光源照射在反射式平行光管焦平面上放置的小孔光阑组件，出射平行性较高的平行光束。在具体实施例中，平行光束的精度为5″。其中，小孔光阑组件可以进行更换。光源7包括可见光光源和红外光光源，具体可以采用25W的溴钨灯，其工作波长的范围为0.38μm～15μm，采用直流电源12V，光源的能量可调。
为了让平行光管模块30和成像模块20相对位置保持不变地与旋转模块40或升降模块50进行连接。本发明实施例，还将平行光管模块30和成像模块20先固定在固定装置19中。如图3、图5和图6所示，固定装置19具体可以采用透明的立体装置。成像模块20和平行光管模块30通过螺栓等固定方式固定在固定装置19中的某一内表面上。
如图7所示，旋转模块40包括旋转臂12、旋转轴13以及设置在旋转臂12上的多个反射镜。在该实施例中，多个反射镜包括第一反射镜1和第二反射镜4。旋转臂12的材料采用高强度铸铝合金，在保证强度、刚度的前提下，采用轻量化设计制造技术。在具体实施例中，考虑长短臂两端静平衡及动平衡，旋转臂12的长度约为1250㎜，长度约为900mm。第一反射镜1、第二反射镜4和第三反射镜3反射镜的反射面的尺寸为110mm×140㎜，采用的材料为K9玻璃。K9玻璃的面形精度为0.0001mm，表面光洁度为Rz0.05μm。优选地，在K9玻璃的表面上镀保护膜，使可见光反射率达到98％，红外光反射率达到96％。
旋转轴13采用散装密珠轴系的结构设计。旋转轴13的主轴材料为GCr15SiMn，最大直径Φ220mm。旋转轴13的单件制造精度较高，不圆度、同轴度、垂直度等形位公差均在0.0015㎜，尺寸公差均在0.002㎜。旋转轴13的径向轴承环和轴向止推板也是重要件，其精度与主轴要求接近，钢球的等径差筛选至0.0002㎜。该轴系的支承跨度大约为500㎜，组装时采用微小过盈量(0.001左右)装配，保证回转刚度。在检测时，采用电感测微仪接触检测，用非接触光学准值法进行复检。
在该实施例中，旋转模块40还包括旋转臂倾角调节机构。在该实施例中，旋转臂12的倾角调节采用涡轮蜗杆结构形式。由于涡轮蜗杆形式具有自锁功能，即使在负载不平衡的状态下，也可以保证位置锁定，从而保证负载不用配重。蜗杆加工成圆弧形状，保证旋臂倾角沿圆弧中心旋转。涡轮采用铜制材料，蜗杆采用钢制材料，保证刚度和啮合精度。具体地控制方式通过电动角位移台WN04GA15和相应的运动控制器WNMPC07-100B来实现。
为了进一步实现自动化地调节，旋转模块40还包括用于调节旋转轴角度的倾角调节电机14。在具体实施例中，倾角调节电机14采用成都精密电机厂生产的LY系列永磁式直流力矩电机J160LYX06HA。倾角调节电机14直接与旋转轴13连接。旋转轴13的角度传感器采RENISHAW公司的DI80圆光栅，外径为104mm，共16384条线，采用400倍细分后，分辨率0.2″，精度σ≤1″。
升降模块50包括升降机构导轨及丝杠15、升降支撑机构16和用于驱动所述丝杠升降的升降电机17。优选地，升降模块50还包括设置在底部的移动装置18。移动装置18具体可包括定向轮和万向轮。
继续参照图3，在该实施例中，升降支撑机构16具体包括三根立柱，升降支撑机构16的两侧设有直线导轨。中间设置的丝杠与升降电机17直接相连，起传动作用。靶标的升降机构由交流电机、减速箱、丝杆丝母副组成，安装在底座上。升降模块50的总速比为i＝40，升降速度为400mm/min。导轨的上下端均有限位器，以防止设备失控导致出轨现象。当给220V交流电机通电后，靶标沿高度方向可升至2.5m，升降的高度值由线纹刻尺计量，线纹刻尺的分辨力为1mm，精度为0.5mm。
继续参照图3，在该实施例中，升降模块50的移动装置18具体包括可移动支撑座以及在可移动支撑座底部安装有四个轮子，前端为两个定向轮，后端为两个万向轮，每个轮子承载2000kg。支撑座调平后，四个轮子悬空。当支撑座调平机构降到一定高度时，支撑座调平机构悬空，四个轮子落地产生支撑，标校设备100依靠四个轮子可移动位置。
本发明实施例提供一种全天域激光平行度标校设备根据激光发射特性及光电探测原理和旋转靶标模拟全天域目标的原理，采用红外和可见光两种探测器成像满足不同波段激光成像的需求，并通过电动切换的方式实现自动调整成像波段的功能。
本发明实施例提供的一种全天域激光平行度标校设备根据光学靶标模拟空间目标的原理，具有三个能改变光轴交点的调整环节，即用于调整旋转轴与水平面夹角的旋转轴、用于调整旋转臂高度的直线升降机构、用于移动标校设备的移动装置，从而达到方便地改变标校设备与被标校光电设备的位置关系。
本发明实施例提供的一种全天域激光平行度标校设备结构简单且小巧，适合在室内进行标校。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述标校设备包括：
成像模块，包括用于接收可见光而形成可见光图像的可见光成像部和用于接收红外光而形成红外图像的红外成像部；
平行光管模块，设置在所述成像模块的前方，用于发出模拟空间飞行目标的平行光；
旋转模块，包括旋转臂、旋转轴以及设置在所述旋转臂上的多个反射镜，用于调整待检测光电设备相对所述平行光管模块的光路；
升降模块，用于调整所述标校设备相对待检测光电设备的相对高度。
2.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述成像模块采用电动切换方式切换所述可见光成像部和所述红外成像部。
3.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述可见光成像部包括可见光成像单元和可见光镜头，所述红外成像部包括红外成像单元和红外镜头。
4.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述平行光管模块与所述成像模块之间设置衰减滤光片，所述衰减滤光片用于衰减激光的强度。
5.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述平行光管模块包括平行光管、设置在所述平行光管侧面的光源和第三反射镜。
6.根据权利要求5所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述平行光管模块的结构采用反射式卡塞格林系统。
7.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述设置在所述旋转臂上的多个反射镜包括第一反射镜和第二反射镜。
8.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述旋转模块还包括用于调节旋转轴角度的倾角调节电机。
9.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述升降模块包括升降机构导轨及丝杠、升降支撑机构和用于驱动所述丝杠升降的升降电机。
10.根据权利要求1所述的一种全天域激光平行度标校设备，其特征在于，所述升降模块包括设置在底部的移动装置，所述移动装置包括定向轮和万向轮。
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