CN112781497B - 一种视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，过程为：建立入射透镜坐标系、位敏传感器PSD理想像面坐标系、PSD实际像面坐标系，记激光光束中心在透镜入射点A，经透镜成像于理想像面点A′，入射方位角和俯仰角为φ、θ，确定A与A′向量表达式，并计算PSD实际像面坐标系下直线AA′与PSD实际像面坐标系的交点A″坐标；确定A点坐标与入射角度、快调反射镜镜面与入射透镜距离L的关系式，确定安装误差变量和交点A″坐标式；控制快调反射镜组件进行行程内步进扫描，测量记录PSD输出值，当扫描点数大于6时，代入A″点坐标式，求得平动和转动安装误差真值，指导机械标校装调。本发明标校精度更高，标校便捷，工程应用性强。

Description

一种视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法

技术领域

本发明属于光电侦察监视技术领域，涉及一种光电系统中位敏传感器(PSD)装调误差的一种标定消除方法，可提高测量精度，保证光电系统视轴线的稳定，适用于采用参考光稳定修正技术的光电系统。

背景技术

机载光电系统为克服系统内光学零部件的相对抖动，进一步提升视轴线稳定精度，采用了基于参考光稳定修正技术，因此在光电系统内嵌入了一套基于PSD参考光自准直测量修正系统。位置敏感传感器PSD测量光学零部件的相对抖动，由快调反射镜组件响应PSD测量值补偿转动，实现视轴线更高精度的稳定。由于本光电系统使用的参考光束直径小于PSD聚焦光学入射口径，因此PSD离焦误差、倾斜误差等安装误差均会影响测量精度，需要进行高精度标定和消除。机械标校方法对标校条件和设备有要求，因此难以实现系统集成后较高精度的标定。

专利申请号为US6653611B2，名称为“Comparison of Wide-Band Inertial Lineof Sight Stabilization Reference Mechanizations”公开了一种光电系统用视轴线参考光稳定修正技术，但并未指明所用光斑位置敏感传感器名称，也未介绍该传感器安装和标定方法。专利申请号 CN201811499407.8，“一种多波长共孔径激光收发光机装置”公开了一种激光通讯装置，涉及的基于PSD的信标光测量系统与本发明应用场景类似，但文中并未介绍标定及误差消除方法。专利申请号 CN201811161547.4和专利申请号CN201910807972.4介绍的标定拟合方法与本发明应用领域不同，方法也不同

《光电技术应用》中“PSD安装倾斜误差对光斑定位影响的研究”文献作者尚鸿雁，针对入射光能量为高斯分布时，PSD安装倾斜影响光斑定位的问题，建立了光斑定位畸变误差数学模型，并进行了仿真分析。与本发明针对的问题及解决办法不相关。

以上文献均涉及基于PSD自准直测量系统领域，但均未关注平动误差对系统测量精度的影响，仅通过简单与被测目标间标定拟合，标定精度有限，本发明在详细分析误差来源的基础上，采用机械标校和数学标校相结合的方式实现更高精度的标校，保证PSD测量系统测量精度，本方法具有较强的通用性，易于工程实现。相关工作具有较强的创新性及工程实用价值，具有申请专利保护的必要。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，用以消除PSD传感器的安装误差，实现更高精度的测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，其包括以下步骤：

步骤1：建立入射透镜坐标系、PSD理想像面坐标系、PSD实际像面坐标系，记激光光束中心在透镜入射点A，经透镜成像于理想像面点A′，激光入射的方位角和俯仰角分别为φ、θ，确定PSD理想像面坐标系和PSD实际像面坐标系下点A与点A′之间向量的表达式，并计算PSD实际像面坐标系下直线AA′与PSD实际像面坐标系中竖直面的交点A″坐标；

步骤2：确定激光束入射点坐标位置值与入射角度、快调反射镜镜面与入射透镜的距离L的关系式，确定安装误差变量，进一步确定交点A″坐标表达式；控制快调反射镜组件进行行程内的步进扫描，测量记录PSD输出值，当扫描点数大于6时，代入A″点坐标表达式，求得平动安装误差和转动安装误差真值；

步骤3：根据步骤2计算结果，指导机械标校装调。

其中，还包括步骤4：在步骤3结束后，忽略安装误差影响，对于无法机械消除的装调误差，代入A″点表达式，根据PSD实际测量值、以及激光束的入射角度实际值，求得装调误差，进行控制消除。

其中，所述步骤1中，建立坐标系时，以透镜中心为原点，建立入射透镜坐标系o-x_ly_lz_l，相应建立o-x_iy_iz_i为PSD理想像面坐标系，入射透镜坐标系和PSD理想像面坐标系的y向同轴，o-x_py_pz_p为PSD 实际像面坐标系。

其中，所述步骤1中，PSD实际像面相对理想像面存在平移和旋转误差，用三个平动量(x_ass,y_ass,z_ass)^T和三个转动量(α,β,γ)^T描述；假设激光光束中心在透镜入射点A的坐标为

激光入射的方位角和俯仰角分别为φ、θ，透镜焦距为f′，经透镜成像于理想像面点A′，通过坐标变换解算出误差的表达式；

在o-x_iy_iz_i坐标系下，点A坐标为

向量

为：

根据坐标变换，在o-x_py_pz_p坐标系下点A′的坐标为：

在o-x_py_pz_p坐标系下向量

表达式为：

在o-x_py_pz_p坐标系下直线AA′的方程为：

直线AA′与平面x_poz_p的交点A″为：

A″点坐标值

用PSD像面平动安装误差(x_ass,y_ass,z_ass)^T、转动安装误差(α,β,γ)^T、激光入射的方位角和俯仰角φ、θ、激光入射点位置

和透镜焦距f′来表示，同时通过PSD探测器方位和俯仰两轴的输出得到真值。

其中，所述步骤1中，PSD像面平动安装误差和转动安装误差为变量，激光入射的方位角和俯仰角φ、θ通过控制快调反射镜组件运动进行改变，透镜焦距值为定值。

其中，所述步骤2中，激光束输入的方位角和俯仰角φ、θ与快调反射镜组件实际输出之间存在一个固定比例系数，激光束入射点坐标位置值与入射角度、快调反射镜镜面与入射透镜的距离L有关，确定为：

由此可得

表达式中存在6个安装误差变量，忽略α、γ的影响，令α＝γ＝0，则A″点表示为：

简化为：

式中k＝f′-y_ass、a＝f′²tanθsinφ、b＝L*tanφ、c＝f′²tanθcosφ、 d＝L*tanθ的值由θ、φ值确定，e、g为PSD输出测量值；

由上式确定，x_ass和z_ass误差对测量结果的影响始终保持不变；

控制快调反射镜组件进行行程内的步进扫描，步进命令为 (φ₁,φ₂…φ_n)，(θ₁,θ₂…θ_n)，测量记录PSD输出值，得到(A″₁,A″₂…A″_n)，当扫描点数大于6时，代入A″点坐标表达式，即可求的平动安装误差(x_ass,y_ass,z_ass)^T和转动安装误差β真值。

其中，所述步骤3中，对于安装误差x_ass、z_ass及β引起的误差为固定值，标校至最优，对于安装误差y_ass机械标校至最小可接受值以内。

其中，所述步骤4中，对于无法机械消除的装调误差Δx_ass、Δz_ass及Δβ，代入A″点表达式的形式为：

(三)有益效果

上述技术方案所提供的视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，标校精度更高，可消除机械标校无法消除的误差，实现更高精度的测量；标校便捷，工程应用性强，不用新增外部标校设备，只需要在伺服调试前控制快调反射镜组件进行步进运动，采集数据，代入解算公式，即可准确得到装调误差。

附图说明

图1是入射参考激光束、入射透镜坐标系、理想安装靶面坐标系和实际靶面位置坐标系的示意图。

图2是经本方法标校后，快调反射镜组件进行步进扫描，光斑在 PSD靶面落点位置曲线图，其中红点为实际点，蓝点为理想点，边缘位置的误差来源于PSD探测器自身非线性。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

基于PSD参考光自准直测量修正系统由：参考信标光激光器、相应的光学器件组成的光路、快调反射镜组件、PSD探测器及解算控制电路及软件组成。在本测量系统中，希望PSD探测器能够准确敏感到参考信标光束的角度变化，而对信标光束的平动不敏感，但是一些无法避免的安装误差的存在，造成PSD对光束的平动也会有输出变化，影响测量精度。

本发明视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，适用于采用自准直参考光稳定修正技术的光电系统，该系统包括参考激光束、自准直光路、光路内快调反射镜组件、相应的光学组件及位敏传感器 PSD等，具体实施步骤如下：

步骤1：标校消除光学机械安装误差之前，本发明首先建立了坐标系，如附图1所示，图中o-x_ly_lz_l为入射透镜坐标系，o-x_iy_iz_i为PSD理想像面坐标系，o-x_py_pz_p为PSD实际像面坐标系，PSD实际探测面相对理想像面存在平移和旋转误差，可用三个平动量 (x_ass,y_ass,z_ass)^T和三个转动量(α,β,γ)^T描述。假设激光光束中心在透镜入射点A的坐标为

激光入射的方位角和俯仰角分别为φ、θ，透镜焦距为f′，经透镜成像于理想像面点A′，通过坐标变换解算出误差的表达式；

在o-x_iy_iz_i坐标系下，点A坐标为

向量

为：

根据坐标变换，在o-x_py_pz_p坐标系下点A′的坐标为：

在o-x_py_pz_p坐标系下向量

表达式为：

在o-x_py_pz_p坐标系下直线AA′的方程为：

直线AA′与平面x_poz_p的交点A″为：

显然A″点坐标值

可用PSD像面平动安装误差 (x_ass,y_ass,z_ass)^T、转动安装误差(α,β,γ)^T、激光入射的方位角和俯仰角分别为φ、θ、激光入射点位置

和透镜焦距f′来表示，同时也可通过PSD探测器方位和俯仰两轴的输出得到真值。其中平动和转动安装误差为变量，激光入射的方位角和俯仰角φ、θ可通过控制快调反射镜组件运动进行改变，透镜焦距值为定值。

步骤2：激光束输入的方位角和俯仰角φ、θ与快调反射镜组件实际输出之间还会存在一个固定比例系数，而激光束入射点坐标位置值与入射角度，及快调反射镜镜面与入射透镜的距离L有关，可确定为：

由此可得

表达式中存在6个安装误差变量，控制快调反射镜组件进行行程内的步进扫描，步进命令为(φ₁,φ₂…φ_n)， (θ₁,θ₂…θ_n)，测量记录PSD输出值，得到(A″₁,A″₂…A″_n)，当扫描点数大于6时，代入A″点坐标表达式，即可求的平动安装误差 (x_ass,y_ass,z_ass)^T和转动安装误差(α,β,γ)^T真值。

本实施例中，例举f′＝60mm，L＝400mm，φ、θ实际需要运动范围±1°，考虑PSD传感器边缘区域线性度略差，因此标定计算时，φ、θ变化范围设置在±1mrad内。实际加工装调水平得出α、γ的倾斜安装转角误差不大于0.64°，根据单个安装误差对测量误差的影响权重，计算得出旋转安装误差角α、γ实际造成的测量误差小于 0.07μm，远小于探测器的测量误差，为减小计算难度可选择忽略α、γ的影响，令α＝γ＝0。

则A″点可表表示为：

可简化为：

式中k＝f′-y_ass、a＝f′²tanθsinφ、b＝L*tanφ、c＝f′²tanθcosφ、 d＝L*tanθ的值可由θ、φ值确定，e、g为PSD输出测量值。由上式可确定，x_ass和z_ass误差对测量结果的影响始终保持不变。

式中首先φ分别在(-1，-0.6，-0.3，-0.1，0，0.1，0.3，0.6，1) mrad范围内取一值，保持固定，θ按照0.01mrad的步长全范围内进行步进扫描，实时采集PSD输出值；同理θ分别在(-1，-0.6，-0.3， -0.1，0，0.1，0.3，0.6，1)mrad范围内取一值，保持固定，φ按照0.01mrad的步长全范围内进行步进扫描，实时采集PSD输出值。根据以上输入输出数据集可求得对应装调误差。

步骤3：根据步骤2计算结果，指导机械标校装调，对于安装误差x_ass、z_ass及β引起的误差为固定值，可尽量标校至最优，对于安装误差y_ass必须机械标校至最小可接受值以内。

本实施例中，y_ass可机械标校至0.01mm以内，满足使用需求。

步骤4：在步骤3结束后，可忽略y_ass误差影响，对于无法机械消除的装调误差Δx_ass、Δz_ass及Δβ，可代入A″点表达式：

可根据PSD实际测量值e、g，以及激光束的入射角度实际值θ、φ，求得装调误差Δx_ass、Δz_ass及Δβ，进行控制消除。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立入射透镜坐标系、PSD理想像面坐标系、PSD实际像面坐标系，记激光光束中心在透镜入射点A，经透镜成像于理想像面点A′，激光入射的方位角和俯仰角分别为φ、θ，确定PSD理想像面坐标系和PSD实际像面坐标系下点A与点A′之间向量的表达式，并计算PSD实际像面坐标系下直线AA′与PSD实际像面坐标系的交点A″坐标；

步骤2：确定激光束入射点坐标位置值与入射角度、快调反射镜镜面与入射透镜的距离L的关系式，确定安装误差变量，进一步确定交点A″坐标表达式；控制快调反射镜组件进行行程内的步进扫描，测量记录PSD输出值，当扫描点数大于6时，代入A″点坐标表达式，求得平动安装误差和转动安装误差真值；

步骤3：根据步骤2计算结果，指导机械标校装调；

步骤4：在步骤3结束后，对于无法机械消除的装调误差真值，作为定值代入A″点表达式，得到PSD实际测量值与激光束的入射角度关系式，该关系式可实时解算，实现安装误差数学消除；

所述步骤1中，建立坐标系时，以透镜中心为原点，建立入射透镜坐标系o-x_ly_lz_l，相应建立o-x_iy_iz_i为PSD理想像面坐标系，入射透镜坐标系和PSD理想像面坐标系的y向同轴，o-x_py_pz_p为PSD实际像面坐标系；

所述步骤1中，PSD实际像面相对理想像面存在平移和旋转误差，用三个平动量(x_ass,y_ass,z_ass)^T和三个转动量(α,β,γ)^T描述；假设激光光束中心在透镜入射点A的坐标为

激光入射的方位角和俯仰角分别为φ、θ，透镜焦距为f′，经透镜成像于理想像面点A′，通过坐标变换解算出误差的表达式；

在o-x_iy_iz_i坐标系下，点A坐标为

向量

为：

根据坐标变换，在o-x_py_pz_p坐标系下点A′的坐标为：

在o-x_py_pz_p坐标系下向量

表达式为：

在o-x_py_pz_p坐标系下直线AA′的方程为：

直线AA′与平面x_poz_p的交点A″为：

A″点坐标值

用PSD像面平动安装误差(x_ass,y_ass,z_ass)^T、转动安装误差(α,β,γ)^T激光入射的方位角和俯仰角φ、θ、激光入射点位置

和透镜焦距f′来表示，同时通过PSD探测器方位和俯仰两轴的输出得到真值；

所述步骤1中，PSD像面平动安装误差和转动安装误差为变量，激光入射的方位角和俯仰角φ、θ通过控制快调反射镜组件运动进行改变，透镜焦距值为定值；

所述步骤2中，激光束输入的方位角和俯仰角φ、θ与快调反射镜组件实际输出之间存在一个固定比例系数，激光束入射点坐标位置值与入射角度、快调反射镜镜面与入射透镜的距离L有关，确定为：

由此可得

表达式中存在6个安装误差变量，忽略α、γ的影响，令α＝γ＝0，则A″点表示为：

简化为：

式中k＝f′-y_ass、a＝f′²tanθsinφ、b＝L*tanφ、c＝f′²tanθcosφ、d＝L*tanθ的值由θ、φ值确定，e、g为PSD输出测量值；

由上式确定，x_ass和z_ass误差对测量结果的影响始终保持不变；

控制快调反射镜组件进行行程内的步进扫描，步进命令为(φ₁,φ₂…φ_n)，(θ₁,θ₂…θ_n)，测量记录PSD输出值，得到(A″₁,A″₂…A″_n)，当扫描点数大于6时，代入A″点坐标表达式，即可求得平动安装误差(x_ass,y_ass,z_ass)^T和转动安装误差β真值。

2.如权利要求1所述的视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，其特征在于，所述步骤3中，对于安装误差x_ass、z_ass及β引起的误差为固定值，标校至最优，对于安装误差y_ass机械标校至最小可接受值以内。

3.如权利要求2所述的视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法，其特征在于，所述步骤4中，对于无法机械消除的装调误差Δx_ass、Δz_ass及Δβ，代入A″点表达式的形式为：

4.如权利要求1-3中任一项所述的视轴线高精度稳定系统安装误差的消除方法在光电侦察监视技术领域中的应用。

Images