CN112985775A - 基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置 - Google Patents

基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置 Download PDF

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马世伟
高玮
张佳
韩耀锋
陈文建
侯风乾
郭俊超
武强
吕祥
毕博瑞
刘芳
段园园
谷衡
李龙骧
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Xian institute of Applied Optics
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02Testing optical properties
    • G01M11/0221Testing optical properties by determining the optical axis or position of lenses

Abstract

本发明公开了一种基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,包括:多波段激光器、积分球、平行光管,放置到精密光学平台上,多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管的含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;光斑跟踪器,放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使光斑跟踪器与激光光轴一致;电动精密调校台放置于精密光学平台上;控制台,驱动定量调整电动精密调校台水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同理论值进行比对、标定,最终完成光斑跟踪器的定位信息的标定。本发明校准精度高,适用范围广。

Description

基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置
技术领域
本发明属于光电检测技术领域,涉及一种基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置。
背景技术
光斑跟踪器是一个激光接收系统,用于接收照射器指示目标的激光漫反射回波,当激光回波进入光斑跟踪器的接收视场后,经模拟电路处理、数字电路采集计算后给出目标的方位、俯仰信息,然后将带有该信息的符号投射到一个瞄具或显示器上,通过和背景图像的叠加,在图像上可以直观的观察到被照射目标的位置。美国AH-64阿帕奇直升机和A/OA-10固定翼飞机为早在十年前就装备了光斑跟踪器,而在国内该研究方向还处于科研阶段,主要技术障碍在于光斑跟踪器的调校缺乏精确的测试手段。光斑跟踪器的主要指标是探测距离和定位精度,探测距离目前可以通过理论计算和室外试验进行验证,而定位精度的标定是一个长期的过程,必须在实验室内建立一个测试平台,不断改进系统的各项参数,修改系统的定位因子,才能提高系统的测角定位精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提高光斑跟踪器的测角定位精度,针对光斑跟踪器的调校缺乏精确的测试手段问题,提出一种精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,通过设置多波段复合光源,模拟战场环境下被照射目标的激光回波,借助精密基准调整接收视轴与安装基准面的平行度,采用定量偏置入射光与接收轴的夹角,获取测角精度和修正补偿的测试和检验功能,使光斑跟踪器的性能得到改进。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种一种基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,包括:
多波段激光器、积分球、平行光管,放置到精密光学平台上,多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管的含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;
光斑跟踪器,放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使光斑跟踪器与激光光轴一致;电动精密调校台放置于精密光学平台上;
控制台,驱动定量调整电动精密调校台水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同理论值进行比对、标定,最终完成光斑跟踪器的定位信息的标定。
本发明还提供一种基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准方法,其包括以下步骤:
步骤一,将多波段激光器、四象限探测器、采样示波器固定在精密光学平台上;多波段激光器发射的小直径激光束对准四象限探测器的四个象限,四象限探测器将光信号转化为电信号,标准放大器将电信号放大至满足后级处理的程度,采样示波器检测四个象限的输出电压;用标准四象限探测器和标准放大器对装置进行标定,然后分别对需要标定的四象限探测器的四个通道和放大器的四路放大电路的一致性进行标定,得到的标定数据用于后期数据修正;
步骤二,多波段激光器、积分球、平行光管放置到精密光学平台上,调整平行光管的位置使其适应于多波段激光器;多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管的含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;将四象限探测器和标准放大器放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使四象限探测器与激光光轴一致;经标准镜头的会聚作用在四象限探测器表面形成特定大小的光斑,通过电动精密调校台调整光斑偏离探测器的中心位置,能够分析不同偏离量所引起的测角数值的变化;利用三维直线移动平台前后移动标准镜头,微动和精确设置标准镜头与四象限探测器之间的相对距离,使光斑大小发生变化,即可完成光斑大小与测角精度之间关系的分析,为光斑跟踪器内核心器件四象限探测器的安装和调校提供参考数据;
步骤三,将多波段激光器、积分球、平行光管放置到精密光学平台上,多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;将光斑跟踪器放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使光斑跟踪器与激光光轴一致,通过控制台驱动定量调整电动精密调校台水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同步骤二中的数据以及理论值进行比对,参考步骤一得到的数据对数据进行修正,完成光斑跟踪器的定位信息的标定和校准。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,用于机载光斑跟踪器的光轴校准和比例因子的标定,通过设置多波段复合光源,模拟战场环境下被照射目标的激光回波,借助精密基准调整接收视轴与安装基面的平行度,为完成与电视瞄准轴的校准奠定基础;采用定量偏置入射光与接收轴的夹角,获取测角解算的非线性误差,为系统修正提供依据;该装置也将用于测角精度和修正补偿的效果;该装置不但在科研阶段发挥调试和评估作用,而且在产品交验和维护时发挥测试和检验功能。
附图说明
图1是四象限探测元件和放大器评估原理示意图:
1-光纤;2-光端机卡具;3-四象限探测器;4-标准放大器;5-采样示波器;6-探测器卡具;7-多波段激光器;8-精密光学平台。
图2是光斑会聚与测角验证原理示意图:
3-四象限探测器;4-标准放大器;5-采样示波器;7-多波段激光器;8-精密光学平台;9-积分球;10-平行光管;11-标准镜头;12-高速摄像机;13-电动精密调校台;14-显示器;15-操控台;16屏蔽玻璃箱。
图3是测角精度检验及标度因子测试原理示意图:
5-采样示波器;7-多波段激光器;8-精密光学平台;9-积分球;10-平行光管;13-电动精密调校台;14-显示器;15-操控台;16屏蔽玻璃箱;17-光斑跟踪器。
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。
图1所示为评估光斑跟踪器的四象限探测器和四路放大器的一致性原理示意图。首先将多波段激光器7、光端机卡具2、四象限探测器3、采样示波器5、探测器卡具6固定在精密光学平台8上;然后多波段激光器7的光纤头通过光端机卡具2将小直径激光束对准四象限探测器3的四个象限,四象限探测器3将光信号转化为电信号,标准放大器4将电信号放大至满足后级处理的程度,采样示波器5检测四个象限的输出电压。此过程采用标准的四象限探测器3和标准放大器4标定装置各个环节,然后分别验证被测四象限探测器3和被测标准放大器4,对被测四象限探测器3和被测标准放大器4的一致性进行标定,可用不同波长、重复率、能量验证其综合效果。
图2所示为光斑会聚与测角验证原理示意图。首先将多波段激光器7、积分球9、平行光管10放置到精密光学平台上,调整平行光管10的位置使其适应于多波段激光器7;多波段激光器7发射口对准积分球9的入射口,平行光管10的含毛玻璃的小孔对准积分球9的出射口,平行光管10输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波。将四象限探测器3和标准放大器4放置于电动精密调校台13上,调整电动精密调校台13使四象限探测器3与激光光轴一致。经标准镜头11的会聚作用在四象限探测器3表面形成特定大小的光斑,通过电动精密调校台13调整光斑偏离探测器的中心位置,能够分析不同偏离量所引起的测角数值的变化;利用三维直线移动平台前后移动标准镜头11,微动和精确设置标准镜头11与四象限探测器3之间的相对距离,使光斑大小发生变化,即可完成光斑大小与测角精度之间关系的分析,为四象限探测器3测角功能的检验提供依据。在该系统中,由于光源采用的有人眼不可见的近红外光束,为了测量会聚光斑的大小,方便光束调整和定位四象限探测器3的安装位置,采用高速摄像机12探测,配以CCD直接观测光斑大小。对整套装置进行防杂光处理,在系统的外侧制作屏蔽玻璃箱16,并在屏蔽玻璃箱16外遮盖遮光帘,使整套系统不受外界背景光的影响。
图3所示为光斑跟踪器测角精度检验及标度因子测试原理示意图。首先将多波段激光器7、积分球9、平行光管10放置到精密光学平台8上,调整平行光管10的位置使其适应于多波段激光器7。多波段激光器7发射口对准积分球9的入射口,平行光管10的含毛玻璃的小孔对准积分球9的出射口,平行光管10输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波。将光斑跟踪器17放置于电动精密调校台13上,调整电动精密调校台13使光斑跟踪器4与激光光轴一致。对整套装置进行防杂光处理,即在整套系统的外侧制作屏蔽玻璃箱16,并在屏蔽玻璃箱16外遮盖遮光帘,使整套系统不受外界背景光的影响。通过控制台15驱动定量调整电动精密调校台13水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同理论值进行比对、标定,最终完成光斑跟踪器14的定位信息的标定。同理,通过更换光源,得到对应不同波长的定位因子;也可更换不同的光学系统,为后期不同距离、视场角的接收系统建立模型,满足后期针对不同平台的产品快速定型。该平台也可用于多元探测器的平衡标定,为系统补偿提供依据。
本实施例光斑跟踪器光轴校准方法,包括以下步骤:
步骤一,将所需设备按照图1布局,首先用标准四象限探测器和标准放大器对装置进行标定,然后分别对需要标定的四象限探测器的四个通道和放大器的四路放大电路的一致性进行标定,可用不同波长、重复率、能量验证其综合效果。该步骤得到的标定数据用于后期数据修正;
步骤二,将所需设备按照图2布局,通过电动精密调校台13调整光斑偏离探测器的中心位置,能够分析不同偏离量所引起的测角数值的变化;利用三维直线移动平台精确设置标准镜头11与四象限探测器3之间的相对距离,使光斑大小发生变化,可完成光斑大小与测角精度之间关系的分析,为光斑跟踪器内核心器件四象限探测器的安装和调校提供参考数据;
步骤三,将所需设备按照图3布局,通过控制台15驱动定量调整电动精密调校台13水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同步骤二中的数据以及理论值进行比对,参考步骤一得到的数据对数据进行修正,最终完成光斑跟踪器的定位信息的标定和校准。
由上述技术方案可以看出,本发明实现以下七个方面的功能:1)评估光斑跟踪器的四象限探测器和四路放大器的一致性;2)模拟战场环境下被照射目标的激光回波;3)具备精密空间位置确定能力和转角控制能力,为调整接收视轴与安装基面的平行度提供基准,以此获得与电视瞄准轴校准的基础;4)四象限探测器的中心调整到光轴上且保持特定的离焦量;5)能够检验光斑跟踪器的测角精度;6)测试四象限探测器不同区域响应度的非线性度;7)能够测试光斑跟踪器的光强适应范围(动态范围)。
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 (10)

1.一种基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,包括:
多波段激光器、积分球、平行光管,放置到精密光学平台上,多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管的含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;
光斑跟踪器,放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使光斑跟踪器与激光光轴一致;电动精密调校台放置于精密光学平台上;
控制台,驱动定量调整电动精密调校台水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同理论值进行比对、标定,最终完成光斑跟踪器的定位信息的标定。
2.如权利要求1所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,还包括:采样示波器,连接光斑跟踪器,采集光斑跟踪器的电压信号。
3.如权利要求2所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,还包括:屏蔽玻璃箱,罩设在多波段激光器、积分球、平行光管、光斑跟踪器外部。
4.如权利要求3所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,还包括:遮光帘,遮盖在屏蔽玻璃箱外。
5.如权利要求4所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,还包括:光端机卡具,安装在精密光学平台上,平行光管安装在光端机卡具上。
6.如权利要求5所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,还包括:显示器,用于显示光斑跟踪器的跟踪结果。
7.一种基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,将多波段激光器、四象限探测器、采样示波器固定在精密光学平台上;多波段激光器发射的小直径激光束对准四象限探测器的四个象限,四象限探测器将光信号转化为电信号,标准放大器将电信号放大至满足后级处理的程度,采样示波器检测四个象限的输出电压;用标准四象限探测器和标准放大器对装置进行标定,然后分别对需要标定的四象限探测器的四个通道和放大器的四路放大电路的一致性进行标定,得到的标定数据用于后期数据修正;
步骤二,多波段激光器、积分球、平行光管放置到精密光学平台上,调整平行光管的位置使其适应于多波段激光器;多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管的含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;将四象限探测器和标准放大器放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使四象限探测器与激光光轴一致;经标准镜头的会聚作用在四象限探测器表面形成特定大小的光斑,通过电动精密调校台调整光斑偏离探测器的中心位置,能够分析不同偏离量所引起的测角数值的变化;利用三维直线移动平台前后移动标准镜头,微动和精确设置标准镜头与四象限探测器之间的相对距离,使光斑大小发生变化,即可完成光斑大小与测角精度之间关系的分析,为光斑跟踪器内核心器件四象限探测器的安装和调校提供参考数据;
步骤三,将多波段激光器、积分球、平行光管放置到精密光学平台上,多波段激光器发射口对准积分球的入射口,平行光管含毛玻璃的小孔对准积分球的出射口,平行光管输出平行光,模拟战场环境下被照射目标的激光回波;将光斑跟踪器放置于电动精密调校台上,调整电动精密调校台使光斑跟踪器与激光光轴一致,通过控制台驱动定量调整电动精密调校台水平、俯仰角度,记录四象限探测组件的方位、俯仰偏转角度量,同步骤二中的数据以及理论值进行比对,参考步骤一得到的数据对数据进行修正,完成光斑跟踪器的定位信息的标定和校准。
8.如权利要求7所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,所述步骤一中,多波段激光器的光纤头通过光端机卡具将小直径激光束对准四象限探测器的四个象限;四象限探测器通过探测器卡具固定在精密光学平台上。
9.如权利要求8所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,所述步骤二中,采用高速摄像机探测会聚光斑的大小,并配以CCD直接观测光斑大小。
10.如权利要求9所述的基于精密测角的光斑跟踪器光轴校准装置,其特征在于,所述步骤三中,通过更换光源,得到对应不同波长的定位因子;或者更换不同的光学系统,为不同距离、视场角的接收系统建立模型,满足针对不同平台的产品定型。
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