CN203965127U - 可便携的光电跟踪性能检测装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种可便携的光电跟踪性能检测装置。装置包含二维靶标转台，俯仰轴工作平面，激光器，音圈电机快速指向镜，漫反射屏等。安放于二维靶标转台的俯仰轴工作平面上的激光器发出激光光束，经由快速指向镜发射后打在漫反射屏，形成激光光斑，作为待测设备的跟踪靶标。通过二维靶标转台的大范围运动模拟靶标的相对运动，通过音圈电机快速指向镜的高频小角度偏转模拟光轴受到的微振动干扰。利用装置对待测设备的跟踪范围、跟踪速度和跟踪精度等指标进行测试。本专利为光电跟踪系统提供了大范围、机动性强的动态跟踪靶标，同时可模拟光轴的微振动干扰，且测试系统结构简单，易于搭建和携带，可在不同场合下灵活使用。

Description

可便携的光电跟踪性能检测装置

技术领域：

本专利涉及光电设备的检测技术，具体涉及一种可便携的光电跟踪性能检测装置，可用于空间激光通信等系统中的光电跟踪终端的性能检测。

背景技术：

光电跟踪设备广泛用于非合作目标跟踪、合作目标的双向通信等场景，其跟踪性能是系统的重要指标。以空间平台下的用于空地光通信的光电跟踪终端为例，其面临平台微振动等复杂环境，同时又要保证很高的跟踪精度，因此有必要在地面对其性能进行充分的检测。

对光电跟踪设备进行性能检测的关键在于提供合适的动态靶标和模拟真实的工作环境。一般认为动态靶标分为跟踪靶标和测量靶标，前者仅模拟动态空间目标，后者还可以精确测定任意时刻靶标的空间角度，用来标定待测设备的测量精度。对工作环境的模拟主要包括对终端所处的平台运动状态、热环境、大气湍流、激光的远距离传输和远场分布等因素的模拟。

目前最常见的光电跟踪性能检测方法有两种，一是旋转靶标法，二是利用平行光管加光束偏转机构。旋转靶标法由旋转电机带动平行光管转动，通过反射镜形成旋转光锥，被测设备位于光锥顶点。这种方法应用广泛，可提供跟踪和测量靶标，但其结构庞大，控制复杂，且运动轨迹单一。第二种方法利用平行光管产生平行光，在光路中间加入双棱镜等光束偏转机构使得光束发生偏折，产生二维运动轨迹。此方法常用来模拟激光的远场分布，检测系统的光学性能，但其运动轨迹范围较小，机动性差，对跟踪性能的检测不够充分。

另外一种与本专利较为接近的方法是利用激光光束在幕墙上的反射作为动态靶标。(参见张波，检测光电跟踪测量设备的激光模拟空间目标[J].光电子·激光，2003，14(3)：324-326.)这种方法利用激光的准直特性，直接将激光器产生的激光光束打在幕墙上，模拟空间目标。激光器安装于两轴转台上，转台按编程规律运动，形成空间目标轨迹。待测设备跟踪靶标后，根据空间位置关系来计算其跟踪指向精度。由于不考虑光束的远场分布，该方法未使用平行光管，因而结构简单，控制灵活，且目标轨迹的动态范围大，机动性强。但此方法存在以下两个问题：

第一，无法对光电跟踪设备所处平台的微振动干扰进行模拟。以星载跟踪终端为例，卫星平台的动量轮运动造成的微振动会对跟踪精度造成一定影响，有必要对其进行相应的模拟和检测。

第二，该方法针对的对象是光电跟踪测量设备，因此它将检测系统作为测量靶标，即利用激光器转台的测角值和设备的空间位置关系来计算空间目标的位置真值，以待测设备跟踪时的自身角度作为测量值，从而对待测设备的指向精度进行检测。此方法依赖于对空间位置的精确测量与标定，以及检测设备和被测设备之间的准确的时间同步，并且要求检测设备的测角精度高于被测设备。这使得测试系统难于搭建和标定，当待测光电跟踪设备的自身精度较高时无法采用该检测方法。

发明内容：

本专利的目的是提出一种可便携的光电跟踪性能检测装置，它在提供大范围、机动性强的动态跟踪靶标的同时，同时能够模拟平台的微振动干扰，解决了对光电跟踪设备进行动态跟踪性能检测的问题。

本专利的装置构成如附图1所示，包括：二维靶标转台1，靶标转台驱动器2，靶标转台控制计算机3，俯仰轴工作平面4，激光器5，激光器电源6，音圈电机快速指向镜7，音圈电机驱动控制器8，漫反射屏9，待测光电跟踪设备10。

其中：二维靶标转台1为双U型架结构，分别在方位和俯仰两个维度转动，俯仰轴工作平面4的表面具有孔距25mm的M6螺纹孔阵列；俯仰轴工作平面4上安放激光器5，激光器5的出射光轴与俯仰轴轴线平行；音圈电机快速指向镜7固定安放在俯仰轴工作平面4的中心，其基准法线方向与激光器出射光轴呈45°夹角，激光光束经其反射后沿着垂直于俯仰轴轴线的方向出射；在音圈电机驱动控制器8的作用下，音圈电机快速指向镜7在基准方向的基础上产生高频小角度的二维偏转，使得激光束在原有方向上发生微小偏折；激光束由快速指向镜反射后打在漫反射屏9上，形成靶标光斑；二维靶标转台1和待测光电跟踪设备10的中心位置保持同一水平高度，且二者连线与漫反射屏9所在平面平行。

工作时，二维靶标转台1带动俯仰轴工作平面4及上面安放的激光器5和音圈电机快速指向镜7在方位轴和俯仰轴方向进行大范围转动，使得漫反射屏9上的靶标光斑产生大范围运动，模拟动态靶标与待测光电跟踪设备10之间的相对运动；在此基础上，音圈电机快速指向镜7进行高频小角度二维偏转，改变激光束出射方向，使得漫反射屏9上的靶标光斑产生小范围抖动，模拟待测光电跟踪设备10的光轴所受到的微振动干扰。

结合上述装置，本专利的检测方法如下：

1)跟踪范围测试，具体步骤为：

1.1令待测光电跟踪设备10捕获漫反射屏9上的激光光斑；

1.2二维靶标转台1带动激光光斑在方位轴或者俯仰轴方向做低速单向运动，待测光电跟踪设备10跟踪激光光斑；

1.3当待测光电跟踪设备10的运动机构达到边界而丢失激光光斑时的角度测量值即为该方向上的跟踪范围极限值；

2)最大瞬时捕获角速度测试，具体步骤为：

2.1令待测光电跟踪设备10处于扫描或凝视捕获状态；

2.2二维靶标转台1带动激光光斑从一侧进入待测光电跟踪设备10的扫描或凝视范围，观察其是否能瞬间捕获并跟踪；

2.3逐渐增大激光光斑运行的角速度，当待测光电跟踪设备10无法瞬间捕获光斑时的角速度测量值即为该方向上的瞬时捕获角速度极限值；

3)最大跟踪角速度测试，具体步骤为：

3.1令待测光电跟踪设备10捕获漫反射屏9上的激光光斑；

3.2二维靶标转台1带动激光光斑在方位轴或者俯仰轴方向做单向运动，待测光电跟踪设备10跟踪激光光斑；

3.3逐渐增大光斑运行的角速度，当待测光电跟踪设备10丢失光斑时的角速度测量值即为该方向上的跟踪角速度极限值；

4)跟踪带宽测试，具体步骤为：

4.1令待测光电跟踪设备10捕获漫反射屏9上的激光光斑；

4.2二维靶标转台1带动激光光斑按照一定频率和振幅的正弦曲线运动，待测光电跟踪设备10跟踪激光光斑；

4.3逐渐增大正弦曲线的频率，当待测光电跟踪设备10丢失光斑时的正弦曲线频率值即为其跟踪带宽指标；

5)微振动干扰测试，具体步骤为：

5.1令二维靶标转台1处于零位位置，并保持静止；

5.2开启音圈电机快速指向镜7，令其产生特定频率和幅度的小角度偏转，使光轴出射方向发生抖动，并令待测光电跟踪设备10跟踪激光光斑；

5.3记录待测光电跟踪设备10的跟踪探测器脱靶量，计算跟踪误差，改变音圈电机快速指向镜7的工作频率，通过扫频方式得到跟踪误差与干扰频率的关系；

5.4当跟踪误差的幅度与扰动幅度相等时，此时的扰动频率为待测光电跟踪设备10的干扰抑制带宽；

6)跟踪精度测试，具体步骤为：

6.1令待测光电跟踪设备10捕获漫反射屏9上的激光光斑；

6.2二维靶标转台1带动激光光斑按照特定轨迹运动，待测光电跟踪设备10跟踪激光光斑，并依据跟踪探测器的脱靶量指标来计算待测光电跟踪设备10的跟踪精度，测试特定的相对运动对跟踪精度的影响；

6.3在上述基础上令音圈电机快速指向镜7产生符合特定振动功率谱的微振动干扰，依据跟踪探测器的脱靶量指标来计算待测光电跟踪设备10的跟踪精度，测试特定功率谱下的微振动对跟踪精度的影响。

本专利有如下有益效果：

采用漫反射屏上的激光光斑作为动态跟踪靶标，利用二维靶标转台产生大范围、机动性强的运动轨迹，同时利用音圈电机快速指向镜使光束产生高频小角度抖动，不仅可以模拟靶标与待测设备的相对运动，还可模拟光轴的微振动干扰，充分测试了光电跟踪设备的跟踪范围、跟踪带宽、跟踪精度等指标。由于仅将动态目标作为跟踪靶标，无需对测试系统的位置标定、时间同步和测量精度提出较高要求，从而使得测试系统结构简单，易于搭建和携带，可在不同场合下灵活使用。

附图说明：

图1是本专利的检测装置构成示意图；图中：1.二维靶标转台；2.靶标转台驱动器；3.靶标转台控制算机；4.俯仰轴工作平面；5.激光器；6.激光器电源；7.音圈电机快速指向镜；8.音圈电机驱动控制器；9.漫反射屏；10.待测光电跟踪设备。

具体实施方式：

下面结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：

以某星地光通信的星载跟瞄终端作为待测设备，其采用复合轴跟踪结构：使用二维转台作为大范围转动执行机构，与大视场CMOS探测器构成粗跟踪系统，用于目标光的初始捕获和大范围跟踪指向；粗跟踪系统通过望远镜将光束引入后光路，由压电陶瓷二维偏转镜和小视场CMOS探测器构成精跟踪系统，用于光束的高精度跟瞄和高频扰动抑制。

二维靶标转台采用双U型架结构，其中俯仰轴U型架作为工作面来固定激光器等部件。方位轴和俯仰轴均采用步进电机驱动，并使用Renishaw圆光栅作为测角传感器进行位置闭环，达到角秒量级的控制精度。方位轴可在360°范围内连续旋转，俯仰轴的转动范围为±90°，均大于待测设备的跟踪范围指标。另外通过选型和设计保证其最大转动角速度也大于待测设备的最大跟踪角速度。激光器采用671nm红光激光器，功率为100mW，发散角为1mrad。音圈电机快速指向镜及其控制驱动器采用Newport公司的FSM系列产品，其偏转范围为正负1.5°，闭环带宽可达800Hz，分辨率在urad量级，可以有效模拟卫星平台的微振动干扰。

漫反射屏利用实验室的平整白色墙壁，高度3m，宽度6m，与待测设备的距离为3m，可测试的方位轴角度范围为90°，俯仰轴角度范围为53度。

检测时应首先搭建测试系统，对各设备的位置进行测量标定，并对靶标转台进行编程，生成所需要的测试曲线。检测在实验室内进行，应确保没有明显的振动干扰源，另外激光器开启时应处于暗室环境，以防止杂光干扰。

按照专利所述方法的步骤对星载跟瞄终端的跟踪性能进行检测。其中跟踪范围测试针对粗跟踪系统的执行机构运动范围进行检测；最大瞬时捕获角速度测试和最大跟踪角速度测试主要检测粗跟踪系统对目标的捕获跟踪能力；跟踪带宽测试反映了待测设备对大幅度低频率干扰的承受能力，主要取决于粗跟踪系统的动态性能；跟踪精度测试可反映粗跟踪系统和整个设备的跟踪性能，其结果直接影响了终端的光通信性能；微振动干扰模拟测试则考察了卫星平台的高频微振动对跟踪精度的影响，主要反映了精跟踪系统的动态性能。

对待测设备进行全面检测后，可以根据检测结果判断设备的跟踪性能是否满足指标要求；并可以依据其在模拟卫星微振动干扰下的工作性能，对系统设计、控制算法进行相应优化。

Claims (1)

1.一种可便携的光电跟踪性能检测装置，它包括：二维靶标转台(1)，靶标转台驱动器(2)，靶标转台控制计算机(3)，俯仰轴工作平面(4)，激光器(5)，激光器电源(6)，音圈电机快速指向镜(7)，音圈电机驱动控制器(8)，漫反射屏(9)，待测光电跟踪设备(10)，其特征在于：

所述的二维靶标转台(1)为双U型架结构，分别在方位和俯仰两个维度转动，俯仰轴工作平面(4)的表面具有孔距25mm的M6螺纹孔阵列；俯仰轴工作平面(4)上安放激光器(5)，激光器(5)的出射光轴与俯仰轴轴线平行；音圈电机快速指向镜(7)固定安放在俯仰轴工作平面(4)的中心，其基准法线方向与激光器出射光轴呈45°夹角，激光光束经其反射后沿着垂直于俯仰轴轴线的方向出射；在音圈电机驱动控制器(8)的作用下，音圈电机快速指向镜(7)在基准方向的基础上产生高频小角度的二维偏转，使得激光束在原有方向上发生微小偏折；激光束由快速指向镜反射后打在漫反射屏(9)上，形成靶标光斑；二维靶标转台(1)和待测光电跟踪设备(10)的中心位置保持同一水平高度，且二者连线与漫反射屏(9)所在平面平行；

二维靶标转台(1)带动俯仰轴工作平面(4)及上面安放的激光器(5)和音圈电机快速指向镜(7)在方位轴和俯仰轴方向进行大范围转动，使得漫反射屏(9)上的靶标光斑产生大范围运动，模拟动态靶标与待测光电跟踪设备(10)之间的相对运动；在此基础上，音圈电机快速指向镜(7)进行高频小角度二维偏转，改变激光束出射方向，使得漫反射屏(9)上的靶标光斑产生小范围抖动，模拟待测光电跟踪设备(10)的光轴所受到的微振动干扰。