脉冲激光测距机靶标调向光轴平行性检测方法研究
脉冲激光测距机靶标调向光轴平行性检测方法研究
作者:陈志斌;范磊;肖文健;吴浩;肖程;张冬晓
脉冲激光测距仪机的光轴一般包含激光发射光轴、激光接收光轴和白光瞄准光轴。只有三轴严格平行才能保证测距的准确性,任何平行性偏差都会影响脉冲激光测距机的测量性能。在脉冲激光测距机的设计、生产过程中保证了棱镜组件粘接时主机分划板中心与激光接收小孔光阑中心共轭,在结构上保证了脉冲激光测距机激光发射光轴与激光接收光轴之间的平行性。因此,脉冲激光测距机的光轴平行性检测实际上就是该系统白光瞄准光轴与激光发射光轴之间的平行性检测。
这类光电侦测系统在使用过程中光轴平行性易受损、易失调,严重影响侦测结果的有效性,所以对其进行经常性的检校保障具有非常重要的意义。本文提出了一种能够降低对检测人员的要求、提高测量精度,且能够提供量化测量结果的靶标自动调向式脉冲激光测距机光轴平行性检测方法。
1 检测装置
靶标调向式光轴平行性检测系统主要由平行光管、靶标调向装置、上转换片和CCD组成。用光源照明集成靶板,经折反式卡塞格林系统准直后和靶标调向装置调向后入射到脉冲激光测距机白光瞄准光轴,成像于CCD图像采集装置2上。脉冲激光测距机激光发射光轴发射出脉冲激光束,通过靶标调向装置调向和半透半反镜反射,照射至上转换片上,利用 CCD 图像采集装置1采集图像。
1.1 光学系统
本文设计的系统采用折返式卡塞格林平行光管产生平行光束。主反射镜为抛物面,次镜为双曲面,抛物面和双曲面有一个共同的焦点,双曲面的另外一个焦点为卡塞格林系统的焦点。主要技术参数为:物镜焦距1/f=1 000mm,物镜有效孔径D =140mm,出射光束平行性小于等于10″。本系统采用了折反式结构,减小了仪器的体积和重量,便于携行和架设使用。由于只有一个物镜,因此只有一根光轴,其本身是光轴不失调系统。双反射系统消除了成像的色差,选用抛物面做主镜,消除了轴向的球差。这种设计结构保证了光学系统的成像质量。
1.2 靶标调向装置
靶标调向装置是通过两个相互垂直的伺服旋转电机1、2转动反射镜,从而带动反射光束进行偏转,实现光束在扫描范围内的调向。靶标调向装置结构图如图2所示,两台伺服旋转电机的安装轴线相互垂直,图中位于下方的反射镜记为反射镜1,位于上方的反射镜记为反射镜2。靶标调向装置坐标系x0y0z0 按左手坐标系如图2建立。其中,标记平面的x、y、z 轴分别与x0、y0、z0 轴平行且指向相同。此外,反射镜1的转动轴 HI 与z 轴平行且初始位置时反射镜1镜面与xoz 面成45°;反射镜2的转动轴JK 与x 轴平行且初始位置时反射镜2镜面与xoy 面成45°;反射镜3位置不动,其固定轴LP 与y轴平行且反射镜镜面与xoy 面成45°。
当光束入射到靶标调向装置时,设平行于z0轴且经过反射镜Q反射后与转动轴HI共面的光线为基准入射光线,经初始位置各反射镜反射之后的反射光束RMNCO为基准光束光路。伺服控制电机控制反射镜1、2旋转,镜片旋转的角度分别记为α、β。
基于靶标调向装置进行光轴平行性检测时,通过靶标调向装置控制十字分划靶标自动调向进行靶光束偏转,使脉冲激光测距机的激光发射光轴与白光瞄准光轴分别完成与靶标十字分划中心的对准,并将靶标调向装置反射镜1和反射镜2的码盘输出角标记为α1、β1及α2、β2。对准的过程是使用靶标调向原理将十字分划靶标从光束向量c1、c2 方向调整至z 轴正方向的过程,因此靶标调向装置反射镜和反射镜2的码盘输出角为α1、β1 及α2、β2,在计算时应取-α1、-β1、-α2 和-β2,从而得出扫描光束向量c1 和c2。再通过式(8)解算出脉冲激光测距机的平行性误差γ。
1.3 视频采集装置
实验使用的视频采集装置为大恒图像研发的MER-132-30UC型 CCD,主 要 技 术 指 标:像 素 为1 292(H)×964(V),帧 率 为 30f/s,像 素 尺 寸 为3.75μm×3.75μm。由于激光光束所含能量高,如果直接使用 CCD 采集激光光斑会造成 CCD 的损坏。典型的脉冲激光测距机的激光脉冲宽度大约为30ns,作用时间太短,CCD无法直接捕捉经过衰减之后的激光光斑,通过采用上转换片可以有效地解决这一问题。
上转换片是一种新型的红外探测转换器件,可以将红外波段的激光转换为 CCD响应灵敏度高的可见光波段红光,同时可使光斑在CCD光敏面上停留的时间延长,使 CCD很容易探测到单、低频窄脉冲的激光。该器件量子转换效率高、红外响应时间短、室温下工作、无需制冷且热稳定性好。本实验将上转换片置于平行光管集成靶标的共轭焦面上,使CCD成像中心与集成靶标十字分划中心对准。
2 实验
按顺序将折反式平行光管、靶标调向装置、脉冲激光测距机和CCD图像采集装置摆放之后,首先对脉冲激光测距机的白光瞄准光轴进行检测[7]。利用位于白光瞄准光轴焦平面上的 CCD采集图像,图像中含有白光瞄准光轴十字分划中心与上转换片十字分划中心。处理所得图像,输出两十字分划中心的相对位置与距离,并控制调整靶标调向装置偏转反射镜1、2,改变上转换片十字分划中心像的位置,实时采集图像利用循环处理最终完成对准。利用靶标调向装置的角位置传感器即码盘采回靶标调向装置中反射镜的偏转角度。然后对脉冲激光测距机的激光发射光轴进行检测。打开脉冲激光测距机发射激光脉冲,使激光光斑照射到上转换片上并用 CCD接收经过上转换片转换之后的光斑,求得光斑与CCD电十字分划中心的相对位置,控制靶标调向装置偏转反射镜1、2改变光斑的位置,实时采集图像循环处理直至完成中心对准,同时,记录靶标调向装置的码盘数据。将两组数据带入靶标调向装置平行性检测模型进行计算,即可得出脉冲激光测距机的光轴平行性误差。
某型脉冲激光测距机的激光能量为3~12mJ,脉冲 半 宽 度 小 于 等 于 18ns,发 射 激 光 波 长 为1.06μm。鉴于脉冲激光测距机的白光瞄准光轴与激光发射光轴之间的光轴平行性难以调节,实验采用激光器(1.06μm)和望远系统模拟脉冲激光测距机的激光发射光轴和白光瞄准光轴,将激光器和望远系统之间的光轴平行性误差分别调整为0.10、0.20、0.30、0.40、0.50和1.00mrad。利用所述方法进行检测。
在测量过程中仍然存在许多难以消除的误差来源,如:脉冲激光测距机每次发射的激光光斑存在差异性;CCD由于自动增益技术引起的非线性失真;CCD的饱和效应和激光光斑中心计算方法等。所以当激光器和望远系统的平行性误差较小时,误差来源对测量结果影响明显,光轴平行性检测结果的测量误差较大。
3 结论
基于靶标调向装置的光轴平行性检测方法通过平行光管中的上转换片十字分划中心与脉冲激光测距机的白光瞄准光轴十字分划中心对准;通过脉冲激光测距机激光发射光轴激光光斑中心与 CCD 电十字分划中心对准的方式进行光轴平行性检测,这种检测方法将求取中心距离的过程转化为判断中心是否重合的过程,改变了误差产生类型,使得检测的精度得到提高。CCD接收系统中不需要将 CCD精确地放置于系统的焦平面上,只要图像清晰即可,这样就减少了误差因子的引入。最后,该检测方法减少了光轴平行性检测过程中平行光管实际焦距与理论焦距不符的误差环节。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除