机载激光测距机光学系统特性分析
机载激光测距机光学系统特性分析
作者:赵妙娟
1.光学系统作用原理及组成
光电设备尽管所完成的任务各种各样, 但其对光辐射中原始信息的变换原理相同。在任何光电装置中, 光学系统的各部分都是光信息变换传递的环节, 一般来讲它是问题的主体, 其结构和运行是按照预定的观察分析目的而确定的。因此, 光学系统的激光测距仪优劣在设备中起着决定作用。
1.1光学系统作用原理
根据对激光测距机的使用要求及测距原理, 拟定光学系统作用原理。
1.2光学系统的组成及功用
激光测距机光学系统的组成及各分系统的相对位置。其主要功用如下波束控制器用来完成预定空间的观察、搜索和跟踪。因为激光测距机在使用过程中始终处于实时跟踪工作状态, 在系统中波束控制器主要功能为对预定空间范围内目标的跟踪。
瞄准系统用以产生观察瞄准线, 供仪器校靶用, 测距时此系统不工作。发射光学系统主要用以压窄发自激光器的光束发散角, 以便提高光束能量, 增大作用距离, 提高测量精度。接收光学系统用以捕获被目标反射回来的激光束, 并将其聚焦到接收器的光探测元件表面, 由电装置转换成距离信号。另外, 系统中的单个光学元件如分光镜、反光镜、保护玻璃在系统中所起的作用是实现光路转换及分离、减少尺寸重量、保护系统性能不受外界恶劣环境的影响。
2.光学系统的关键特性
光学系统的优劣在于其传递信息量的大小及信号是否因传递而变形。这些指标又取决于系统的结构形式、象差特性、能量特性及接收器特性等因素。它们在传递光信号过程中的影响是不同的, 选择适当的元器件, 使各部分的性能相匹配, 才能最大限度实现预定的技术指标要求。
2.1光学结构特性
波束控制器结构方式采用双光楔为扫描元件, 可以满足系统要求的精度高、结构尺寸小, 扫描圆视场为士的要求。瞄准系统的结构形式采用低倍的单筒刻卜勒望远镜, 使用光谱为可见光, 由一透可见光反激光的高质量分光镜实现光路转换。激光发射天线主要用来扩束, 采用一倒置的透射式伽里略望远镜, 把来自激光发射器的光束整形后经其它光学元件射向目标。此结构形式的优点是尺寸紧凑、便于安装调试, 没有实聚焦光点, 不会损伤光学元件。
激光接收天线采用一单物镜即可实现聚光目的。但为了最大限度地接收来自目标的反射激光能量, 必须扩大接收口径, 同时为消除杂光, 提高信噪比, 需要在系统中加滤光片。鉴于目前国内滤光片的制造工艺, 使得系统的结构复杂化。因此, 接收天线的结构形式采用一大口径伽里略望远系统后加一聚光镜合成的接收系统, 滤光片置于平行光路中。在接收光束时, 物镜前方的反光镜要挡去一部分光, 这会降低能量损失。系统中其它独立的光学元件采用平板式, 便于加工装配。
2.2光学系统象差特性
系统的成象质量取决于象差, 而象差是球面系统固有的。好的设计应是在满足使用要求的条件下, 使系统结构最简单, 校正的象差数量少。激光测距机光学系统的特点是使用于单色波段, 且视场角小, 故发射天线和接收天线的像差设计重点考虑消轴上光的单色象差。发射系统应保证压窄倍率和角偏差接收系统应保证接收器接收到足够的均匀分布的激光能量。瞄准系统可购置满足目视要求的产品。象差设计时还要兼顾系统中其它光学元件的工艺性能及装调方便。
2.3能量特性
光学系统的基本能量特性是其光强度和透过率。
2.4光电接收器特性
光学系统作为信息传递环节, 最终要把目标的信息反映到光电接收器上。接收器的技术性能与光谱灵敏度、电压和电流灵敏度、通量阂或探测率、转换特性、脉冲、频率等因素有关。因此, 正确选择辐射接收器对设计光电装置是很重要的。
3.测距方程推导
激光测距机最终要把接收器上的光能量转换成电信号。从目标到接收器的能量传递与辐射源, 目标、介质、接收器等因素有关。激光测距机发射与接收天线同轴、辐射源为激光, 目标为漫反射体, 目标法线与光轴的夹角为, 目标表面漫反射系数为限, 亮度用队表示。
4.结论
通过对机载激光测距机光学系统的功能及结构、能量、象差、接收最小功率等项特性研究和宁量分析, 对航空光电装置的工程设计提供了有价值的技术依据。
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