激光测距机三轴平行性智能检测校正方法研究
激光测距机三轴平行性智能检测校正方法研究
作者:骆新新;刘秉琦;孙东平
激光技术自20世纪60年代发明以来在军事上 得到了广泛的应用,激光测距仪技术是最成熟的军用 激光技术。激光测距机的光轴是指激光发射光轴、激光接收 光轴和白光瞄准光轴。激光测距机在运输和野战条件下经常会造成光轴失调,影响测距机的测距能力, 严重时不能测距, 因此激光测距机光轴平行性的校 正是至关重要的。由于激光测距机的光学系统在结 构设计和生产中保证了瞄准光轴与接收光轴平行,所 以三轴平行性的校正实际上就变成了激光发射轴与 瞄准轴两轴的平行性校正。激光测距机三轴平行性 传统的检测大多是靠平行光管或球面反射镜的方法, 这种方法只能对光轴的平行性偏差做出定性分析,无 法给出量化的结果,而对光轴的校正则是靠经验丰富 的专业人员操作,需要反复多次,工作效率低。本文提出了一种激光测距机三轴平行性的智能检测校正方法,能够在检测光轴平行性偏差的同时 实现校正,降低了对检校人员的要求。 目前,国内关 于这种自动化检测校正装置的文献还未见报道。
2 原理论证
在检测激光测距机三轴平行性的传统装置中,由激光 测距机发射的激光被 平行的物镜会聚于焦面上的一点,在焦面放置的光管相纸接收一个斑点,斑点的反射光线经平行光管准直后的出射方向与激光束方 向平行。激光测距仪的瞄准光轴方向是瞄准物镜的 主点与瞄准分划板十字中心连线的方向,如果激光 测距机的瞄准光轴与激光发射光轴平行,那么通过 瞄准系统应该能观察到斑点在瞄准系统中所成的像 与瞄准分划十字中心重合[2]'否则瞄准光轴与激光发射光轴就不平行。
当两光轴不平行时,斑点在瞄准光学系统中看 来是位于无限远的轴外物点,它发出的通过瞄准物 镜主点的光线与瞄准光轴的夹角就是两轴的角度偏差量。若要使两光轴平行,可采用径向移动瞄准系统的分划板或径向移动物镜的方法来实现瞄准光轴 方向的改变,通常是利用径向移动物镜的方案,由此 可见,光轴偏差量的调整是通过瞄准物镜的径向移 动来实现的。而在大多数激光测距机中瞄准物镜是 通过偏心环和偏心物镜框的旋转来实现物镜中心的 径向移动的,从而实现光轴偏差量的调整,达到光轴平行的目的。光轴偏差量与偏心环和物镜框旋转角度之间存在着对应关系。
本方法针对具有偏心环和偏心物镜框这种双偏心结构的激光测距机研究了一种智能的检测校正三 轴平行性的方法。激光测距机发射激光,由传感器 接收到像点,得到光轴偏差量,根据光轴偏差植与偏 心环和物镜框旋转角度之间的对应关系,利用步进电机及外部的机械传动机构来实现激光测距机的光 轴调整。
应用此方法,受限应读取激光测距仪的光轴误差,即像点与十字分划中心的偏差量,所以采集像点的传感器一般采用位移传感器或仅D传感器;然后确定初始位置,采用两个 步进电机分别卡在偏心环和物镜框 上,步进电机的起始位置即为系统的初始位置;再然 后根据光轴误差和偏心环(框)转动量之间的对应关 系建立数学模型;最后根据光轴偏差量可得到需要 转动的角度, 用步进电机带动偏心环(框)转动,用其调整物镜主点位置,从而达到校正光轴平行的目的。
3 模型的建立
精确校正光轴的实质就是精确校正瞄准物镜主 点的位置[2]'而物镜主点的移动与偏心环和物镜框 的转动有关,所以需要建立一个偏心环和物镜框旋 转角度与光轴偏差量之间的数学模型。
可以看出,当两光轴不平行时,两光轴存在 偏差量分别为像 点与十字分划中心在水平和竖直方向上的偏差量)。 若要使两光轴平行,必须使物镜的主点移动,实现瞄准 光轴方向的改变,使像点与分划十字中心重合。
数学模型首先通过传感器 可以得到光轴的偏差量,然后通过建立的数学模型可求得校正量,即偏心环(框)的旋转角度。拨动前物 镜框和偏心环薄边分别位于 W和P 两点处,物镜主点落 在以OQ和OR为两边的平 行四边形对角线顶点S处,设物镜框和偏心环的偏心量图3数学模型框架图 均为l。同时拨动物镜框与偏心环,使其薄边分别落在W'和p'处,物镜主点移至以OQ'和OR'为两 少 边的平行四边形对角线顶点 s' 处,即在拨 动过程中物镜中心实际上由S移动到了 S'点,位移量为SS。
故SS'= 8。a为初始位置处 物镜框与偏心环薄边与 中心的夹角,即OW与OP之间的夹角;0为偏心环 旋转角度,即OP与OP'之间的夹角;p为物镜框旋 转角度,即OW与 ow' 之间的夹角。因为步进电机带动机械传动机构卡在物镜框和 偏心环的位置为系统的初始位置,可设物镜框的初始位置与系统的初始位置夹角为零,即物镜框初始 位置与系统初始时机械传动机构所卡的物镜框位置是重合的。
只要知道激光测距机物镜焦距 f物,准直管焦距J准,像点偏移量r,初始位置时物镜 框与偏心环薄边的夹角a以及偏心量,就可以计算 出物镜框与偏心环旋转的角度,而J窃,f沺和l属千 系统参数,a由初始位置可知,故只需测量出像点偏 移量r即可求出旋转角度。
4结论
这种智能检测校正方法虽然是为了检测校正激 光测距机的光轴平行性,但也适用千其它具有类似结构的光学仪器,比如应用偏心环(框)结构校正望远镜系统的双目光轴平行等。
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