專利名稱：一種自校準(zhǔn)型激光收發(fā)光軸平行度測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光軸平行度測量技術(shù)，特別是指一種具有自校準(zhǔn)功能的激光收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)光軸平行度的測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
激光主動光電儀器是一種主動式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，是傳統(tǒng)的無線電或微波雷達(dá)(radar)向光學(xué)頻段的延伸。由于所用探測波長的縮短和方向性的加強(qiáng)，系統(tǒng)的空間、 時間分辨能力都得到了很大的提高。在國內(nèi)外已發(fā)展的星載激光遙感系統(tǒng)主要包括激光高度計、激光測距機(jī)、激光雷達(dá)等，激光遙感系統(tǒng)可以精確探測空間距離值，不僅可以應(yīng)用于星球表面三維高度數(shù)值的探測，還可以應(yīng)用于對空間目標(biāo)的跟蹤、定位和導(dǎo)航，在航天科學(xué)探測和軍事中將發(fā)揮重要作用。高空間分辨率及遠(yuǎn)距離探測是主動光電儀器的發(fā)展趨勢，這就要求激光發(fā)散角及回波接收瞬時視場盡可能小，有的甚至達(dá)到微弧度量級，客觀上對該類儀器的發(fā)射和接收光軸平行度提出了很高的要求。收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的光軸是否嚴(yán)格對準(zhǔn)，將直接影響回波能量的接收，甚至可能接收不到回波，影響整個系統(tǒng)的正常工作。主動光電儀器在組裝及調(diào)試完成后，必須檢測系統(tǒng)收發(fā)光軸是否平行，以判斷儀器是否達(dá)到最佳性能。另外，儀器組裝完成后，在使用中會受到力、熱、電等不同環(huán)境的影響，因此，準(zhǔn)確的檢測儀器收發(fā)光軸的平行度的變化對于確定儀器的技術(shù)狀態(tài)是非常重要的?，F(xiàn)有測試方法及技術(shù)一般對每一臺激光系統(tǒng)都研制一套相應(yīng)的測試裝置，如火星探測激光高度計MOLA和水星探測激光高度計MLA的測試，以及我國專利“一種測量激光測距系統(tǒng)收發(fā)軸配準(zhǔn)度的測試裝置和方法專利申請?zhí)?00710040397. 7”所述的測試方法
及裝置。上述方法及裝置有二個方面的不足一是裝置無法自校準(zhǔn)，二是裝置不能適應(yīng)不同偏移量的收發(fā)光軸的測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有裝置無法自校準(zhǔn)的缺陷，同時提高測試裝置的適應(yīng)性，提出一種具備自校準(zhǔn)功能的激光收發(fā)光軸平行度測量方法及裝置，以便適用于不同偏移量的激光主動光電儀器的光軸平行度測試。本發(fā)明的測試裝置主要包括反射型光束分析單元3、模擬回波源4、二維光束指向掃描單元5、系統(tǒng)自檢光路組件6和接收光軸偏移調(diào)整單元7。其中所述的模擬回波源 4由光纖激光器401、光束準(zhǔn)直器402和孔徑光闌403組成，用于模擬激光回波；所述的系統(tǒng)自檢光路組件6由一個垂直入射的分光鏡601、兩個45°入射的分光鏡602，603和一個平面反射鏡604組成，用于產(chǎn)生相互平行的基準(zhǔn)光束D及模擬回波光束C，模擬回波光束C由被測系統(tǒng)接收，基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元3即作為初始光路調(diào)整時的基準(zhǔn)，同時也用于測試裝置自校準(zhǔn)；所述的接收光軸偏移調(diào)整單元7由兩塊相互平行的第一平面反射鏡701和第二平面反射鏡702組成，作用是調(diào)整模擬回波光束的出射位置以適應(yīng)不同被測儀器的收發(fā)軸偏移量。本發(fā)明自校準(zhǔn)型激光收發(fā)光軸平行度測量方法，由以下步驟實現(xiàn)。A 自校準(zhǔn)實現(xiàn)方式。如圖1所示，模擬回波源4發(fā)出的光束B經(jīng)過垂直入射的分光鏡601后，一部分作為模擬回波光束C從一號45°入射分光鏡602透射出去被待測系統(tǒng)接收，另一部分反射后先被二號45°入射分光鏡603反射至平面反射鏡604，由平面反射鏡604反射回的光分為兩束，一束作為基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元3，另一束經(jīng)原路返回后又被垂直入射的分光鏡601反射，經(jīng)過第一束相同的光路后再次入射至反射型光束分析單元3作為自校準(zhǔn)光束E。裝置正常工作狀態(tài)下，基準(zhǔn)光束D和自校準(zhǔn)光束E在反射型光束分析單元 3中形成的光斑完全重合，如果光路中某一個或幾個元件發(fā)生偏離，兩束光的光斑在反射型光束分析單元3上同樣會發(fā)生偏離，由此實現(xiàn)裝置的自校準(zhǔn)。B:光軸平行度測量方法。如圖1所示，模擬回波源4發(fā)出的光束B經(jīng)過二維光束指向掃描單元5后，由系統(tǒng)自檢光路組件6形成相互平行的基準(zhǔn)光束D及模擬回波光束C，其中基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元3，形成光斑；模擬回波光束C經(jīng)接收光軸偏移調(diào)整單元7出射，被待測系統(tǒng)的激光接收單元102所接收。光軸平行度測量時，首先待測系統(tǒng)1的激光發(fā)射單元 101出射光束A經(jīng)過衰減器2后入射至反射型光束分析單元3中形成光斑，調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)， 使光束A聚焦的光斑中心與基準(zhǔn)光束D光斑中心重合，此時，待測系統(tǒng)的發(fā)射光軸與模擬回波光束C指向平行，調(diào)節(jié)光軸偏移調(diào)整單元7，使待測系統(tǒng)可以接收到模擬回波光束C，待測系統(tǒng)接收單元102有信號輸出。驅(qū)動二維光束指向掃描單元5，二維改變模擬回波的方向并監(jiān)測待測系統(tǒng)輸出信號的強(qiáng)度，記錄下待測系統(tǒng)在某一方向上視場兩端剛好無輸出信號時基準(zhǔn)光束D在反射型光束分析單元3上形成的光斑掃過的距離，對距離數(shù)據(jù)進(jìn)一步計算可得待測系統(tǒng)在此方向上的收發(fā)光軸的平行度。具體測量方法步驟如下。1)啟動模擬回波源4，測量裝置將模擬回波源4光纖激光器401發(fā)出的光束B分成基準(zhǔn)光束D及模擬回波光束C，其中基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元3形成光斑， 模擬回波光束C經(jīng)接收光軸偏移調(diào)整單元7出射。2)調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)，使待測系統(tǒng)1的激光發(fā)射單元101出射光束A經(jīng)過衰減器2后入射至反射型光束分析單元3中形成的光斑與基準(zhǔn)光束D的光斑中心重合。3)調(diào)節(jié)光軸偏移調(diào)整單元7，使待測系統(tǒng)可以接收到模擬回波光束C，待測系統(tǒng)接收單元102有信號輸出。4)驅(qū)動二維光束指向掃描單元5，二維改變模擬回波C的方向并監(jiān)測待測系統(tǒng)輸出信號的強(qiáng)度，記錄下待測系統(tǒng)在某一方向上視場兩端剛好無輸出信號時基準(zhǔn)光束D在反射型光束分析單元3上形成的光斑掃過的距離a和b。5)激光主動光電儀器收發(fā)光軸在該測試方向上的平行度α為。
其中，f’為反射型光束分析單元3中光學(xué)鏡頭31的焦距。本發(fā)明不僅能滿足共軸型或共光路型激光收發(fā)同軸度的測量，而且可以對不同偏移量的非共軸光軸的平行度進(jìn)行測量，其特點主要體現(xiàn)在1)具備自校準(zhǔn)功能，可隨時監(jiān)測裝置的狀態(tài)；2)具備光軸偏移調(diào)整功能，可以滿足不同偏移量的光軸平行度測試。


圖1為測試裝置光路圖。圖2中圖(a)為系統(tǒng)自檢光路組件6的光路圖，為理想狀態(tài)下，此時基準(zhǔn)光束D和自校準(zhǔn)光束E平行；圖(b)為系統(tǒng)自檢光路組件6的光路圖，其中某一個元件(如圖中虛線部分的602)出現(xiàn)失調(diào)，此時基準(zhǔn)光束D與自校準(zhǔn)光束E不平行，二者在反射型光束分析單元3的光斑不重合。
具體實施例方式下面結(jié)合圖1給出本專利的一個較好實施例并做詳細(xì)闡述。圖1為測試裝置的光路圖，其中所用器件為衰減器2采用中性密度衰減片；反射型光束分析單元3中光學(xué)鏡頭31采用反射式望遠(yuǎn)物鏡，光束分析儀32為美國Coherent公司的光束分析儀；模擬回波源4中光纖激光器401為明鑫公司的脈沖光纖激光器，光束準(zhǔn)直器402為Thorlabs公司的光纖準(zhǔn)直器加IOX擴(kuò)束器，孔徑光闌403為可變光闌；二維光束掃描單元5可采用雙光楔掃描器，其中光楔楔角為0. 5°，角度旋轉(zhuǎn)臺采用上海聯(lián)誼的 TRB-m-1-l型旋轉(zhuǎn)臺；自檢光路組件6中垂直入射的分光鏡601為垂直入射的1 :1分光片，一號45°入射分光鏡602為45°入射分光比為9:1分光片，二號45°入射分光鏡603 為45°入射分光比為1 :1分光片；光軸偏移調(diào)整單元7由兩個相互平行的反射鏡組成。采用以上器件按本專利中的方法搭建起來的測試裝置對某激光測距儀的收發(fā)軸配準(zhǔn)度進(jìn)行測試，精度可達(dá)角秒級。
權(quán)利要求
1.一種自校準(zhǔn)型激光收發(fā)光軸平行度測量裝置，它包括反射型光束分析單元(3)、模擬回波源(4)、二維光束指向掃描單元(5)、系統(tǒng)自檢光路組件(6)和接收光軸偏移調(diào)整單元(7)，其特征在于所述的用于模擬激光回波的模擬回波源(4)由光纖激光器001)、光束準(zhǔn)直器(402)和孔徑光闌(403)組成；所述的系統(tǒng)自檢光路組件(6)由一個垂直入射的分光鏡(601)、兩個 45°入射的分光鏡(602、603)和一個平面反射鏡(604)組成；所述的用于調(diào)整模擬回波光束的出射位置以適應(yīng)不同被測儀器的收發(fā)軸偏移量的接收光軸偏移調(diào)整單元(7)由兩塊相互平行的第一平面反射鏡(701)和第二平面反射鏡(702)組成；裝置光軸自校準(zhǔn)實現(xiàn)方式如下模擬回波源(4)發(fā)出的光束B經(jīng)過垂直入射的分光鏡 (601)后，一部分作為模擬回波光束C從一號45°入射分光鏡(602)透射出去被待測系統(tǒng)接收，另一部分反射后先被二號45°入射分光鏡(603)反射至平面反射鏡(604)，由平面反射鏡(604)反射回的光分為兩束，一束作為基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元(3)，另一束經(jīng)原路返回后又被垂直入射的分光鏡(601)反射，經(jīng)過第一束相同的光路后再次入射至反射型光束分析單元(3)作為自校準(zhǔn)光束E，裝置正常工作狀態(tài)下，基準(zhǔn)光束D和自校準(zhǔn)光束E在反射型光束分析單元(3)中形成的光斑完全重合，如果光路中某一個或幾個元件發(fā)生偏離，兩束光的光斑在反射型光束分析單元(3)上同樣會發(fā)生偏離，由此實現(xiàn)裝置的自校準(zhǔn)；裝置光軸平行度測量方式如下，模擬回波源(4)發(fā)出的光束B經(jīng)過二維光束指向掃描單元(5)后，由系統(tǒng)自檢光路組件(6)形成相互平行的基準(zhǔn)光束D及模擬回波光束C，其中基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元(3)形成光斑；模擬回波光束C經(jīng)接收光軸偏移調(diào)整單元(7)出射，被待測系統(tǒng)的激光接收單元(102)所接收；光軸平行度測量時，首先待測系統(tǒng)(1)的激光發(fā)射單元(101)出射光束A經(jīng)過衰減器(2 )后入射至反射型光束分析單元(3 ) 中形成光斑，調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)，使光束A聚焦的光斑中心與基準(zhǔn)光束D光斑中心重合；調(diào)節(jié)光軸偏移調(diào)整單元(7)，使待測系統(tǒng)可以接收到模擬回波光束C，待測系統(tǒng)接收單元(102)有信號輸出，驅(qū)動二維光束指向掃描單元(5)，二維改變模擬回波C的方向并監(jiān)測待測系統(tǒng)輸出信號的強(qiáng)度，記錄下待測系統(tǒng)在某一方向上視場兩端剛好無輸出信號時基準(zhǔn)光束D在反射型光束分析單元(3)上形成的光斑掃過的距離，對距離數(shù)據(jù)進(jìn)一步計算可得待測系統(tǒng)在此方向上的收發(fā)光軸的平行度。
2.一種基于如權(quán)利要求1所述裝置的激光主動光電儀器收發(fā)光軸平行度的測量方法 其特征在于包括以下步驟1)啟動模擬回波源(4)，測量裝置將模擬回波源(4)光纖激光器(401)發(fā)出的光束B分成基準(zhǔn)光束D及模擬回波光束C，其中基準(zhǔn)光束D入射至反射型光束分析單元(3)形成光斑，模擬回波光束C經(jīng)接收光軸偏移調(diào)整單元(7)出射；2)調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)，使待測系統(tǒng)(1)的激光發(fā)射單元(101)出射光束A經(jīng)過衰減器(2)后入射至反射型光束分析單元(3)中形成的光斑與基準(zhǔn)光束D的光斑中心重合；3)調(diào)節(jié)光軸偏移調(diào)整單元(7)，使待測系統(tǒng)可以接收到模擬回波光束C，待測系統(tǒng)接收單元(102)有信號輸出；4)驅(qū)動二維光束指向掃描單元(5)，二維改變模擬回波C的方向并監(jiān)測待測系統(tǒng)輸出信號的強(qiáng)度，記錄下待測系統(tǒng)在某一方向上視場兩端剛好無輸出信號時基準(zhǔn)光束D在反射型光束分析單元(3)上形成的光斑掃過的距離a和b ；5)激光主動光電儀器收發(fā)光軸在該測試方向上的平行度α為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具備自校準(zhǔn)功能的激光收發(fā)光軸平行度測量裝置及方法，包括模擬回波源、二維光束指向掃描單元、系統(tǒng)自檢光路組件、接收光軸偏移調(diào)整單元和光束監(jiān)視與數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明不僅能滿足共軸型或共光路型激光收發(fā)同軸度的測量，而且可以對不同偏移量的非共軸光軸的平行度進(jìn)行測量，其特點主要體現(xiàn)在1)具備自校準(zhǔn)功能，可隨時監(jiān)測裝置的狀態(tài)；2)具備光軸偏移調(diào)整功能，可以滿足不同偏移量的光軸平行度測試。因此，特別適用于激光主動光電儀器的校準(zhǔn)與測試。
文檔編號G01B11/27GK102230788SQ20111016630
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者何志平, 況耀武, 張明, 方抗美, 楊世驥, 狄慧鴿, 舒嶸 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所