激光指示器的多參數(shù)檢測(cè)裝配與調(diào)整

系統(tǒng)組成激光指示器主要由基準(zhǔn)光管，模擬光管底座殼體，衰減片，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。其中模擬光管主要是用來(lái)解束散角偏移量等。基準(zhǔn)光管主要用來(lái)提供對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，底座是為了提供一個(gè)基準(zhǔn)，殼體是為了防塵防背景光雜光以及美觀性。二檢測(cè)指標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)主要完成對(duì)被測(cè)激光指示器以下幾個(gè)性能參數(shù)的檢測(cè)：作用距離：在指示器發(fā)射處能清晰看到米距離上的激光光斑，其背景照度20Lx；激光束發(fā)散角（光斑大小）50m處2OWlmil光斑走動(dòng)量：作用距離上50米處背景光20lx下Wlm;作用距離50m；光斑偏移量：Wlmil；光斑調(diào)整范圍：N10mil.檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理要滿足以下要求：能自動(dòng)計(jì)算激光指示器的激光束發(fā)散角、作用距離、光點(diǎn)走動(dòng)量、光斑調(diào)整范圍和光斑偏移量的精確判定；能實(shí)時(shí)顯示激光光斑圖像，輸入測(cè)試時(shí)間、操作人員、指示器編號(hào)等信息。當(dāng)檢測(cè)激光指示器不合格時(shí)，能自動(dòng)提示。具備數(shù)據(jù)備份（輸出表格、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、歷史記錄查詢功能（輸入激光指示器類型、試驗(yàn)時(shí)間、編號(hào)等信息即可查詢）。系統(tǒng)具備視頻信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)進(jìn)行的能力，每次檢測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)可控制。三檢測(cè)原理針對(duì)以上被檢測(cè)激光指示器的功能要求及技術(shù)指標(biāo)，確定如下幾個(gè)部分：1） 對(duì)目前激光束發(fā)散角的檢測(cè)方法進(jìn)行分析，確定焦斑法檢測(cè)原理，對(duì)各個(gè)檢測(cè)參數(shù)原理進(jìn)行分析；2） 對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的激光光束發(fā)散角焦斑法檢測(cè)技術(shù)、多參數(shù)集成檢測(cè)技術(shù)等的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究；3） 對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度進(jìn)行分析。4） 確定裝調(diào)檢測(cè)方案。產(chǎn)品的原理光路圖如圖3.1：

圖3.1光路原理圖當(dāng)作用距離為50m遠(yuǎn)時(shí)。激光的光軸和對(duì)準(zhǔn)光管的光軸會(huì)發(fā)生交叉。激光束散角固體激光器的出射光束多為高斯光束，其光場(chǎng)分布規(guī)律呈高斯曲線形式，在波陣面上振幅的分布是不均勻的。高斯光束在共焦腔中的中心處(坐標(biāo)系原點(diǎn))是強(qiáng)度為高斯分布的平面波，在其他處為高斯分布的球面波。沿Z軸傳播的高斯光束的電矢量為：(3-1)式中E(x,y,z)為點(diǎn)(x,y,z)處的電矢量;W(z)為Z點(diǎn)處的光斑半徑。在z點(diǎn)處激光光斑半徑為：(3-2)式中W。為特征參數(shù)，Wo-W(0)，被稱為高斯光束的“腰粗”。用2。表示高斯光束的發(fā)散角，見(jiàn)圖3.2,應(yīng)有關(guān)系圖3.2高斯光束發(fā)散角當(dāng)Z--8時(shí)，2。=2入/nW。此時(shí)稱其為高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。高斯光強(qiáng)模式的角度分辨率會(huì)隨著發(fā)散距離的增加而增加。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，通常是通過(guò)近場(chǎng)方法來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，即利用一個(gè)聚焦光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)激光束聚焦或用一擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)將光束擴(kuò)束聚焦后，在焦平面上測(cè)量光束寬度3。，利用

業(yè)=2口/r(3-3)求得激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角2。。式中f’為聚焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距。激光束發(fā)散角的檢測(cè)原理圖如圖3.3所示。檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD相機(jī)作為探測(cè)器件，將其放在焦距為f’的聚焦鏡焦面處，只要檢測(cè)到激光光斑的半徑值3。就可得測(cè)出被檢測(cè)激光指示器束散角2。的值。圖3.3焦斑法測(cè)發(fā)散角原理圖光斑走動(dòng)量激光器圖3.4光斑走動(dòng)量測(cè)試原理圖激光指示器光斑在50米作用距離上偏離瞄準(zhǔn)點(diǎn)的程度，可以用角度值來(lái)表示作為光斑走動(dòng)量?；诂F(xiàn)行國(guó)軍標(biāo)及常規(guī)兵器試驗(yàn)靶場(chǎng)相關(guān)規(guī)定，可以采用立靶及光學(xué)目標(biāo)模擬設(shè)備來(lái)進(jìn)行光學(xué)瞄具瞄準(zhǔn)基線變化量的測(cè)量(零位走動(dòng)量的測(cè)量)。根據(jù)以上依據(jù)，采用模擬靶的方法，其原理圖如圖2.3所示。通過(guò)系統(tǒng)軟件檢測(cè)激光指示器在做射擊或環(huán)境試驗(yàn)(如沖擊振動(dòng)、高低溫試驗(yàn)等)前激光光斑在CCD像面上的坐標(biāo)(xl.yl})和試驗(yàn)后激光光斑在CCD像面上的坐標(biāo)(x2,y2)，則該激光指示器實(shí)驗(yàn)前后光斑在X,Y方向上的變化量為：j 4=必1叫/其在CCD像面上的直線距離為,’ ，轉(zhuǎn)化為角度值為 ^對(duì)于光斑中心，通常情況下下激光光斑形狀近似為橢圓，但基于激光指示器多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)原理，需要把激光光斑擬合成圓形，然后求該圓形光斑的半徑和中心位置坐標(biāo)。在激光斑擬合時(shí)，采用形心法確定的光斑中心比較穩(wěn)定，檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確性高。光斑調(diào)整范圍和光斑偏移量此檢測(cè)量的原理和依據(jù)與光點(diǎn)走動(dòng)量的檢測(cè)原理相同。檢測(cè)(要求激光光軸調(diào)節(jié)范圍巳10mil，假設(shè)水平方向上調(diào)節(jié)激光指示器，在CCD上測(cè)得激光指示器光斑沿水平方向上(左或右)偏離Y軸的最大調(diào)節(jié)范圍為r2，、時(shí)，光軸沿垂直方向偏離X軸的最大偏移量為r1，則激光光斑調(diào)節(jié)范圍的角度值為：

光斑偏離量的角度值為:而r1和r2的根據(jù)r=Na求得.N為象元數(shù)目，a為象元大小。用同樣方法垂直方向上調(diào)整指示器調(diào)整機(jī)構(gòu)，可檢測(cè)出指示器在垂直方向上的激光光軸調(diào)節(jié)范圍和水平方向上光軸偏離的角度值。四光機(jī)結(jié)構(gòu)（一）模擬裝置圖4-1模擬裝置組件圖如圖4.1所示，模擬裝置主要由測(cè)量物鏡、鏡筒、轉(zhuǎn)接彎管、平面反射鏡、彎管、衰減片和CCD相機(jī)等元件組成。由激光指示器發(fā)出的激光，經(jīng)測(cè)量物鏡匯聚，衰減片衰減后被CCD相機(jī)接收。由于白光瞄具光軸與激光指示器光軸兩者之間的距離較小，只有23mm。目前市場(chǎng)上的CCD相機(jī)尺寸都過(guò)大放置不下，故采用平面反射鏡將系統(tǒng)光路折轉(zhuǎn)90度。但這樣對(duì)平面反射鏡的放置角度要求較高，因此平面反射鏡座采用三拉三緊的微調(diào)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)平面反射鏡進(jìn)行角度微調(diào)。調(diào)整平面反射鏡安裝角度需要調(diào)試工裝組件用自準(zhǔn)直法或五棱鏡法進(jìn)行調(diào)試。檢測(cè)系統(tǒng)需對(duì)二維的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，這就需要選用具有二維掃描功能的器件作為接收器件，CCD不但能滿足系統(tǒng)的要求，而且成本低，效率高，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的檢測(cè)功能。故采用CCD相機(jī)。

（二）基準(zhǔn)光管目前對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)（準(zhǔn)直式平行光管）的分劃照明一般都采用白熾燈或鹵素?zé)粽彰?。檢測(cè)系統(tǒng)如果采用這兩種燈，由于其發(fā)熱量大，對(duì)分劃的精度有較大的影啊，最終影響檢測(cè)精度和工作穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)的分劃照明光源采用綠光LED照明，光強(qiáng)度可調(diào)，工作壽命長(zhǎng)，利于人眼觀察，尤其是其發(fā)熱量小，較大限度在降低了對(duì)檢測(cè)精度的影響，保證了檢測(cè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。II IIII II圖4.2基準(zhǔn)光管組件圖如上圖4.2所示，對(duì)準(zhǔn)光管組件主要由對(duì)準(zhǔn)物鏡、鏡筒、分劃板、毛玻璃、聚光鏡、燈光和光源本體等元件組成。光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡匯聚，毛玻璃均勻后照射到分劃板上。在檢測(cè)時(shí)，此部分為激光指示器提供一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)作為指示器白光瞄準(zhǔn)鏡的瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)。（三）調(diào)整架如下圖4.3所示，調(diào)整架主要由光管座、上調(diào)整板、下調(diào)整板和緊固螺釘?shù)冉M成。為了確保白光瞄準(zhǔn)鏡光軸與對(duì)準(zhǔn)光管光軸在水平方向的一致性及激光瞄具光軸與參數(shù)測(cè)量光軸在水平方向的一致需要方位和俯仰的微調(diào)機(jī)構(gòu)。本檢測(cè)系統(tǒng)采用上調(diào)整板和下調(diào)整板結(jié)構(gòu)，其在水平方向上有一定的空隙，通過(guò)頂絲實(shí)現(xiàn)方位調(diào)整，通過(guò)三拉三緊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)俯仰的調(diào)整?；鶞?zhǔn)光管組件通過(guò)螺釘緊固到光管座上，微調(diào)這些螺釘可以使白光瞄準(zhǔn)鏡光軸與對(duì)準(zhǔn)光管光軸重合，模擬裝置組件同樣通過(guò)幾個(gè)螺釘緊固到光管座上，微調(diào)這幾個(gè)螺釘，使激光指示器光軸與模擬裝置組件的光軸重合。圖4.3調(diào)整架圖圖4.3調(diào)整架圖（四）殼體圖4.4殼體結(jié)構(gòu)圖如上圖4.4所示，殼體主要由前立板、后立板、橫板、密封膠圈、固定塊和儀器罩等組成。固定塊將橫板固安裝到前后立板之間，防止儀器罩在運(yùn)輸或搬運(yùn)過(guò)程中受到較大外力而引起大的變形。密封膠圈起密封的作用，并且保證模擬裝置組件光軸和基準(zhǔn)光管組件光軸之間的距離。（五）底座如下圖4.5所示，底座主要由調(diào)平支腳組件、底板和底座等組成。三個(gè)調(diào)平支腳組件呈三角形分布，便于快速方便的調(diào)整底板與光學(xué)平臺(tái)平行。底板和底座支撐光管座、模擬裝置組件和基準(zhǔn)光管組件等。圖4.5底座結(jié)構(gòu)圖五誤差因素分析（1）采用微分法分析誤差由公式

135 56(5-1135 56△f’為焦距標(biāo)定誤差△d包含以下幾個(gè)因素：光學(xué)系統(tǒng)像差^dlCCD分辨力引起的誤差A(yù)d2圖像處理誤差^d3相機(jī)位置誤差^d4反射鏡位置誤差^d5接收物鏡像差^d6軸平行性誤差^d7對(duì)準(zhǔn)光管的對(duì)準(zhǔn)誤差^d8△d=(△d"2+△d2W+△d3W+△d4^2+△d5W+△d6W+△d7W+△d8W)A0.5(2)主要誤差因素分析CCD分辨力誤差分析CCD像素分辨率和檢測(cè)物鏡的焦距是用焦斑法檢測(cè)激光器光斑直徑的主要因素。系統(tǒng)使用的CCD的圖像分辨率795C(H)X596(V)，有效感光面積6.Smmx4.8mm,每個(gè)像素的尺寸8.6umx8.3um。取光斑半徑的偏差為△R^8.6um測(cè)量物鏡的焦距f’=140mm,則引起的最大誤差為=U.篇量物銃R光醒北鏡2)兩軸平行性誤差分析'敝光指元器對(duì)維物晚(5-2)篇量物銃R光醒北鏡2)兩軸平行性誤差分析'敝光指元器對(duì)維物晚貝二貝二阡鳥(niǎo)■ >=F(5-4)圖5.1兩軸平行性誤差分析圖測(cè)量光軸和對(duì)準(zhǔn)光軸的不平行對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)角度量有影響。當(dāng)兩軸平行時(shí)檢測(cè)到激光指示器的偏轉(zhuǎn)角為B;,當(dāng)測(cè)量光軸相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)光軸的偏角為al時(shí)檢測(cè)到的激光指示器的偏轉(zhuǎn)角度為B’1，如上圖5.1所示，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可以得出：(5-3)從而推算出兩光軸不平行所引起的角度偏差量為:系統(tǒng)兩軸平行調(diào)試采用分辨力為15",視放大率為25X的前置鏡，進(jìn)行調(diào)試。對(duì)準(zhǔn)光管與前置鏡的對(duì)準(zhǔn)是采用夾線對(duì)準(zhǔn)，人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差為10"，人眼通過(guò)前置鏡觀察時(shí)的對(duì)準(zhǔn)誤差為：（5-5）測(cè)量光管的對(duì)準(zhǔn)采用壓線對(duì)準(zhǔn)，人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差為60"，人眼通過(guò)前置鏡觀察時(shí)的對(duì)準(zhǔn)誤差為：（5-6）則引入的兩光軸的角度偏差為：（7,三一口］=-克）=一，尊"=-0.01則兩軸不平行所引起的角度偏差量為0.013mrad3）反射鏡的位置誤差平面鏡繞中心某個(gè)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有一個(gè)很重要的特性。當(dāng)入射光線方向不變而轉(zhuǎn)動(dòng)平面鏡時(shí)，反射光線的方向?qū)l(fā)生改變。如圖5.2所示，設(shè)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)a角時(shí)，反射光線轉(zhuǎn)動(dòng)。角，根據(jù)反射定律有：（5-7）由此可以得出反射光線的方向改變了2a角。圖5.2平面反射鏡的旋轉(zhuǎn)圖5.2平面反射鏡的旋轉(zhuǎn)圖5.3反射鏡的角度誤差分析圖對(duì)于本檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)激光指示器出射光軸與水平方向夾角為B2，平面鏡偏離45度的角度偏差為a2，光路如上圖5.3所示。圖5.4反射鏡角度誤差簡(jiǎn)圖如圖5.4所示忽略平面鏡轉(zhuǎn)角引起的反射點(diǎn)變化的微小距離，平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)a角度產(chǎn)生的角度偏差為a4。由三角形關(guān)于外角的特性可以得出：系統(tǒng)調(diào)試平面鏡角度通過(guò)前置鏡用對(duì)準(zhǔn)的方法進(jìn)行調(diào)試，調(diào)節(jié)平面反射鏡，使調(diào)試工裝的十字分劃與前置鏡的分劃重合。同時(shí)保證在旋轉(zhuǎn)測(cè)量光管一周時(shí)，調(diào)試工裝十字分劃中心軌跡在前置鏡分劃中心15’’以內(nèi)。采用此方法校正的平面鏡的角度誤差2aW15"，由上式可以得出平面鏡的角度誤差產(chǎn)生的檢測(cè)角度的偏差量為。4<15’’，按。4<15’’=0.073mrad進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)的光軸調(diào)節(jié)范圍和偏離量的角度誤差為：打=.蒿4廿hCLUlf-4-O.073?=0.074jn?^（5-9）六根據(jù)誤差分析采用調(diào)整方法1） 針對(duì)反射鏡和分劃板的位置誤差采用五棱鏡法和自準(zhǔn)直法2） 針對(duì)相機(jī)的位置誤差，將ccd換成分劃板，調(diào)整象。3） 針對(duì)軸平行性誤差，采用五棱鏡法七裝配與調(diào)整基準(zhǔn)光管的調(diào)整對(duì)準(zhǔn)光管的調(diào)試及校準(zhǔn)如圖6.1所示。調(diào)節(jié)前置鏡的方位、俯仰旋鈕，使對(duì)準(zhǔn)光管十字分劃進(jìn)入前置鏡的視場(chǎng)范圍內(nèi)。旋掉光源固定環(huán)和螺紋壓圈后，前后旋轉(zhuǎn)分劃板內(nèi)筒使十字分劃在前置鏡上的成像最清晰，調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)光管緊固頂絲使對(duì)準(zhǔn)光管靠一側(cè)固緊。前置醐目也供圖6.1基準(zhǔn)光管的調(diào)整1）反射鏡的調(diào)整進(jìn)行平面反射鏡45’’調(diào)校之前，先調(diào)節(jié)測(cè)量光管的軸線與自準(zhǔn)直儀的軸線一致。對(duì)測(cè)量光管軸線的調(diào)校采用自準(zhǔn)直的方法。調(diào)試工裝組件由光源、本體、分劃板、毛玻璃、套管和鎖緊螺釘?shù)仍M成。光源發(fā)出的光經(jīng)毛玻璃后均勻的照射到分劃板上。使用時(shí)將測(cè)量參數(shù)組件中的CCD相機(jī)和轉(zhuǎn)接彎管取下，安裝上調(diào)試工裝組件。將測(cè)量光管從儀器上取下，取下平面反射鏡和CCD相機(jī)部分，將調(diào)試工裝及轉(zhuǎn)接管旋到測(cè)量光管上，再將測(cè)量光管水平放置在V形槽上，開(kāi)啟電源，給調(diào)試工裝LED通電，調(diào)整自準(zhǔn)直儀的位置使調(diào)試工裝的十字分劃進(jìn)入到自準(zhǔn)直儀的視場(chǎng)范圍內(nèi)，前后調(diào)節(jié)調(diào)試工裝十字分劃，使其在自準(zhǔn)直儀中成像最清晰。通過(guò)調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀的方位、俯仰及V形塊的俯仰旋鈕，使調(diào)試工裝的十字分劃中心與自準(zhǔn)直儀的分劃板中心重合，此時(shí)，測(cè)量光管的軸線與自準(zhǔn)直儀的軸線一致，調(diào)校原理如圖所示。判瓶 恤任 軒果牌調(diào)試工裝討累最倒.隹墉成山推世枝 丫卷所圖6.2測(cè)量光管軸線調(diào)整將測(cè)量光管去掉CCD相機(jī)安裝上調(diào)試工裝的示意圖。用左手按住測(cè)量光管，右手旋轉(zhuǎn)掉調(diào)試工裝及轉(zhuǎn)接管，此過(guò)程中盡量保證測(cè)量光管不要旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)，安裝上平面反射鏡部分，再將調(diào)試工裝旋到其上，如圖6.3所示。平面反射鏡的安裝采用三拉三緊的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)平面反射鏡座上的頂絲和螺釘，使調(diào)試工裝十字分劃中心與自準(zhǔn)直儀的分劃板中心重合，并且旋轉(zhuǎn)調(diào)試工裝一周，十字分劃中心與自準(zhǔn)直儀的分劃板中心的偏差在15”以內(nèi)，反復(fù)調(diào)節(jié)平面反射鏡座上的頂絲與螺釘，直至滿足條件。vv推域 反JW愉圖6.3反射鏡的調(diào)整2)ccd相機(jī)調(diào)整在通過(guò)物鏡組確定了主光軸，并確定了自準(zhǔn)直前置鏡位置并固定后，接下來(lái)的調(diào)校工作是為了保證兩個(gè)CCD光敏面與物鏡的焦面相重合。調(diào)整和校準(zhǔn)的具體過(guò)程和方法如下:圖6.4Ccd相機(jī)調(diào)整如上圖6.4所示，對(duì)物鏡的光軸測(cè)試完成之后移開(kāi)平行平晶，首先對(duì)白光CCD相機(jī)進(jìn)行調(diào)?！，F(xiàn)將白光CODA取下，換成用來(lái)對(duì)應(yīng)CCD相機(jī)位置的調(diào)試工裝，該調(diào)試工裝按照標(biāo)準(zhǔn)的CCD的安裝接口設(shè)計(jì)，