可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置製造方法
2023-05-01 23:19:51 2
可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置製造方法
【專利摘要】本專利公開了一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置。裝置包含二維靶標轉臺，俯仰軸工作平面，雷射器，音圈電機快速指向鏡，漫反射屏等。安放於二維靶標轉臺的俯仰軸工作平面上的雷射器發出雷射光束，經由快速指向鏡發射後打在漫反射屏，形成雷射光斑，作為待測設備的跟蹤靶標。通過二維靶標轉臺的大範圍運動模擬靶標的相對運動，通過音圈電機快速指向鏡的高頻小角度偏轉模擬光軸受到的微振動幹擾。利用裝置對待測設備的跟蹤範圍、跟蹤速度和跟蹤精度等指標進行測試。本專利為光電跟蹤系統提供了大範圍、機動性強的動態跟蹤靶標，同時可模擬光軸的微振動幹擾，且測試系統結構簡單，易於搭建和攜帶，可在不同場合下靈活使用。
【專利說明】可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置
【技術領域】
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[0001]本專利涉及光電設備的檢測技術，具體涉及一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置，可用於空間雷射通信等系統中的光電跟蹤終端的性能檢測。
【背景技術】
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[0002]光電跟蹤設備廣泛用於非合作目標跟蹤、合作目標的雙向通信等場景，其跟蹤性能是系統的重要指標。以空間平臺下的用於空地光通信的光電跟蹤終端為例，其面臨平臺微振動等複雜環境，同時又要保證很高的跟蹤精度，因此有必要在地面對其性能進行充分的檢測。
[0003]對光電跟蹤設備進行性能檢測的關鍵在於提供合適的動態靶標和模擬真實的工作環境。一般認為動態靶標分為跟蹤靶標和測量靶標，前者僅模擬動態空間目標，後者還可以精確測定任意時刻靶標的空間角度，用來標定待測設備的測量精度。對工作環境的模擬主要包括對終端所處的平臺運動狀態、熱環境、大氣湍流、雷射的遠距離傳輸和遠場分布等因素的模擬。
[0004]目前最常見的光電跟蹤性能檢測方法有兩種，一是旋轉靶標法，二是利用平行光管加光束偏轉機構。旋轉祀標法由旋轉電機帶動平行光管轉動，通過反射鏡形成旋轉光錐，被測設備位於光錐頂點。這種方法應用廣泛，可提供跟蹤和測量靶標，但其結構龐大，控制複雜，且運動軌跡單一。第二種方法利用平行光管產生平行光，在光路中間加入雙稜鏡等光束偏轉機構使得光束髮生偏折，產生二維運動軌跡。此方法常用來模擬雷射的遠場分布，檢測系統的光學性能，但其運動軌跡範圍較小，機動性差，對跟蹤性能的檢測不夠充分。
[0005]另外一種與本專利較為接近的方法是利用雷射光束在幕牆上的反射作為動態靶標。(參見張波，檢測光電跟蹤測量設備的雷射模擬空間目標[J].光電子?雷射，2003，14(3) =324-326.)這種方法利用雷射的準直特性，直接將雷射器產生的雷射光束打在幕牆上，模擬空間目標。雷射器安裝於兩軸轉臺上，轉臺按編程規律運動，形成空間目標軌跡。待測設備跟蹤靶標後，根據空間位置關係來計算其跟蹤指向精度。由於不考慮光束的遠場分布，該方法未使用平行光管，因而結構簡單，控制靈活，且目標軌跡的動態範圍大，機動性強。但此方法存在以下兩個問題:
[0006]第一，無法對光電跟蹤設備所處平臺的微振動幹擾進行模擬。以星載跟蹤終端為例，衛星平臺的動量輪運動造成的微振動會對跟蹤精度造成一定影響，有必要對其進行相應的模擬和檢測。
[0007]第二，該方法針對的對象是光電跟蹤測量設備，因此它將檢測系統作為測量靶標，即利用雷射器轉臺的測角值和設備的空間位置關係來計算空間目標的位置真值，以待測設備跟蹤時的自身角度作為測量值，從而對待測設備的指向精度進行檢測。此方法依賴於對空間位置的精確測量與標定，以及檢測設備和被測設備之間的準確的時間同步，並且要求檢測設備的測角精度高於被測設備。這使得測試系統難於搭建和標定，當待測光電跟蹤設備的自身精度較高時無法採用該檢測方法。
【發明內容】
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[0008]本專利的目的是提出一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置，它在提供大範圍、機動性強的動態跟蹤靶標的同時，同時能夠模擬平臺的微振動幹擾，解決了對光電跟蹤設備進行動態跟蹤性能檢測的問題。
[0009]本專利的裝置構成如附圖1所示，包括:二維靶標轉臺1，靶標轉臺驅動器2，靶標轉臺控制計算機3，俯仰軸工作平面4，雷射器5，雷射器電源6，音圈電機快速指向鏡7，音圈電機驅動控制器8，漫反射屏9，待測光電跟蹤設備10。
[0010]其中:二維靶標轉臺I為雙U型架結構，分別在方位和俯仰兩個維度轉動，俯仰軸工作平面4的表面具有孔距25mm的M6螺紋孔陣列；俯仰軸工作平面4上安放雷射器5，雷射器5的出射光軸與俯仰軸軸線平行；音圈電機快速指向鏡7固定安放在俯仰軸工作平面4的中心，其基準法線方向與雷射器出射光軸呈45°夾角，雷射光束經其反射後沿著垂直於俯仰軸軸線的方向出射；在音圈電機驅動控制器8的作用下，音圈電機快速指向鏡7在基準方向的基礎上產生高頻小角度的二維偏轉，使得雷射束在原有方向上發生微小偏折；雷射束由快速指向鏡反射後打在漫反射屏9上，形成靶標光斑；二維靶標轉臺I和待測光電跟蹤設備10的中心位置保持同一水平高度，且二者連線與漫反射屏9所在平面平行。
[0011]工作時，二維靶標轉臺I帶動俯仰軸工作平面4及上面安放的雷射器5和音圈電機快速指向鏡7在方位軸和俯仰軸方向進行大範圍轉動，使得漫反射屏9上的靶標光斑產生大範圍運動，模擬動態靶標與待測光電跟蹤設備10之間的相對運動；在此基礎上，音圈電機快速指向鏡7進行高頻小角度二維偏轉，改變雷射束出射方向，使得漫反射屏9上的靶標光斑產生小範圍抖動，模擬待測光電跟蹤設備10的光軸所受到的微振動幹擾。
[0012]結合上述裝置，本專利的檢測方法如下:
[0013]I)跟蹤範圍測試，具體步驟為:
[0014]1.1令待測光電跟蹤設備10捕獲漫反射屏9上的雷射光斑；
[0015]1.2 二維靶標轉臺I帶動雷射光斑在方位軸或者俯仰軸方向做低速單向運動，待測光電跟蹤設備10跟蹤雷射光斑；
[0016]1.3當待測光電跟蹤設備10的運動機構達到邊界而丟失雷射光斑時的角度測量值即為該方向上的跟蹤範圍極限值；
[0017]2)最大瞬時捕獲角速度測試，具體步驟為:
[0018]2.1令待測光電跟蹤設備10處於掃描或凝視捕獲狀態；
[0019]2.2 二維靶標轉臺I帶動雷射光斑從一側進入待測光電跟蹤設備10的掃描或凝視範圍，觀察其是否能瞬間捕獲並跟蹤；
[0020]2.3逐漸增大雷射光斑運行的角速度，當待測光電跟蹤設備10無法瞬間捕獲光斑時的角速度測量值即為該方向上的瞬時捕獲角速度極限值；
[0021]3)最大跟蹤角速度測試，具體步驟為:
[0022]3.1令待測光電跟蹤設備10捕獲漫反射屏9上的雷射光斑；
[0023]3.2 二維靶標轉臺I帶動雷射光斑在方位軸或者俯仰軸方向做單向運動，待測光電跟蹤設備10跟蹤雷射光斑；
[0024]3.3逐漸增大光斑運行的角速度，當待測光電跟蹤設備10丟失光斑時的角速度測量值即為該方向上的跟蹤角速度極限值；
[0025]4)跟蹤帶寬測試，具體步驟為:
[0026]4.1令待測光電跟蹤設備10捕獲漫反射屏9上的雷射光斑；
[0027]4.2 二維靶標轉臺I帶動雷射光斑按照一定頻率和振幅的正弦曲線運動，待測光電跟蹤設備10跟蹤雷射光斑；
[0028]4.3逐漸增大正弦曲線的頻率，當待測光電跟蹤設備10丟失光斑時的正弦曲線頻率值即為其跟蹤帶寬指標；
[0029]5)微振動幹擾測試，具體步驟為:
[0030]5.1令二維靶標轉臺I處於零位位置，並保持靜止；
[0031]5.2開啟音圈電機快速指向鏡7，令其產生特定頻率和幅度的小角度偏轉，使光軸出射方向發生抖動，並令待測光電跟蹤設備10跟蹤雷射光斑；
[0032]5.3記錄待測光電跟蹤設備10的跟蹤探測器脫靶量，計算跟蹤誤差，改變音圈電機快速指向鏡7的工作頻率，通過掃頻方式得到跟蹤誤差與幹擾頻率的關係；
[0033]5.4當跟蹤誤差的幅度與擾動幅度相等時，此時的擾動頻率為待測光電跟蹤設備10的幹擾抑制帶寬；
[0034]6)跟蹤精度測試，具體步驟為:
[0035]6.1令待測光電跟蹤設備10捕獲漫反射屏9上的雷射光斑；
[0036]6.2 二維靶標轉臺I帶動雷射光斑按照特定軌跡運動，待測光電跟蹤設備10跟蹤雷射光斑，並依據跟蹤探測器的脫靶量指標來計算待測光電跟蹤設備10的跟蹤精度，測試特定的相對運動對跟蹤精度的影響；
[0037]6.3在上述基礎上令音圈電機快速指向鏡7產生符合特定振動功率譜的微振動幹擾，依據跟蹤探測器的脫靶量指標來計算待測光電跟蹤設備10的跟蹤精度，測試特定功率譜下的微振動對跟蹤精度的影響。
[0038]本專利有如下有益效果:
[0039]採用漫反射屏上的雷射光斑作為動態跟蹤靶標，利用二維靶標轉臺產生大範圍、機動性強的運動軌跡，同時利用音圈電機快速指向鏡使光束產生高頻小角度抖動，不僅可以模擬靶標與待測設備的相對運動，還可模擬光軸的微振動幹擾，充分測試了光電跟蹤設備的跟蹤範圍、跟蹤帶寬、跟蹤精度等指標。由於僅將動態目標作為跟蹤靶標，無需對測試系統的位置標定、時間同步和測量精度提出較高要求，從而使得測試系統結構簡單，易於搭建和攜帶，可在不同場合下靈活使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0040]圖1是本專利的檢測裝置構成示意圖；圖中:1.二維靶標轉臺；2.靶標轉臺驅動器；3.靶標轉臺控制算機；4.俯仰軸工作平面；5.雷射器；6.雷射器電源；7.音圈電機快速指向鏡；8.音圈電機驅動控制器；9.漫反射屏；10.待測光電跟蹤設備。
【具體實施方式】
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[0041]下面結合附圖對本專利的【具體實施方式】作進一步的詳細說明:
[0042]以某星地光通信的星載跟瞄終端作為待測設備，其採用複合軸跟蹤結構:使用二維轉臺作為大範圍轉動執行機構，與大視場CMOS探測器構成粗跟蹤系統，用於目標光的初始捕獲和大範圍跟蹤指向；粗跟蹤系統通過望遠鏡將光束引入後光路，由壓電陶瓷二維偏轉鏡和小視場CMOS探測器構成精跟蹤系統，用於光束的高精度跟瞄和高頻擾動抑制。
[0043]二維靶標轉臺採用雙U型架結構，其中俯仰軸U型架作為工作面來固定雷射器等部件。方位軸和俯仰軸均採用步進電機驅動，並使用Renishaw圓光柵作為測角傳感器進行位置閉環，達到角秒量級的控制精度。方位軸可在360°範圍內連續旋轉，俯仰軸的轉動範圍為±90°，均大於待測設備的跟蹤範圍指標。另外通過選型和設計保證其最大轉動角速度也大於待測設備的最大跟蹤角速度。雷射器採用671nm紅光雷射器，功率為10mW,發散角為lmrad。音圈電機快速指向鏡及其控制驅動器採用Newport公司的FSM系列產品,其偏轉範圍為正負1.5°，閉環帶寬可達800Hz，解析度在urad量級，可以有效模擬衛星平臺的微振動幹擾。
[0044]漫反射屏利用實驗室的平整白色牆壁，高度3m，寬度6m，與待測設備的距離為3m，可測試的方位軸角度範圍為90°，俯仰軸角度範圍為53度。
[0045]檢測時應首先搭建測試系統，對各設備的位置進行測量標定，並對靶標轉臺進行編程，生成所需要的測試曲線。檢測在實驗室內進行，應確保沒有明顯的振動幹擾源，另外雷射器開啟時應處於暗室環境，以防止雜光幹擾。
[0046]按照專利所述方法的步驟對星載跟瞄終端的跟蹤性能進行檢測。其中跟蹤範圍測試針對粗跟蹤系統的執行機構運動範圍進行檢測；最大瞬時捕獲角速度測試和最大跟蹤角速度測試主要檢測粗跟蹤系統對目標的捕獲跟蹤能力；跟蹤帶寬測試反映了待測設備對大幅度低頻率幹擾的承受能力，主要取決於粗跟蹤系統的動態性能；跟蹤精度測試可反映粗跟蹤系統和整個設備的跟蹤性能，其結果直接影響了終端的光通信性能；微振動幹擾模擬測試則考察了衛星平臺的高頻微振動對跟蹤精度的影響，主要反映了精跟蹤系統的動態性倉泛。
[0047]對待測設備進行全面檢測後，可以根據檢測結果判斷設備的跟蹤性能是否滿足指標要求；並可以依據其在模擬衛星微振動幹擾下的工作性能，對系統設計、控制算法進行相應優化。
【權利要求】
1.一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置，它包括:二維靶標轉臺(I)，靶標轉臺驅動器(2)，靶標轉臺控制計算機(3)，俯仰軸工作平面(4)，雷射器(5)，雷射器電源￠)，音圈電機快速指向鏡(7)，音圈電機驅動控制器(8)，漫反射屏(9)，待測光電跟蹤設備(10)，其特徵在於:所述的二維靶標轉臺(I)為雙U型架結構，分別在方位和俯仰兩個維度轉動，俯仰軸工作平面(4)的表面具有孔距25mm的M6螺紋孔陣列；俯仰軸工作平面(4)上安放雷射器(5)，雷射器(5)的出射光軸與俯仰軸軸線平行；音圈電機快速指向鏡(7)固定安放在俯仰軸工作平面(4)的中心，其基準法線方向與雷射器出射光軸呈45°夾角，雷射光束經其反射後沿著垂直於俯仰軸軸線的方向出射；在音圈電機驅動控制器(8)的作用下，音圈電機快速指向鏡(7)在基準方向的基礎上產生高頻小角度的二維偏轉，使得雷射束在原有方向上發生微小偏折；雷射束由快速指向鏡反射後打在漫反射屏(9)上，形成靶標光斑；二維靶標轉臺(I)和待測光電跟蹤設備(10)的中心位置保持同一水平高度，且二者連線與漫反射屏(9)所在平面平行； 二維靶標轉臺(I)帶動俯仰軸工作平面(4)及上面安放的雷射器(5)和音圈電機快速指向鏡(7)在方位軸和俯仰軸方向進行大範圍轉動，使得漫反射屏(9)上的靶標光斑產生大範圍運動，模擬動態靶標與待測光電跟蹤設備(10)之間的相對運動；在此基礎上，音圈電機快速指向鏡(7)進行高頻小角度二維偏轉，改變雷射束出射方向，使得漫反射屏(9)上的革巴標光斑產生小範圍抖動，模擬待測光電跟蹤設備(10)的光軸所受到的微振動幹擾。
【文檔編號】G01M11/00GK203965127SQ201420310506
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】賈建軍, 白帥, 石小麗, 王娟娟, 楊明冬, 秦文 申請人:中國科學院上海技術物理研究所