激光指示器的多参数检测装配与调整同名932.docx

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激光指示器的多参数检测装配与调整同名932

一系统组成

激光指示器主要由基准光管，模拟光管底座壳体，衰减片，计算机系统组成。

其中模拟光管主要是用来解束散角偏移量等。

基准光管主要用来提供对准目标，底座是为了提供一个基准，壳体是为了防尘防背景光杂光以及美观性。

二检测指标

检测系统主要完成对被测激光指示器以下几个性能参数的检测：

作用距离：

在指示器发射处能清晰看到米距离上的激光光斑，其背景照度20Lx；

激光束发散角（光斑大小）50m处2θ≤1mil

光斑走动量：

作用距离上50米处背景光20lx下≤1m;

作用距离50m；

光斑偏移量：

≤1mil；

光斑调整范围：

≥10mil.

检测系统数据采集与处理要满足以下要求：

能自动计算激光指示器的激光束发散角、作用距离、光点走动量、光斑调整范围和光斑偏移量的精确判定；

能实时显示激光光斑图像，输入测试时间、操作人员、指示器编号等信息。

当检测激光指示器不合格时，能自动提示。

具备数据备份（输出表格、数据统计、历史记录查询功能（输入激光指示器类型、试验时间、编号等信息即可查询）。

系统具备视频信号采集与数据传输同时进行的能力，每次检测时间节点可控制。

三检测原理

针对以上被检测激光指示器的功能要求及技术指标，确定如下几个部分：

1）对目前激光束发散角的检测方法进行分析，确定焦斑法检测原理，对各个检测

参数原理进行分析;

2）对检测系统的激光光束发散角焦斑法检测技术、多参数集成检测技术等的关键技术进行分析研究;

3）对系统检测精度进行分析。

4）确定装调检测方案。

产品的原理光路图如图3.1：

图3.1光路原理图

当作用距离为50m远时。

激光的光轴和对准光管的光轴会发生交叉。

（1）激光束散角

固体激光器的出射光束多为高斯光束，其光场分布规律呈高斯曲线形式，在波阵

面上振幅的分布是不均匀的。

高斯光束在共焦腔中的中心处（坐标系原点）是强度为高斯分布的平面波，在其他处为高斯分布的球面波。

沿Z轴传播的高斯光束的电矢量为:

（3-1）

式中E（x,y,z）为点（x,y,z）处的电矢量;

W（z）为Z点处的光斑半径。

在z点处激光光斑半径为:

（3-2）

式中W。

为特征参数，Wo-W（0），被称为高斯光束的“腰粗”。

用2θ表示高斯光束的发散角，见图3.2，应有关系

图3.2高斯光束发散角

当Z--∞时，2θ=2λ/πW。

此时称其为高斯光束远场发散角。

高斯光强模式的角度分辨率会随着发散距离的增加而增加。

在实际检测时，通

常是通过近场方法来检测远场发散角，即利用一个聚焦光学系统将被测激光束聚焦或

用一扩束聚焦系统将光束扩束聚焦后，在焦平面上测量光束宽度ω。

，利用

（3-3）

求得激光光束远场发散角2θ。

式中f’为聚焦光学系统的焦距。

激光束发散角的检测原理图如图3.3所示。

检测系统采用CCD相机作为探测器件，将其放在焦距为f’的聚焦镜焦面处，只要检测到激光光斑的半径值ω。

就可得测出被检测激光指示器束散角2θ的值。

图3.3焦斑法测发散角原理图

（2）光斑走动量

图3.4光斑走动量测试原理图

激光指示器光斑在50米作用距离上偏离瞄准点的程度，可以用角度值来表示作为光斑走动量。

基于现行国军标及常规兵器试验靶场相关规定，可以采用立靶及光学目标模拟设备来进行光学瞄具瞄准基线变化量的测量（零位走动量的测量）。

根据以上依据，采用模拟靶的方法，其原理图如图2.3所示。

通过系统软件检测激光指示器在做射击或环境试验（如冲击振动、高低温试验等）前激光光斑在CCD像面上的坐标（x1.y1}）和试验后激光光斑在CCD像面上的坐标（x2,y2），则该激光指示器实验前后光斑在X,Y方向上的变化量为:

（3-4）

其在CCD像面上的直线距离为

，转化为角度值为

。

对于光斑中心，通常情况下下激光光斑形状近似为椭圆，但基于激光指示器多参数检测系统原理，需要把激光光斑拟合成圆形，然后求该圆形光斑的半径和中心位置坐标。

在激光斑拟合时，采用形心法确定的光斑中心比较稳定，检测的结果准确性高。

（3）光斑调整范围和光斑偏移量

此检测量的原理和依据与光点走动量的检测原理相同。

检测（要求激光光轴调节范围≥10mil，假设水平方向上调节激光指示器，在CCD上测得激光指示器光斑沿水平方向上（左或右）偏离Y轴的最大调节范围为r2，、时，光轴沿垂直方向偏离X轴的最大偏移量为r1，则激光光斑调节范围的角度值为:

（3-5）

光斑偏离量的角度值为：

（3-6）

而r1和r2的根据r=Na求得.N为象元数目，a为象元大小。

用同样方法垂直方向上调整指示器调整机构，可检测出指示器在垂直方向上的激

光光轴调节范围和水平方向上光轴偏离的角度值。

四光机结构

（一）模拟装置

图4-1模拟装置组件图

如图4.1所示，模拟装置主要由测量物镜、镜筒、转接弯管、平面反射镜、弯管、衰减片和CCD相机等元件组成。

由激光指示器发出的激光，经测量物镜汇聚，衰减片衰减后被CCD相机接收。

由于白光瞄具光轴与激光指示器光轴两者之间的距离较小，只有23mm。

目前市场上的CCD相机尺寸都过大放置不下，故采用平面反射镜将系统光路折转90度。

但这样对平面反射镜的放置角度要求较高，因此平面反射镜座采用三拉三紧的微调结构带动平面反射镜进行角度微调。

调整平面反射镜安装角度需要调试工装组件用自准直法或五棱镜法进行调试。

检测系统需对二维的数据进行记录，这就需要选用具有二维扫描功能的器件作为接收器件，CCD不但能满足系统的要求，而且成本低，效率高，能实现实时的检测功能。

故采用CCD相机。

（二）基准光管

目前对准光学系统（准直式平行光管）的分划照明一般都采用白炽灯或卤素灯照明。

检测系统如果采用这两种灯，由于其发热量大，对分划的精度有较大的影啊，最终影响检测精度和工作稳定性。

因此，本系统的分划照明光源采用绿光LED照明，光强度可调，工作寿命长，利于人眼观察，尤其是其发热量小，较大限度在降低了对检测精度的影响，保证了检测系统工作的稳定性。

图4.2基准光管组件图

如上图4.2所示，对准光管组件主要由对准物镜、镜筒、分划板、毛玻璃、聚光镜、

灯光和光源本体等元件组成。

光源发出的光经聚光镜汇聚，毛玻璃均匀后照射到分划板上。

在检测时，此部分为激光指示器提供一个无限远目标作为指示器白光瞄准镜的瞄准基准。

。

（三）调整架

如下图4.3所示，调整架主要由光管座、上调整板、下调整板和紧固螺钉等组成。

为了确保白光瞄准镜光轴与对准光管光轴在水平方向的一致性及激光瞄具光轴与

参数测量光轴在水平方向的一致需要方位和俯仰的微调机构。

本检测系统采用上调整板和下调整板结构，其在水平方向上有一定的空隙，通过顶丝实现方位调整，通过三拉三紧的结构实现俯仰的调整。

基准光管组件通过螺钉紧固到光管座上，微调这些螺钉可以使白光瞄准镜光轴与对准光管光轴重合，模拟装置组件同样通过几个螺钉紧固到光管座上，微调这几个螺钉，使激光指示器光轴与模拟装置组件的光轴重合。

图4.3调整架图

（四）壳体

图4.4壳体结构图

如上图4.4所示，壳体主要由前立板、后立板、横板、密封胶圈、固定块和仪器罩

等组成。

固定块将横板固安装到前后立板之间，防止仪器罩在运输或搬运过程中受到较大外力而引起大的变形。

密封胶圈起密封的作用，并且保证模拟装置组件光轴和基准光管组件光轴之间的距离。

（五）底座

如下图4.5所示，底座主要由调平支脚组件、底板和底座等组成。

三个调平支脚组件呈三角形分布，便于快速方便的调整底板与光学平台平行。

底板和底座支撑光管座、模拟装置组件和基准光管组件等。

图4.5底座结构图

五误差因素分析

（1）采用微分法分析误差由公式

（5-1）

△f’为焦距标定误差

△d包含以下几个因素:

光学系统像差△d1

CCD分辨力引起的误差△d2

图像处理误差△d3

相机位置误差△d4

反射镜位置误差△d5

接收物镜像差△d6

轴平行性误差△d7

对准光管的对准误差△d8

△d=（△d1^2+△d2^2+△d3^2+△d4^2+△d5^2+△d6^2+△d7^2+△d8^2）^0.5

（2）主要误差因素分析

1）CCD分辨力误差分析

CCD像素分辨率和检测物镜的焦距是用焦斑法检测激光器光斑直径的主要因素。

系统使用的CCD的图像分辨率795C（H）X596（V），有效感光面积6.Smmx4.8mm，

每个像素的尺寸8.6μmx8.3μm。

取光斑半径的偏差为△R≈8.6μm测量物镜的焦

距f’=140mm，则引起的最大误差为

（5-2）

2）两轴平行性误差分析

图5.1两轴平行性误差分析图

测量光轴和对准光轴的不平行对检测系统检测角度量有影响。

当两轴平行时检测

到激光指示器的偏转角为β;，当测量光轴相对于对准光轴的偏角为αl时检测到的激光

指示器的偏转角度为β’1，如上图5.1所示，根据图中的几何关系可以得出:

（5-3）

从而推算出两光轴不平行所引起的角度偏差量为:

（5-4）

系统两轴平行调试采用分辨力为15"，视放大率为25X的前置镜，进行调试。

对

准光管与前置镜的对准是采用夹线对准，人眼的对准误差为10"，人眼通过前置镜观

察时的对准误差为:

（5-5）

测量光管的对准采用压线对准，人眼的对准误差为60"，人眼通过前置镜观察时

的对准误差为:

（5-6）

则引入的两光轴的角度偏差为:

则两轴不平行所引起的角度偏差量为0.013mrad

3）反射镜的位置误差

平面镜绕中心某个轴线转动时具有一个很重要的特性。

当入射光线方向不变而转

动平面镜时，反射光线的方向将发生改变。

如图5.2所示，设平面镜转动a角时，反射光线转动θ角，根据反射定律有:

（5-7）

由此可以得出反射光线的方向改变了2a角。

图5.2平面反射镜的旋转

图5.3反射镜的角度误差分析图

对于本检测系统，当激光指示器出射光轴与水平方向夹角为β2，平面镜偏离45度

的角度偏差为a2，光路如上图5.3所示。

图5.4反射镜角度误差简图

如图5.4所示忽略平面镜转角引起的反射点变化的微小距离，平面镜转动α角度

产生的角度偏差为α4。

由三角形关于外角的特性可以得出:

（5-8）

系统调试平面镜角度通过前置镜用对准的方法进行调试，调节平面反射镜，使调

试工装的十字分划与前置镜的分划重合。

同时保证在旋转测量光管一周时，调试工装

十字分划中心轨迹在前置镜分划中心15’’以内。

采用此方法校正的平面镜的角度误差2α≤15"，由上式可以得出平面镜的角度

误差产生的检测角度的偏差量为σ4<15’’，按σ4<15’’=0.073mrad进行计算。

系统的光轴调节范围和偏离量的角度误差为:

（5-9）

六根据误差分析采用调整方法

1）针对反射镜和分划板的位置误差采用五棱镜法和自准直法

2）针对相机的位置误差，将ccd换成分划板，调整象。

3）针对轴平行性误差，采用五棱镜法

七装配与调整

基准光管的调整

对准光管的调试及校准如图6.1所示。

调节前置镜的方位、俯仰旋钮，使对准光管十字分划进入前置镜的视场范围内。

旋掉光源固定环和螺纹压圈后，前后旋转分划板内筒使十字分划在前置镜上的成像最清晰，调节对准光管紧固顶丝使对准光管靠一侧固紧。

图6.1基准光管的调整

1）反射镜的调整

进行平面反射镜45’’调校之前，先调节测量光管的轴线与自准直仪的轴线一致。

对测量光管轴线的调校采用自准直的方法。

调试工装组件由光源、本体、分划板、毛玻璃、套管和锁紧螺钉等元件组成。

光源发出的光经毛玻璃后均匀的照射到分划板上。

使用时将测量参数组件中的CCD相机和转接弯管取下，安装上调试工装组件。

将测量光管从仪器上取下，取下平面反射镜和CCD相机部分，将调试工装及转接管旋到测量光管上，再将测量光管水平放置在V形槽上，开启电源，给调试工装LED通电，调整自准直仪的位置使调试工装的十字分划进入到自准直仪的视场范围内，前后调节调试工装十字分划，使其在自准直仪中成像最清晰。

通过调节自准直仪的方位、俯仰及V形块的俯仰旋钮，使调试工装的十字分划中心与自准直仪的分划板中心重合，此时，测量光管的轴线与自准直仪的轴线一致，调校原理如图所示。

图6.2测量光管轴线调整

将测量光管去掉CCD相机安装上调试工装的示意图。

用左手按住测量光管，

右手旋转掉调试工装及转接管，此过程中尽量保证测量光管不要旋转及移动，安装上平面反射镜部分，再将调试工装旋到其上，如图6.3所示。

平面反射镜的安装采用三拉三紧的结构，通过调节平面反射镜座上的顶丝和螺钉，使调试工装十字分划中心与自准直仪的分划板中心重合，并且旋转调试工装一周，十字分划中心与自准直仪的分划板中心的偏差在15”以内，反复调节平面反射镜座上的顶丝与螺钉，直至满足条件。

图6.3反射镜的调整

2）ccd相机调整

在通过物镜组确定了主光轴，并确定了自准直前置镜位置并固定后，接下来的调校工作是为了保证两个CCD光敏面与物镜的焦面相重合。

调整和校准的具体过程和方法如下:

图6.4Ccd相机调整

如上图6.4所示，对物镜的光轴测试完成之后移开平行平晶，首先对白光CCD相机进行调校。

现将白光CODA取下，换成用来对应CCD相机位置的调试工装，该调试

工装按照标准的CCD的安装接口设计，并由十字分划的毛玻璃、白光光源及镜架所组成，将镜架固定在CCD相机的相同位置，这时带十字分划的毛玻璃的位置刚好替代了CCD的光敏面，调试白光ccD的同时需将红外CCD的安装接口处用黑色不透光的纸遮挡，防止杂光影响。

现将物镜组从一个极限位置开始移动，同时通过自准直前置镜的目镜观察调试工装的十字分划，直至能看清十字分划线，再调节探测组件的微调旋钮和分光镜组件的调整旋钮一边由自准直前置镜中观察十字分划像，使其基本位于自准直前置镜分划的中心，此时的物镜的位置即为}SOnm波段光的位置。

调整好白光CCD相机后，采用相同方法和步骤将调试工装安装在红外CCD相机的位置，并遮挡白光CCD相机的入射光，之后重复上述步骤，直到调试后的两组工装的毛玻璃的十字分划同时位于自准直前置镜的十字分划中心，即两组CCD相机的光敏面基本位于物镜组的焦平面上，之后固定探测组件和分光棱镜的微调节旋钮，并锁紧各个组件，防止发生移动。

3）轴平行性调整

将调校完的测量光管女装到测试系统的光管座上，取下衰减片，调节前置镜的方位、俯仰旋钮，使其十子分划与对准光管十字分划重合，此时前置镜轴线与对准光管轴线平行。

再通过调节测量光管紧固顶丝，使测量光管上的调试工装十字分划与前置镜的十字分划重合，此时测量光管轴线与前置镜轴线平行，即测量光管与对准光管两轴平行，如下图6.5所示。

图6.5轴平行性调整