专利名称：一种自校准型激光收发光轴平行度测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及光轴平行度测量技术，特别是指一种具有自校准功能的激光收发光学系统光轴平行度的测量装置及方法。
背景技术：
激光主动光电仪器是一种主动式的现代光学遥感设备，是传统的无线电或微波雷达(radar)向光学频段的延伸。由于所用探测波长的缩短和方向性的加强，系统的空间、 时间分辨能力都得到了很大的提高。在国内外已发展的星载激光遥感系统主要包括激光高度计、激光测距机、激光雷达等，激光遥感系统可以精确探测空间距离值，不仅可以应用于星球表面三维高度数值的探测，还可以应用于对空间目标的跟踪、定位和导航，在航天科学探测和军事中将发挥重要作用。高空间分辨率及远距离探测是主动光电仪器的发展趋势，这就要求激光发散角及回波接收瞬时视场尽可能小，有的甚至达到微弧度量级，客观上对该类仪器的发射和接收光轴平行度提出了很高的要求。收发光学系统的光轴是否严格对准，将直接影响回波能量的接收，甚至可能接收不到回波，影响整个系统的正常工作。主动光电仪器在组装及调试完成后，必须检测系统收发光轴是否平行，以判断仪器是否达到最佳性能。另外，仪器组装完成后，在使用中会受到力、热、电等不同环境的影响，因此，准确的检测仪器收发光轴的平行度的变化对于确定仪器的技术状态是非常重要的。现有测试方法及技术一般对每一台激光系统都研制一套相应的测试装置，如火星探测激光高度计MOLA和水星探测激光高度计MLA的测试，以及我国专利“一种测量激光测距系统收发轴配准度的测试装置和方法专利申请号200710040397. 7”所述的测试方法
及装置。上述方法及装置有二个方面的不足一是装置无法自校准，二是装置不能适应不同偏移量的收发光轴的测试。
发明内容
本发明旨在克服现有装置无法自校准的缺陷，同时提高测试装置的适应性，提出一种具备自校准功能的激光收发光轴平行度测量方法及装置，以便适用于不同偏移量的激光主动光电仪器的光轴平行度测试。本发明的测试装置主要包括反射型光束分析单元3、模拟回波源4、二维光束指向扫描单元5、系统自检光路组件6和接收光轴偏移调整单元7。其中所述的模拟回波源 4由光纤激光器401、光束准直器402和孔径光阑403组成，用于模拟激光回波；所述的系统自检光路组件6由一个垂直入射的分光镜601、两个45°入射的分光镜602，603和一个平面反射镜604组成，用于产生相互平行的基准光束D及模拟回波光束C，模拟回波光束C由被测系统接收，基准光束D入射至反射型光束分析单元3即作为初始光路调整时的基准，同时也用于测试装置自校准；所述的接收光轴偏移调整单元7由两块相互平行的第一平面反射镜701和第二平面反射镜702组成，作用是调整模拟回波光束的出射位置以适应不同被测仪器的收发轴偏移量。本发明自校准型激光收发光轴平行度测量方法，由以下步骤实现。A 自校准实现方式。如图1所示，模拟回波源4发出的光束B经过垂直入射的分光镜601后，一部分作为模拟回波光束C从一号45°入射分光镜602透射出去被待测系统接收，另一部分反射后先被二号45°入射分光镜603反射至平面反射镜604，由平面反射镜604反射回的光分为两束，一束作为基准光束D入射至反射型光束分析单元3，另一束经原路返回后又被垂直入射的分光镜601反射，经过第一束相同的光路后再次入射至反射型光束分析单元3作为自校准光束E。装置正常工作状态下，基准光束D和自校准光束E在反射型光束分析单元 3中形成的光斑完全重合，如果光路中某一个或几个元件发生偏离，两束光的光斑在反射型光束分析单元3上同样会发生偏离，由此实现装置的自校准。B:光轴平行度测量方法。如图1所示，模拟回波源4发出的光束B经过二维光束指向扫描单元5后，由系统自检光路组件6形成相互平行的基准光束D及模拟回波光束C，其中基准光束D入射至反射型光束分析单元3，形成光斑；模拟回波光束C经接收光轴偏移调整单元7出射，被待测系统的激光接收单元102所接收。光轴平行度测量时，首先待测系统1的激光发射单元 101出射光束A经过衰减器2后入射至反射型光束分析单元3中形成光斑，调节待测系统， 使光束A聚焦的光斑中心与基准光束D光斑中心重合，此时，待测系统的发射光轴与模拟回波光束C指向平行，调节光轴偏移调整单元7，使待测系统可以接收到模拟回波光束C，待测系统接收单元102有信号输出。驱动二维光束指向扫描单元5，二维改变模拟回波的方向并监测待测系统输出信号的强度，记录下待测系统在某一方向上视场两端刚好无输出信号时基准光束D在反射型光束分析单元3上形成的光斑扫过的距离，对距离数据进一步计算可得待测系统在此方向上的收发光轴的平行度。具体测量方法步骤如下。1)启动模拟回波源4，测量装置将模拟回波源4光纤激光器401发出的光束B分成基准光束D及模拟回波光束C，其中基准光束D入射至反射型光束分析单元3形成光斑， 模拟回波光束C经接收光轴偏移调整单元7出射。2)调节待测系统，使待测系统1的激光发射单元101出射光束A经过衰减器2后入射至反射型光束分析单元3中形成的光斑与基准光束D的光斑中心重合。3)调节光轴偏移调整单元7，使待测系统可以接收到模拟回波光束C，待测系统接收单元102有信号输出。4)驱动二维光束指向扫描单元5，二维改变模拟回波C的方向并监测待测系统输出信号的强度，记录下待测系统在某一方向上视场两端刚好无输出信号时基准光束D在反射型光束分析单元3上形成的光斑扫过的距离a和b。5)激光主动光电仪器收发光轴在该测试方向上的平行度α为。
其中，f’为反射型光束分析单元3中光学镜头31的焦距。本发明不仅能满足共轴型或共光路型激光收发同轴度的测量，而且可以对不同偏移量的非共轴光轴的平行度进行测量，其特点主要体现在1)具备自校准功能，可随时监测装置的状态；2)具备光轴偏移调整功能，可以满足不同偏移量的光轴平行度测试。
图1为测试装置光路图。图2中图(a)为系统自检光路组件6的光路图，为理想状态下，此时基准光束D和自校准光束E平行；图(b)为系统自检光路组件6的光路图，其中某一个元件(如图中虚线部分的602)出现失调，此时基准光束D与自校准光束E不平行，二者在反射型光束分析单元3的光斑不重合。
具体实施例方式下面结合图1给出本专利的一个较好实施例并做详细阐述。图1为测试装置的光路图，其中所用器件为衰减器2采用中性密度衰减片；反射型光束分析单元3中光学镜头31采用反射式望远物镜，光束分析仪32为美国Coherent公司的光束分析仪；模拟回波源4中光纤激光器401为明鑫公司的脉冲光纤激光器，光束准直器402为Thorlabs公司的光纤准直器加IOX扩束器，孔径光阑403为可变光阑；二维光束扫描单元5可采用双光楔扫描器，其中光楔楔角为0. 5°，角度旋转台采用上海联谊的 TRB-m-1-l型旋转台；自检光路组件6中垂直入射的分光镜601为垂直入射的1 :1分光片，一号45°入射分光镜602为45°入射分光比为9:1分光片，二号45°入射分光镜603 为45°入射分光比为1 :1分光片；光轴偏移调整单元7由两个相互平行的反射镜组成。采用以上器件按本专利中的方法搭建起来的测试装置对某激光测距仪的收发轴配准度进行测试，精度可达角秒级。
权利要求
1.一种自校准型激光收发光轴平行度测量装置，它包括反射型光束分析单元(3)、模拟回波源(4)、二维光束指向扫描单元(5)、系统自检光路组件(6)和接收光轴偏移调整单元(7)，其特征在于所述的用于模拟激光回波的模拟回波源(4)由光纤激光器001)、光束准直器(402)和孔径光阑(403)组成；所述的系统自检光路组件(6)由一个垂直入射的分光镜(601)、两个 45°入射的分光镜(602、603)和一个平面反射镜(604)组成；所述的用于调整模拟回波光束的出射位置以适应不同被测仪器的收发轴偏移量的接收光轴偏移调整单元(7)由两块相互平行的第一平面反射镜(701)和第二平面反射镜(702)组成；装置光轴自校准实现方式如下模拟回波源(4)发出的光束B经过垂直入射的分光镜 (601)后，一部分作为模拟回波光束C从一号45°入射分光镜(602)透射出去被待测系统接收，另一部分反射后先被二号45°入射分光镜(603)反射至平面反射镜(604)，由平面反射镜(604)反射回的光分为两束，一束作为基准光束D入射至反射型光束分析单元(3)，另一束经原路返回后又被垂直入射的分光镜(601)反射，经过第一束相同的光路后再次入射至反射型光束分析单元(3)作为自校准光束E，装置正常工作状态下，基准光束D和自校准光束E在反射型光束分析单元(3)中形成的光斑完全重合，如果光路中某一个或几个元件发生偏离，两束光的光斑在反射型光束分析单元(3)上同样会发生偏离，由此实现装置的自校准；装置光轴平行度测量方式如下，模拟回波源(4)发出的光束B经过二维光束指向扫描单元(5)后，由系统自检光路组件(6)形成相互平行的基准光束D及模拟回波光束C，其中基准光束D入射至反射型光束分析单元(3)形成光斑；模拟回波光束C经接收光轴偏移调整单元(7)出射，被待测系统的激光接收单元(102)所接收；光轴平行度测量时，首先待测系统(1)的激光发射单元(101)出射光束A经过衰减器(2 )后入射至反射型光束分析单元(3 ) 中形成光斑，调节待测系统，使光束A聚焦的光斑中心与基准光束D光斑中心重合；调节光轴偏移调整单元(7)，使待测系统可以接收到模拟回波光束C，待测系统接收单元(102)有信号输出，驱动二维光束指向扫描单元(5)，二维改变模拟回波C的方向并监测待测系统输出信号的强度，记录下待测系统在某一方向上视场两端刚好无输出信号时基准光束D在反射型光束分析单元(3)上形成的光斑扫过的距离，对距离数据进一步计算可得待测系统在此方向上的收发光轴的平行度。
2.一种基于如权利要求1所述装置的激光主动光电仪器收发光轴平行度的测量方法 其特征在于包括以下步骤1)启动模拟回波源(4)，测量装置将模拟回波源(4)光纤激光器(401)发出的光束B分成基准光束D及模拟回波光束C，其中基准光束D入射至反射型光束分析单元(3)形成光斑，模拟回波光束C经接收光轴偏移调整单元(7)出射；2)调节待测系统，使待测系统(1)的激光发射单元(101)出射光束A经过衰减器(2)后入射至反射型光束分析单元(3)中形成的光斑与基准光束D的光斑中心重合；3)调节光轴偏移调整单元(7)，使待测系统可以接收到模拟回波光束C，待测系统接收单元(102)有信号输出；4)驱动二维光束指向扫描单元(5)，二维改变模拟回波C的方向并监测待测系统输出信号的强度，记录下待测系统在某一方向上视场两端刚好无输出信号时基准光束D在反射型光束分析单元(3)上形成的光斑扫过的距离a和b ；5)激光主动光电仪器收发光轴在该测试方向上的平行度α为
全文摘要
本发明公开了一种具备自校准功能的激光收发光轴平行度测量装置及方法，包括模拟回波源、二维光束指向扫描单元、系统自检光路组件、接收光轴偏移调整单元和光束监视与数据处理单元。本发明不仅能满足共轴型或共光路型激光收发同轴度的测量，而且可以对不同偏移量的非共轴光轴的平行度进行测量，其特点主要体现在1)具备自校准功能，可随时监测装置的状态；2)具备光轴偏移调整功能，可以满足不同偏移量的光轴平行度测试。因此，特别适用于激光主动光电仪器的校准与测试。
文档编号G01B11/27GK102230788SQ20111016630
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者何志平, 况耀武, 张明, 方抗美, 杨世骥, 狄慧鸽, 舒嵘 申请人:中国科学院上海技术物理研究所