一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置及方法，特别适用于同时存在发射及接收光学系统的辅助光校过程中，还适用于平面反射镜法线的标定、辅助光轴配准等其他光校领域。该发明基于角锥棱镜的自准直功能，利用分光镜(Beam Splitter)的分光功能将两束激光调节至互成180度,利用两束光互成180度的特点,其中一束光模拟接收的回波并与接收光路进行光轴配准,另一束光模拟发射光并与实际发射光进行光轴配准,从而实现收发光路的同轴装校。本发明装置结构简单、成本低廉、标定方法简单。
【专利说明】
一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光主动光电仪器的性能测试及辅助光校装置及方法，特别适用于同 时存在发射及接收光学系统的辅助装校过程中，还适用于平面反射镜法线的标定、辅助光 轴配准等其他光校领域。
【背景技术】
[0002] 激光遥感系统是一种主动式的现代光电遥感设备，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，在军事、航天、大地测绘、工程建筑等方面都有着广泛的应 用和深入的研究。其中，在航空航天遥感上，激光以其高空间分辨率、高灵敏度、单色性好、 全天候等优良特性而备受青睐，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用。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。
[0003]激光遥感系统可被安装于飞机、卫星等测试平台上，它主要由激光发射模块、激光 接收模块和数据处理模块三部分组成。激光发射模块发射出的激光首先被打到地面、洋面 上的冰块等探测目标上，然后被目标反射回飞机或卫星等测试平台上。激光接收模块接收 到反射回来的光信号，并把它转换成为电信号。数据处理模块会精确地测量出从激光发射 到激光雷达接收到激光的时间，而这段时间就是激光在大气中的传输时间。在这段时间内， 激光行走的行程是激光遥感系统与探测目标间距离的两倍。随着激光遥感系统应用范围 的扩大和应用需求的提高，人们对系统的探测能力及系统稳定性要求也越来越高，这也对 遥感系统的地面定标及测试性能提出了更高的要求。激光遥感系统的探测能力指标主要包 括系统测距精度、探测范围（最大测程、最小测程）、测距分辨率和探测概率(虚警率、漏警 率）。而光轴配准度的变化将直接影响到系统的探测能力，这就要求能有标准的仪器或设备 能对其进行测试，并及时标定出变化情况。查询国内外有关激光遥感系统定标与测试技术 的文献和资料得知，国外所研制的每一台激光遥感系统都会配备一套专门的测试系统，到 本世纪开始采用专门的通用测试系统;而国内星载激光遥感系统的起步较晚，目前已有的 是一些针对机载激光测距机的测试方法，这些测试方法大多仅关注测距能力测试，而且测 试项目单一，无专门成型的测试设备，这不能满足标定主动激光遥感系统的需要。
[0004]角锥棱镜作为一种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，它不受入射角大小的 影响，将任意进入通光孔径内的入射光线高效的按方向返回。本发明基于角锥棱镜的自准 直功能，利用分光镜(Beam Splitter)的分光功能将两束激光调节至互成180°，利用两束光 互成180°的特点，其中一束光模拟接收的回波并与接收光路进行光轴配准，另一束光模拟 发射光并与实际发射光进行光轴配准，从而实现收发光路的同轴装校。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置及方法，该发明 装置的使用，可以同时满足同轴及偏轴发射的光电系统光校需求，该发明的特点主要体现 在：1)结构简单，可随时测试辅助装置的状态，测试方法简单;2)可满足不同偏移量的光轴 平行度装校及测试，也可以满足同轴光电系统的装校及测试。
[0006] 本发明装置如附图1所示：
[0007] 第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入激光光源，第一单模光纤1引入光经第一 准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，记 录成像点位置;第二单模光纤2引入光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射、角锥 棱镜6沿原光路返回后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，调节第二准直镜4使得 两束光的成像点重合，完成该装置的装校。撤掉角锥棱镜6,最终第一单模光纤1、第二单模 光纤2引入光的出射方向成180度，该发明装置最终由第一单模光纤1、第二单模光纤2、第一 准直镜3和第二准直镜4、分光镜5共同组成，且可用于收发同轴装校。
[0008] 本发明装置可以用于主动光电系统的收发同轴辅助光校及收发光轴平行度测量， 该方法由以下步骤组成：
[0009] 1、辅助光校装置自检
[0010] 如附图1所示，第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入指定的激光光源，其中第 一单模光纤1引入光经第一准直镜3、分光镜5反射，第二单模光纤2引入光经第二准直镜4、 分光镜5反射、角锥棱镜6转向、分光镜5透射后，两束光一同经过平行光管7会聚于焦面处光 束分析仪8上，检测两束激光最终在光束分析仪上成像光斑是否重合，确认重合后完成辅助 光校装置自检，拆掉角锥棱镜6。
[0011] 2、模拟回波与接收光轴配准
[0012]如附图2所示，将辅助光校装置(包括第一单模光纤1、第二单模光纤2、第一准直镜 3、第二准直镜4、分光镜5)放置于接收光路10与接收望远镜11之间，调节辅助光校装置整 体，使得第一单模光纤1引入激光光源沿接收望远镜11零视场发射，同时使得第二单模光纤 2引入激光光源经第二准直镜4准直出射、再经过分光镜5反射后进入接收光路10,第二单模 光纤2引入激光即为模拟回波，利用该模拟回波与光电系统的接收光路10进行对接，调节接 收光路10使得模拟回波经过接收光路10后探测器接收信号最大，完成模拟回波与接收光轴 的配准。
[0013] 3、模拟发射与激光发射光轴配准
[0014] 第一单模光纤1引入激光光源经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜(5)反射，该 反射光即为模拟发射光，该模拟发射光与模拟回波光轴成180度，即相互之间同轴;模拟发 射光再经过扩束系统11后发射，而激光发射系统9的发射光直接旁轴发射，两束发射光经过 平行光管7后会聚至焦面的光束分析仪8上，调节激光发射系统9,使得两成像光斑重合，完 成发射光轴与模拟发射光轴配准，拆掉辅助装校装置，完成主动光电系统的收发同轴配准。 [0015] 4、辅助收发光轴平行度测量
[0016]在步骤3中，拆除辅助装校装置之前，分别测试两束发射光在光束分析仪8上成像 光斑位置，计算两成像光斑中心位置偏差S，则待测系统的收发光轴调节精度满足：
[0018] 其中，f'为平行光管7的焦距。
[0019] 由于角锥棱镜存在一定的回转精度，该回转精度经过扩束系统11发射后，对外的 固定偏差为，为扩束系统11的扩束倍数。
[0020] 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，该发明的特点主要体现在：
[0021] 1)本发明装置结构简单，成本低廉；
[0022] 2)本发明方法简单，基于角锥棱镜的自准直功能，利用分光镜(Beam Splitter)的 分光功能将两束激光调节至互成180度，利用两束光互成180度特点来辅助收发同轴装校， 且该发明装置自检方法简单有效；
[0023] 3)本发明可满足不同偏移量的光轴平行度装校，也可以满足同轴光电系统的装校 及测试；
【附图说明】
[0024] 图1为主动光电系统的收发同轴辅助光校装置光校示意图。
[0025] 图2为主动光电系统的收发同轴光校光路。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
[0027] 本发明中所采用的主要器件描述如下：
[0028] 1)第一单模光纤1、第二单模光纤2:米用Thor labs公司型号为SM600的单模光纤， 其主要性能参数：工作波段为600-800nm;光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径125 土 lum，截至波长为550 ± 50nm;
[0029] 2)第一准直镜3、第二准直镜4:采用Thorlabs公司型号为352280-B的准直镜，其主 要性能参数:工作波段为600_1050nm;焦距为18.4mm，口径6.5mm;透射材料为EC0550;
[0030] 3)分光镜5:采用Thorlabs公司型号为BS017的非偏振分光棱镜，其主要性能参数： 工作波段为700-1100nm;分光比为1:1，通光口径为20mm;
[0031] 4)角锥棱镜6:采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数:透光 面表面面型优于入/1〇@632.8]11]1;回转精度小于3〃，通光口径为25.41111]1。
[0032] 5)平行光管7:采用定制的反射式平行光管，其主要性能参数:平行光管焦距为5m， 反射抛物面面型优于V200632 ? 8nm;
[0033] 6)光束分析仪8:采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能 参数：工作波段190nm-l 100nm，像素大小4 ? 4um*4 ? 4um，像素个数1600*1200 〇
[0034] 本发明装置自身的装校示意图如图1所示，具体步骤如下：
[0035] 1、第一单模光纤1与第一准直镜3组合调节:第一单模光纤1的一端引入指定的激 光光源，光纤另一端与第一准直镜3对接，激光光源经过准直镜准直后经过平行光管7会聚 于焦面处光束分析仪8上，调节光纤前后位置使得成像光斑最小，固定发射端光纤位置，完 成单模光纤1与准直镜3组合；
[0036] 2、第二单模光纤2与第二准直镜4组合调节:调节方法与步骤1相同；
[0037] 3、第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入激光光源，其中第一单模光纤1引入光 经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成 像，记录成像点位置；
[0038] 4、第二单模光纤2引入光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射、角锥棱镜 6沿原光路返回后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，调节第二准直镜4使得与第 一单模光纤1引入光的成像点重合，撤掉角锥棱镜6,最终第一单模光纤1、第二单模光纤2引 入光的出射方向成180度，完成发明装置的装校。
[0039] 本发明方法的辅助光校示意图如附图2所示，辅助光校流程如下：
[0040] 1、辅助光校装置自检：如附图1所示，第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入指 定的激光光源，分别经过第一准直镜3、第二准直镜4准直发射，第一准直镜3出射光经过分 光镜5反射直接进入平行光管7;第二准直镜4出射光经过分光镜5反射、角锥棱镜转向、再经 过分光镜5透射后进入平行光管7,两束光一同会聚于焦面处光束分析仪8上，检测两束激光 最终在光束分析仪8上成像光斑是否重合，确认重合后完成辅助光校装置自检，拆掉角锥棱 镜。
[0041] 2、模拟回波与接收光轴配准：如附图2所示，将辅助光校装置(包括第一单模光纤 1、第二单模光纤2、第一准直镜3、第二准直镜4及分光镜5)放置于接收光路10与接收望远镜 11之间，调节辅助光校装置整体，使得第一单模光纤1引入激光光源沿接收望远镜11零视场 发射，同时使得第二单模光纤2引入激光光源进入接收光路10,第二单模光纤2引入激光即 为模拟回波，再调节接收光路10,使得模拟回波经过接收光路10后探测器接收信号最大，完 成模拟回波与接收光轴的配准。
[0042] 3、模拟发射与激光发射光轴配准:第一单模光纤1引入激光光源经第一准直镜3准 直出射，再经过分光镜5反射，该反射光即为模拟发射光，该模拟发射光与模拟回波光轴成 180度，即相互之间同轴;模拟发射光再经过扩束系统11后发射，而激光发射系统9的发射光 直接旁轴发射，两束发射光经过平行光管7后会聚至焦面的光束分析仪8上，调节激光发射 系统9使得两束成像光斑重合，完成发射光轴与模拟发射光轴配准，拆掉辅助装校装置，完 成主动光电系统的收发同轴配准。
[0043] 4、辅助收发光轴平行度测量:在步骤3中，拆除辅助装校装置之前，分别测试两束 发射光在光束分析仪8上成像光斑位置，计算两成像光斑中心位置偏差5,则待测系统的收 发光轴调节精度满足：
[0045]其中，f'为平行光管7的焦距。
[0046]由于角锥棱镜存在一定的回转精度，该回转精度经过扩束系统11发射后，对外的 固定偏差为，为扩束系统11的扩束倍数。系统精度为两种误差的组合效果。
【主权项】
1. 一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置，包括第一单模光纤（1)、第二单模光纤 (2)、第一准直镜(3)、第二准直镜(4)、分光镜(5)，角锥棱镜(6)、平行光管(7)、光束分析仪 (8)为辅助调节装置，其特征在于： 第一单模光纤（1)、第二单模光纤(2)分别引入激光光源，其中第一单模光纤（1)引入光 经第一准直镜(3)准直出射，再经过分光镜(5)反射后进入平行光管(7)并在焦面光束分析 仪(8)上成像，记录成像点位置;第二单模光纤(2)引入光经第二准直镜(4)准直出射，再经 过分光镜(5)反射、角锥棱镜(6)沿原光路返回后进入平行光管(7)并在焦面光束分析仪(8) 上成像，调节第二准直镜(4)使得两束光的成像点重合;撤掉角锥棱镜(6)，最终第一单模光 纤(1)、第二单模光纤(2)引入光的出射方向成180度，并用来对收发同轴进行辅助光校。2. 根据权利要求1所述的一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置，其特征在于:所 述的第一单模光纤（1)、第二单模光纤(2)芯径与所使用激光光源波长相匹配，光纤端面处 于第一准直镜(3 )、第二准直镜(4)的焦面位置。3. 根据权利要求1所述的一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置，其特征在于:所 述的第一准直镜(3)、第二准直镜(4)面形偏差RMS值小于λ/1〇,准直镜材料的折射率误差小 于2%。4. 根据权利要求1所述的一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置，其特征在于:所 述的分光镜（5)对使用波长的分光比介于4:6与6:4之间，各通光面面形偏差RMS值小于λ/ 100632·8nm。5. 根据权利要求1所述的一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置，其特征在于:所 述的角锥棱镜(6)的回转精度小于3〃。6. -种基于权利要求1所述的一种主动光电系统的收发同轴辅助光校装置的收发同轴 辅助光校方法，其特征在于方法步骤如下： 1) 辅助装校装置自检:通过第一单模光纤（1)、第二单模光纤（2)分别引入指定的激光 光源，其中第一单模光纤（1)引入光经第一准直镜(3)准直、分光镜(5)反射，第二单模光纤 (2)引入光经第二准直镜(4)准直、分光镜(5)反射、角锥棱镜(6)转向、分光镜(5)透射后，两 束光一同经过平行光管(7)会聚于焦面处光束分析仪(8)上，检测两束激光最终在光束分析 仪上成像光斑是否重合，确认重合后完成辅助光校装置自检，拆掉角锥棱镜(6); 2) 模拟回波与接收光轴配准:第二单模光纤(2)引入激光光源经第二准直镜(4)准直出 射，再经过分光镜(5)反射后，该反射光即为模拟回波，利用该模拟回波与光电系统的接收 光路进行对接，调节接收光路使得模拟回波经过接收光路后接收信号最大，完成模拟回波 与接收光轴的配准； 3) 模拟发射与激光发射光轴配准:第一单模光纤（1)引入激光光源经第一准直镜(3)准 直出射，再经过分光镜(5)反射，该反射光即为模拟发射光，该模拟发射光与模拟回波光轴 成180度，即相互之间同轴，利用平行光管将模拟发射光与实际激光发射光的光轴调节至重 合，拆掉辅助装校装置，完成主动光电系统的收发同轴配准。
【文档编号】G01S7/497GK105929382SQ201610236579
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】吴金才, 何志平, 舒嵘, 王建宇
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所