专利名称：二维指向镜动态性能检测装置及检测方法
二维指向镜动态性能检测装置及检测方法技术领域
本发明属于光电检测技术领域，特别是一种二维指向镜动态性能检测装置及检 测方法。本发明可用于二维指向镜等大角度光束导向装置的静、动态性能的室内检测与 验证。
背景技术：
光电捕获跟踪瞄准技术在激光雷达、自由空间激光通信、光电对抗等领域具有 重要应用。从系统结构和旋转特点来看，跟踪瞄准机架可分为两类一类是旋转机架， 即将望远镜系统整个安装在万向支架上，跟踪瞄准目标时，需转动机架；另一类是旋转 指向镜(也称扫描镜或转镜)，即固定望远镜系统，只控制指向镜转动实现目标跟踪。 旋转机架结构在各类经纬仪和空间激光通信终端中得到成熟应用；而指向镜相对质量较 轻，响应频率较高，目前也得到越来越广泛的重视和应用，特别是在激光雷达、航空相 机等领域，用来指向和稳定激光束或相机的视线。光电跟踪瞄准系统是一个集光学、机 械、电子、计算机等综合的复杂系统，在系统的研制过程中，必须建立高精度的性能检 测和验证平台，对系统和各关键单元的静态、动态的精度进行分析和检测，以及时掌握 其各个阶段的特性变化。外场使用前，也必须对其性能进行室内检测和验证。对跟踪系 统的性能检测，主要是建立高精度的光束导向装置以模拟空间目标，跟踪系统闭环跟踪 目标运动，实现其自身性能的检测。而针对二维指向镜这样一个自身不带目标探测功能 的转动执行机构，还必须为其配备高精度的目标位置探测单元，以实现闭环跟踪检测。
目前针对旋转机架结构的经纬仪系统和光通信终端以及二维指向镜性能的检测 有以下几种方法。
现有检测方案之一(参见张波，可编程动态靶标的研究[D].中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所工学硕士论文，2003)，是检测光电经纬仪跟踪性能普遍使用的光 学动态靶标方法，即用精密电机带动平行光管旋转以模拟空间运动目标，经纬仪闭环跟 踪该目标即可实现其跟踪性能的检测。
现有检测方案之二(参见李安虎，孙建锋，刘立人等，星间激光通信光束微弧 度跟瞄性能检测装置的设计原理[J].光学学报，2006，26(7) 975 979)，是为解决星 间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测需求，利用两个相同的级联棱镜正交旋转来模拟光 束的偏转，并实现对激光通信终端跟踪性能的检测。
现有检测方案之三(参见秦谊，王建民，王丽丽，徐泉.卫星激光通信跟瞄精 度测试方法及其实验研究[J].光学技术，2007，33(4) 557 563)，提出用压电陶瓷 (PZT)驱动点光源在长焦距透镜焦平面上做线性运动，实现微弧度量级的光束偏转。
现有检测方案之四(参见Ramuhalli Krishna, "Improved pointing accuracy usinghigh precision theodolite measurements”，Proc.SPIE vol.2812, 199-209, 1996),是 利用高精度自准直经纬仪对二维指向镜的指向精度进行检测。
现有检测方案之五(参见张国玉，姜会林，徐熙平，于化东，王凌云，刘旭力，黄澜，岳世新，彭慧.红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法m.光学学报， 2007，27(5) 875 881)，是基于激光检测技术和CCD探测技术，提出一种对扫描镜摆 角的动态测试方法。现有检测方案之六(参见 Darryll J.Pines.A lightweight high performancedua卜axis gimbal for space applications[C].SPIE, 1995，2468 261 273)，针对指向镜跟踪性能的
室内检测，提出用点光源沿直线轨道往返运动模拟光学运动目标，采用摄像机实时探测 运动目标位置，为指向镜提供位置脱靶量的检测方法，获得了指向镜的阶跃响应曲线和 闭环跟踪误差曲线。以上方案(一)(二)(三)主要是针对自身带有目标探测功能的跟踪系统的检 验，如经纬仪系统，空间激光通信终端等。这些方法不能直接用于自身不带目标探测系 统的指向镜的性能检测。方案(四)(五)分别是对指向镜的指向精度和动态摆角性能的 测试方法，而不能用于其动态跟踪性能的检测。方案(六)虽然可以实现对指向镜阶跃 响应和室内连续跟踪性能的检测，但它有以下两点不足1.采用摄像机直接拍摄目标，目标位置探测误差较大，测量速度有限，这些都 会导致较大的跟踪误差，影响到转镜的动态跟踪性能的分析；2.目标运动形式单一，难以实现二维大角度同时偏转的性能检测和各种复杂运 动状态的模拟。
发明内容
本发明的目的是提供一种二维指向镜动态性能的检测装置和检测方法，该装置 可用于二维指向镜的轴系晃动、阶跃响应和动态连续跟踪等性能的检测。本发明的核心思想是充分利用动态光电自准直仪的高精度的快速角度测量的特 性，将二维指向镜的动态性能检测以及检测装置自身性能检测都转化为动态角度量的测 量。本发明将被检二维指向镜与旋转靶标上运动目标模拟反射镜等巧妙的纳入动态光电 自准直仪准直光束的传播路径中，并构成闭合的光学自准直测量回路。其中旋转靶标上 目标模拟反射镜在旋转平台的带动下模拟运动的光学目标，动态光电自准直仪作为主动 测角单元为二维指向镜提供快速高精度的角度脱靶量，以实时反馈控制二维指向镜跟踪 模拟目标运动。闭环跟踪下的跟踪误差反映了二维指向镜的动态响应性能。本发明的技术解决方案如下一种二维指向镜动态性能检测装置，特点在于其构成包括动态光电自准直 仪、中空旋转平台、旋转靶标、调整平台和计算机测控系统，所述的旋转靶标由旋转 臂、45°反射镜、目标模拟反射镜和辅助反射镜组成，所述的旋转臂固定在所述的中空 旋转平台上，并且所述的动态光电自准直仪的光轴、中空旋转平台的旋转轴和旋转臂的 旋转轴共轴，所述的45°反射镜安装在旋转臂的相对于所述的中空旋转平台另一面上， 该45°反射镜位于旋转臂的中心通孔、反射面面向该中心通孔且与旋转臂成45°的位 置，所述的目标模拟反射镜安装在旋转臂的一端、反射面面向所述的45°反射镜的反射 面并与旋转臂成一定角度，所述的辅助反射镜安装在旋转臂的另一端、反射面背向旋转 臂并与旋转臂成一定角度；所述的中空旋转平台自身带有高精度的光电轴角编码器；所 述的目标模拟反射镜和辅助反射镜的重量和安装位置以确保旋转臂旋转轴的力矩平衡；
所述的动态光电自准直仪发出的平行光束依次穿过中空旋转平台、旋转臂的中 心通孔经所述的45°反射镜反射后入射到所述的目标模拟反射镜上，再经该目标模拟反 射镜反射形成模拟目标光束输出，中空旋转平台带动旋转臂旋转，形成锥形运动光束目 标；
所述的计算机测控系统主要完成对中空旋转平台的旋转速度和加速度进行控制 以模拟各种运动形式的目标，接受动态光电自准直仪所测量角度量的读取、数据处理以 及向二维指向镜控制器传送角度脱靶量，对待测二维指向镜的运动进行控制，对动态光 电自准直仪检测的二维指向镜双轴动态误差数据进行处理和分析，获得二维指向镜的动 态性能。
利用所述的二维指向镜动态性能检测装置对二维指向镜动态性能进行检测的方 法，其特征在于包括下列步骤
①对所述的二维指向镜动态性能检测装置进行自检；
②将所述的二维指向镜动态性能检测装置的动态光电自准直仪和中空旋转平台 固定在调整平台的倾斜面上，将待测的所述的二维指向镜固定在支撑装置上，使所述的 二维指向镜的二维旋转中心设置在所述的动态光电自准直仪的光轴的延长线和动态光电 自准直仪发出的光束经所述的目标模拟反射镜后的目标模拟光束的交点，所述的目标模 拟光束与中空旋转平台的旋转轴的夹角为a，所述的中空旋转平台的旋转轴与水平面夹角 为b；所述的动态光电自准直仪的控制器和所述的二维指向镜的驱动控制器与数据采集 与处理系统相连，中空旋转平台的控制器的输出端与计算机测控系统相连，所述的数据 采集与处理系统与计算机测控系统相连；
③调整检测初始状态，所述的动态光电自准直仪发出的平行光束依次穿过中空 旋转平台、旋转臂的中心通孔，经45°反射镜反射后入射到所述的目标模拟反射镜上， 经再次反射后垂直入射到被检二维指向镜的镜面上，此时，光束沿原路返回至动态自准 直仪，角度偏差为零；
④检测时，在计算机测控系统的控制引导下，目标模拟反射镜由中空旋转平台 带动并按照设定的速度旋转，形成一个具有空间圆周运动轨迹的模拟空间目标，动态光 电自准直仪主动实时测量目标模拟反射镜与被检二维指向镜的角度偏差，所述的数据采 集与处理系统实时读取动态光电自准直仪所测量的角度误差数据并实时地向二维指向镜 控制器提供角度脱靶量，该二维指向镜控制器按照预定的程序控制所述的二维指向镜跟 踪所述的目标模拟反射镜做俯仰和方位运动，以实时地使光束返回至所述的动态光电自 准直仪；
⑤闭环跟踪时，数据采集与处理系统将实时地读取动态光电自准直仪所测量的 角度误差数据并传送给所述的计算机测控系统；
⑥所述的计算机测控系统进行数据处理连续周期性的闭环跟踪检测实验得到 的跟踪误差数据也是周期性的，对角度误差数据,(仍)做傅里叶展开
Errort( ) = ^ + {aq cosq(pt + bq sinqcpt)
其中(灼)为动态光电自准直仪检测的二维指向镜双轴动态误差数据，q=1、2、3......为展开的各次谐波序号，’为常数项，&为转角位置，
权利要求
1.一种二维指向镜动态性能检测装置，特征在于其构成包括动态光电自准直仪(1)、中空旋转平台(2)、旋转靶标、调整平台(9)和计算机测控系统(D)，所述的旋转靶 标由旋转臂(3)、45°反射镜(4)、目标模拟反射镜(5)和辅助反射镜(6)组成，所述的 旋转臂(3)固定在所述的中空旋转平台(2)上，并且所述的动态光电自准直仪的光轴、中 空旋转平台(2)的旋转轴和旋转臂的旋转轴共轴，所述的45°反射镜(4)安装在旋转臂的 相对于所述的中空旋转平台(2)另一面上，该45°反射镜(4)位于旋转臂的中心通孔、反 射面面向该中心通孔且与旋转臂成45°的位置，所述的目标模拟反射镜(5)安装在旋转 臂的一端、反射面面向所述的45°反射镜(4)的反射面并与旋转臂成一定角度，所述的 辅助反射镜(6)安装在旋转臂的另一端、反射面背向旋转臂并与旋转臂成一定角度；所 述的中空旋转平台自身带有高精度的光电轴角编码器；所述的目标模拟反射镜(5)和辅 助反射镜(6)的重量和安装位置以确保旋转臂旋转轴的力矩平衡；所述的动态光电自准直仪(1)发出的平行光束依次穿过中空旋转平台(2)、旋转臂 (3)的中心通孔经所述的45°反射镜(4)反射后入射到所述的目标模拟反射镜(5)上，再 经该目标模拟反射镜(5)反射形成模拟目标光束输出，中空旋转平台(2)带动旋转臂(3) 旋转，形成锥形运动光束目标；所述的计算机测控系统(D)主要完成对中空旋转平台(2)的旋转速度和加速度进行控 制以模拟各种运动形式的目标，读取动态光电自准直仪(1)所测量角度量、数据处理并 向二维指向镜控制器(F)传送角度脱靶量，对待测二维指向镜(8)的运动进行控制，对动 态光电自准直仪检测的二维指向镜双轴动态误差数据进行处理和分析，获得二维指向镜 的动态性能。
2.利用权利要求1所述的二维指向镜动态性能检测装置对二维指向镜动态性能进行检 测的方法，其特征在于包括下列步骤①对所述的二维指向镜动态性能检测装置进行自检；②将所述的二维指向镜动态性能检测装置的动态光电自准直仪(1)和中空旋转平台(2)固定在调整平台(9)的倾斜面上，将待测的所述的二维指向镜(8)固定在支撑装置 (E)上，使所述的二维指向镜(8)的二维旋转中心设置在所述的动态光电自准直仪(1)的 光轴的延长线和动态光电自准直仪(1)发出的光束经所述的目标模拟反射镜(5)后的目标 模拟光束的交点，所述的目标模拟光束与中空旋转平台(2)的旋转轴的夹角为a，所述的 中空旋转平台2的旋转轴与水平面夹角为b ；所述的动态光电自准直仪⑴的控制器㈧ 和所述的二维指向镜的驱动控制器(F)与数据采集与处理系统(C)相连，中空旋转平台的 控制器(B)的输出端与计算机测控系统(D)相连，所述的数据采集与处理系统(C)与计 算机测控系统(D)相连；③检测初始状态时，所述的动态光电自准直仪(1)发出的平行光束依次穿过中空旋 转平台(2)、旋转臂(3)的中心通孔，经45°反射镜(4)反射后入射到所述的目标模拟反 射镜(5)上，经再次反射后垂直入射到被检二维指向镜8的镜面上，此时，光束沿原路返 回至动态自准直仪(1)，角度偏差为零；④检测时，在计算机测控系统(D)的控制引导下，目标模拟反射镜(5)由中空旋转平 台(2)带动并按照设定的速度旋转，形成一个具有空间圆周运动轨迹的模拟空间目标， 动态光电自准直仪(1)主动实时测量目标模拟反射镜(5)与被检二维指向镜(8)的角度偏差，所述的数据采集与处理系统(C)实时读取动态光电自准直仪(1)所测量的角度误差数 据并实时地向二维指向镜控制器(F)提供角度脱靶量，该二维指向镜控制器(F)按照预定 的程序控制所述的二维指向镜(8)跟踪所述的目标模拟反射镜(5)做俯仰和方位运动，以 实时地使光束返回至所述的动态光电自准直仪(1)；⑤闭环跟踪时，数据采集与处理系统(C)将实时地读取动态光电自准直仪(1)所测量 的角度误差数据并传送给所述的计算机测控系统(D)；⑥所述的计算机测控系统(D)进行数据处理连续周期性的闭环跟踪检测实验得到 的跟踪误差数据也是周期性的，对角度误差数据(约)做傅里叶展开
3.根据权利要求2所述的检测的方法，其特征在于通过选取不同靶标参数靶标臂 长，半锥角a，倾角b，转速ω和被检二维指向镜(8)与所述的旋转臂(3)之间的距离， 以实现各种不同空间位置范围、不同速度和加速度曲线的目标运动形式的模拟。
4.根据权利要求2所述的检测的方法，其特征在于所述的二维指向镜动态性能检测装 置进行自检，包括下列步骤①在所述的二维指向镜动态性能检测装置的动态光电自准直仪(1)的光轴的延长线 上设置合作反射镜(7)，使所述的动态光电准直仪(1)发出的平行光束依次穿过中空旋转 平台(2)、旋转臂(3)的中心通孔，经45°反射镜(4)反射后入射到目标模拟反射镜(5) 上，经反射后入射到固定放置的合作反射镜(7)上，再次经反射后垂直入射到辅助反射 镜(6)上反射后，光束沿原路返回至动态光电自准直仪(1)，光电自准直仪(1)的控制器 (A)经数据采集处理单元(C)和计算机测控系统(D)相连，中空旋转平台控制器(B)与 所述的计算机测控系统(D)相连；②所述的计算机测控系统(D)通过中空旋转平台控制器(B)启动旋转臂(3)连续旋 转，数据采集与处理系统(C)实时地读取动态光电自准直仪(1)所测量的角度误差数据并 传送给计算机控制系统(D)，计算机控制系统(D)对角度误差数据进行分析处理，旋转 臂连续周期性的旋转下，得到的角度误差数据也是周期性的。 对角度误差数据做傅里叶展开得，
5.根据权利要求2所述的检测的方法，其特征在于所述的调整平台(9)作为旋转靶标 和动态光电自准直仪的支撑和调整部件，具有X、Y、Z三维粗、精调功能。
全文摘要
一种二维指向镜动态性能检测装置及检测方法，该装置的构成包括动态光电自准直仪及其控制器，中空旋转平台及其控制器，旋转靶标，调整平台，数据采集与处理系统及计算机测控系统。在计算机测控系统的引导下，旋转靶标上目标模拟反射镜在旋转平台的带动下模拟运动的光学目标，动态光电自准直仪为二维指向镜提供快速高精度的角度脱靶量，经数据采集与处理系统实时反馈控制二维指向镜跟踪模拟目标运动。计算机测控系统实时处理光电自准直仪的测量数据，获得反映二维指向镜的动态响应性能。本发明可用于二维指向镜的轴系晃动、阶跃响应和动态连续跟踪等性能的检测。
文档编号G01M11/00GK102023082SQ20101029862
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者卞正兰, 叶青, 方祖捷, 瞿荣辉, 董作人, 高敏 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所