一种用于空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置及方法与流程

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种用于空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置及方法。

背景技术：

随着空间光学有效载荷向高分辨率、高实时性、宽幅盖以及多传感器复合等方向发展，迫切需要建立高速率空间通信网络。空间激光通信技术成为空间信息科学领域研究的热点之一。激光通信具有信息量大、数据传输速率高、保密性好、抗干扰能力强等显著优势，必将成为空间信息传输的重要手段。随着空间科学研究的不断深入与发展，激光通信终端已从传统的单光轴系统转为现在的多光轴高集成度的复杂空间光学系统，然而目前对激光通信终端的光轴一致性进行高精度实时检测和校准是目前亟待解决的难点。

由于激光通信束散角小，要求各个分系统具有较高的安装精度以保证多光轴的一致性，从而才能建立稳定可靠的激光通信链路。因此，迫切需要研发一种基于激光通信终端的高效率、高精度空间多光路光学系统的光轴一致性装调及检测系统。

传统激光通信终端的光轴一致性装调及检测方法大多基于实验室研究，常见的光轴一致性装调方法有：五棱镜装调法、投影靶板装调法、激光光轴仪装调法和大口径自准直平行光管装调法。这些传统安装方法需要使用较多专用设备，往往装调周期长，装配效率低，产品一致性差，同时对操作者的技术和熟练程度依赖性高，不利于产品品质的提高和成本的降低。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明提供一种用于空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置及方法，不仅适用于对精度要求较高的空间激光通信终端各分系统的光轴一致性装调、检测，还可应用于多种多光路复杂光学系统的光轴一致性装调和检测，该装置通过ccd检测相机检测光轴的偏移量，由ccd检测相机对图像进行采集，并能够显示出激光光斑的偏移，根据显示出的偏移对光轴的方向及大小进行调整，通过调整待装调激光通信终端待测光学系统镜头的姿态，使实际光斑位置与理论光斑位置中心重合，完成对光轴一致性的装调、检测过程；该装置安装操作便捷、高效、装调精度高、体积小，成本大大降低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置，包括检测板1、检测板安装架2、低发散角光源3、ccd检测相机4、三轴精密对位台5、待装调光学系统安装台6、放置平台7和用于测量基准反射镜8垂直角和水平角的高精度电子经纬仪13；

检测板1包括基板101、基准反射镜8、反射镜9和检测相机安装架10，其中基准反射镜8分别安装在基板101同一侧的左下角和右上角，反射镜9通过支架连接在基板101上，检测相机安装架10固定连接在基准反射镜8下方的基板101上，检测相机安装架10上安装有基准反射镜8和ccd检测相机4；

放置平台7上方的两端分别放置有三轴精密对位台5和低发散角光源3，其中检测板安装架2固定连接在三轴精密对位台5上方，检测板安装架2的三个侧面与顶面上均螺栓连接有检测板1；待装调光学系统安装台6固定连接在低发散角光源3与检测板安装架2之间的放置平台7上，且与检测板安装架2未安装检测板1的侧面接触；三轴精密对位台5的转动轴上安装有锁紧装置11，待装调光学系统安装台6上固定有基准反射镜8和圆盘62，其中圆盘62的中心孔为通光孔61。

所述的待装调光学系统安装台6包括安装板与固定板，其中安装板与固定板垂直固定连接，固定板固定连接在放置平台7上，安装板与检测板安装架2未安装检测板1的侧面接触，安装板上固定有一组基准反射镜8和圆盘62。

所述的检测板1上设置的反射镜9向基板101未安装检测相机安装架10的一侧倾斜，倾斜角度为45°，即反射镜9所在平面与基板101所在平面之间的夹角为45°。

所述的检测相机安装架10上设有毫米刻度标识，ccd检测相机4安装到检测相机安装架10上待装调光学系统光轴理论位置对应的刻度处。

所述的三轴精密对位台5的转动轴上安装有锁紧装置11，其中锁紧装置11包括开槽锥端定位螺钉111、固定端112和滑动端113，其中固定端112固定在三轴精密对位台5底部的安装板上，滑动端113连接在三轴精密对位台5的传动轴上，开槽锥端定位螺钉111螺纹连接在固定端112上。

所述的放置平台7底部设有地脚调平装置12。

所述的基准反射镜8和反射镜9均为平面镜。

本发明同时提供使用上述一种空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置进行激光通信终端中各光学系统的光轴一致性装调方法，包括以下步骤：

步骤一，组装上述空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置，将待装调激光通信终端14螺栓连接在待装调光学系统安装台6的圆盘62上；

步骤二，通过高精度电子经纬仪13、安装在待装调光学系统安装台6上的基准反射镜8和调平地脚12调整整个装置，使得待装调光学系统安装台6的安装面处于竖直方向，

调整低发散角光源3，使低发散角光源3与待装调光学系统安装台6上的通光孔61同轴；

通过高精度电子经纬仪13观察安装在待装调光学系统安装台6上的基准反射镜8，并调整三轴精密对位台5，使检测板安装架2三个侧面上的基板101处于竖直方向，检测板安装架2的顶面上的基板101处于水平方向；

通过高精度电子经纬仪13观察检测板安装架2上的每个基准反射镜8，调整检测相机安装架10的姿态，使得检测板安装架2三个侧面的检测板1上的检测相机安装架10处于垂直方向，检测板安装架2顶面的检测板1上的检测相机安装架10处于水平方向；

步骤三，通过待装调激光通信终端14的三维仿真模型测得待装调激光通信终端14中待装调光学系统的光轴理论位置所在刻度，将ccd检测相机4安装到检测相机安装架10上待装调光学系统光轴理论位置的刻度处，此时ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差便为安装误差；

步骤四，开启低发散角光源3，低发散角光源3发出的自准直激光从待装调激光通信终端14的入口入射，从待装调激光通信终端14中的待装调光学系统出射，再经与待装调光学系统对应的检测板1上的反射镜9反射至该检测板1上的ccd检测相机4，记录ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差；

步骤五，根据步骤三中记录的ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差，来反复研磨待装调激光通信终端14中待装调光学系统上与该系统中的镜头连接的垫片，直至ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心位置重合为止，再将待装调激光通信终端14中待装调光学系统的镜头与镜头座进行点胶固定。

所述的步骤三中，将刻度标尺竖直放在待装调激光通信终端三维模型的待装调光学系统前面，在三维模型中找到待装调光学系统镜头的轴线，这个轴线的延长线与刻度标尺相交的位置即待装调光学系统的光轴理论位置，记录此时标尺的刻度，记为待装调光学系统的光轴理论刻度，使ccd检测相机4镜头中心线与检测相机安装架10上待装调光学系统的光轴理论刻度对齐后，将ccd检测相机4通过螺钉固定在检测相机安装架10上。

先对待装调激光通信终端14中的信标光学系统的镜头进行光轴一致性装调及安装，再对待装调激光通信终端14中的通信光学系统的镜头进行光轴一致性装调及安装。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明能够快速准确显示出光轴偏差，更直观准确的反映出光轴需要调整的角度，通过实际光斑位置与理论光斑位置的偏差来调整光学系统镜头的角度，使装调过程可视化，更加高效直观，弥补了以往仅靠理论计算与实际加工尺寸带来偏差的缺陷。

(2)本发明特别对于不具备高精度装调工具和装调检测环境的地方，能够简便快速实现多光路复杂光学系统光轴一致性装调及检测，该装置安装操作便捷、装调精度高、体积小，较以往装调设备的成本大大降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的检测板结构示意图。

图4为本发明的三轴精密对位台局部放大示意图。

图5为本发明实施例所用待装调激光通信终端14结构示意图。

图6为本发明实施例所用待装调激光通信终端14结构示意图。

图7为本发明实施例1的结构与光路走向示意图。

图8为本发明实施例2的结构与光路走向示意图。

图9为本发明实施例3的结构与光路走向示意图。

图10为本发明实施例4的结构与光路走向示意图。

其中：1检测板；2检测板安装架；3低发散角光源；4ccd检测相机；5三轴精密对位台；6待装调光学系统安装台；7放置平台；8基准反射镜；9反射镜；10检测相机安装架；11锁紧装置；111开槽锥端定位螺钉；112锁紧装置固定端；113锁紧装置滑动端；12调平地脚；13高精度电子经纬仪；14待装调激光通信终端；141反射镜或分光镜；142信标光发射系统；143信标光接收系统；144信号光发射系统；145第一信号光接收系统；146二维快速pzt振镜单元；147垫片；148镜头安装面；149安装壳体；150第二信号光接收系统；151第三信号光接收系统。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

一种用于空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置，包括检测板1、检测板安装架2、低发散角光源3、ccd检测相机4、三轴精密对位台5、待装调光学系统安装台6和放置平台7；还有放置在地面的高精度电子经纬仪13，用于测量基准反射镜8的垂直角和水平角；

检测板1包括基板101、两组基准反射镜8、反射镜9和检测相机安装架10，其中两组基准反射镜8分别安装在基板101同一侧的左下角和右上角；基板101上设有80mm×80mm的螺纹孔阵，反射镜9通过支架连接在基板101上，检测相机安装架10固定连接在基板101右上角的基准反射镜8下方，检测相机安装架10的下方安装有一组基准反射镜8和ccd检测相机4，用于观察检测相机安装架10的姿态；

放置平台7上方的两端分别放置有三轴精密对位台5和低发散角光源3，其中检测板安装架2螺栓连接在三轴精密对位台5上方，检测板安装架2的三个侧面与顶面上均螺栓连接有检测板1，提高装调检测效率；待装调光学系统安装台6螺栓连接在低发散角光源3与检测板安装架2之间的放置平台7上，且与检测板安装架2未安装检测板1的侧面接触；三轴精密对位台5的转动轴上安装有锁紧装置11；待装调光学系统安装台6上固定有一组基准反射镜8和圆盘62，圆盘62上设有用于安装待装调光学系统的螺纹孔阵，其中圆盘62的中心孔为通光孔61。

所述的待装调光学系统安装台6包括安装板与固定板，其中安装板与固定板垂直固定连接，固定板固定在放置平台7上，安装板与检测板安装架2未安装检测板1的侧面接触，安装板作为待装调光学系统安装台6的安装面，其上固定有一组基准反射镜8和圆盘62。

低发散角光源3发出自准直激光，且其发散角低于0.2mrad，出光孔光斑直径为3.0mm，10m远处光斑直径为4.6mm；能够发出自准直光源的低发散角光源3为本装置提供统一的光轴基准。低发散角光源3垂直入射进入待装调激光通信终端14中的待测光学系统。

所述的ccd检测相机4采用维视公司生产的型号为mv-em1400c的小型千兆网工业相机，包括相机以及图像处理软件，ccd检测相机4通过导线与计算机及显示器连接，装调过程中ccd检测相机4将拍摄的图像传输给显示器，通过显示器实时观测光轴偏移方向以及大小。

所述的检测板1上设置的反射镜9向基板101未安装检测相机安装架10的一侧倾斜，倾斜角度为45°，即反射镜9所在平面与基板101所在平面之间的夹角为45°。

所述的检测相机安装架10上设有毫米刻度标识，通过待装调激光通信终端14的三维仿真模型得到待装调激光通信终端14的各个光学系统镜头的光轴理论位置所在刻度，ccd检测相机4位于检测相机安装架10上与待装调激光通信终端14的待装调光学系统镜头光轴理论位置所在刻度相同的刻度处。

高精度电子经纬仪13用于测量基准反射镜8的垂直角和水平角。

所述的三轴精密对位台5为誊展精密科技(深圳)有限公司生产的gx3545a2-p-s57型号的精密对位台，结构采用uvw结构形式，重复定位精度优于0.002mm，三个轴在同一个平面，空间利用率高。

所述的三轴精密对位台5的转动轴上安装有一组锁紧装置11，锁紧装置11包括开槽锥端定位螺钉111、固定端112和滑动端113，其中固定端112固定在三轴精密对位台5底部的安装板上，滑动端113连接在三轴精密对位台5的传动轴上，随着传动轴活动，开槽锥端定位螺钉111螺纹连接在固定端112上。

当调整三轴精密对位台5姿态时，滑动端113与三轴精密对位台5的传动轴一起做直线运动，调整三轴精密对位台5的姿态满足使用要求时，通过转动开槽锥端定位螺钉111，使得开槽锥端定位螺钉111与滑动端113接触，将滑动端113顶住，防止滑动端113继续运动，起到锁定的作用，使本装置在进行装调时的数据准确。

所述的放置平台7底部设有地脚调平装置12，地脚调平装置12放置在地面上。

所述的基准反射镜8为平面镜，与高精度电子经纬仪13配合使用，调整检测板1、待装调光学系统安装台6的位置。

所述的反射镜9为平面镜，用于对激光束进行90度折转，使ccd检测相机4接收到光束。

本发明同时提供使用上述一种空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置进行激光通信终端各光学系统的光轴一致性装调方法，包括以下步骤：

步骤一，组装上述空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置，将待装调激光通信终端14螺栓连接在待装调光学系统安装台6的圆盘62上；

步骤二，通过高精度电子经纬仪13、安装在待装调光学系统安装台6上的基准反射镜8和调平地脚12调整整个装置的高低及倾角，使得待装调光学系统安装台6的安装面处于竖直方向，调整低发散角光源3的高度及倾角，使低发散角光源3与待装调光学系统安装台6上的通光孔61同轴；通过高精度电子经纬仪13观察安装在待装调光学系统安装台6上的基准反射镜8，并调整三轴精密对位台5的高度及倾角，使检测板安装架2三个侧面上的基板101处于竖直方向，检测板安装架2的顶面上的基板101处于水平方向；通过高精度电子经纬仪13观察检测板安装架2上的每个基准反射镜8，调整检测相机安装架10的姿态，直至利用高精度电子经纬仪13观察检测板安装架2三个侧面的检测板1上的检测相机安装架10上的基准反射镜8的垂直角为0，说明此时检测相机安装架10为垂直方向，利用高精度电子经纬仪13观察检测板安装架2顶面的检测板1上的检测相机安装架10的基准反射镜8的水平角为0，说明此时检测相机安装架10为水平方向；使得检测板安装架2三个侧面的检测板1上的检测相机安装架10处于垂直方向，检测板安装架2顶面的检测板1上的检测相机安装架10处于水平方向；

步骤三，通过待装调激光通信终端14的三维仿真模型测得待装调激光通信终端14中待装调光学系统的光轴理论位置所在刻度，将ccd检测相机4安装到检测相机安装架10上待装调光学系统光轴理论位置的刻度处，此时ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差便为安装误差；

具体为：将刻度标尺竖直放在待装调激光通信终端三维模型的待装调光学系统前面，在三维模型中找到待装调光学系统镜头的轴线，这个轴线的延长线与刻度标尺相交的位置即待装调光学系统的光轴理论位置，记录此时标尺的刻度，记为待装调光学系统的光轴理论刻度，安装ccd检测相机4，使ccd检测相机4镜头中心线与检测相机安装架10上待装调光学系统的光轴理论刻度对齐后，将ccd检测相机4通过螺钉固定在检测相机安装架10上。

步骤四，开启低发散角光源3，低发散角光源3发出的自准直激光从待装调激光通信终端14的入口入射，从待装调激光通信终端14中待装调光学系统透射出，再经与待装调光学系统对应的检测板1上的反射镜9反射至该检测板1上的ccd检测相机4，记录ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差；

步骤五，根据步骤三中记录的ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差，来反复研磨待装调激光通信终端14中待装调光学系统上与该系统镜头连接的垫片，直至ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心位置重合为止，再将待装调激光通信终端14中待装调光学系统的镜头与镜头座进行点胶固定。

所述的激光通信终端光学系统通常由信标光学系统以及通信光学系统组成，由于激光通信终端的信标光学系统束散角通常为1-4mrad，信号光学系统束散角通常为0.17-0.3mrad，信标光学系统束散角相对较大，装调时较容易确定光斑位置，因此安装时先对激光通信终端中的信标光学系统中的镜头进行安装，再对束散角相对较小、装调难度较大的激光通信终端中的通信光学分系统中的镜头进行光轴一致性装调及安装。提高安装精度，且保持通信光学系统发出的光束与信标光学系统发出光束的光轴同轴。

如图5和图6所示，以下实施例中使用的空间激光通信终端出自公开号为cn101873167b的一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置的发明专利，该专利在作者为姜会林、江伦、宋延嵩、孟立新、付强、胡源、张立中和于笑楠的《一点对多点同时空间激光通信光学跟瞄技术研究》[j].中国激光,2015,42(04):150-158.的文章中也有提及，其中该空间激光通信终端的各个光学系统镜头安装面采用多点定位，定位点处均设有注胶孔，在进行装调时将各个光学系统的镜头与安装面之间安装研磨垫片147，通过研磨各个垫片147调整各个光学系统镜头的光轴空间位置。

实施例1

如图7所示，激光通信终端光学系统中待装调的光学系统为信号光发射系统144，采用上述一种空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置对该待装调的信号光发射系统144的镜头进行光轴一致性装调，其步骤与上述方法相同，具体的步骤四为：

开启低发散角光源3，低发散角光源3发出的自准直激光从待装调激光通信终端14的入口入射，从待装调激光通信终端14中信号光发射系统144出射，再经与待装调信号光发射系统144对应的检测板安装架2左侧面上的检测板1上的反射镜9反射至该检测板1上的ccd检测相机4，记录ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差。

实施例2

如图8所示，激光通信终端光学系统中待装调的光学系统为第二信号光接收系统150，采用上述一种空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置对该待装调的第二信号光接收系统150的镜头进行光轴一致性装调，其步骤与上述方法相同，具体的步骤四为：

开启低发散角光源3，低发散角光源3发出的自准直激光从待装调激光通信终端14的入口入射，从待装调激光通信终端14中第二信号光接收系统150出射，再经与待装调第二信号光接收系统150对应的检测板安装架2前侧面上的检测板1上的反射镜9反射至该检测板1上的ccd检测相机4，记录ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差。

所述的检测板安装架2前侧面为与待装调光学系统安装台6接触的检测板安装架2所在面对着的这一侧面。

实施例3

如图9所示，激光通信终端光学系统中待装调的光学系统为第一信号光接收系统145，采用上述一种空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置对该待装调的第一信号光接收系统145的镜头进行光轴一致性装调方法，其步骤与上述方法相同，具体的步骤四为：

开启低发散角光源3，低发散角光源3发出的自准直激光从待装调激光通信终端14的入口入射，从待装调激光通信终端14中第一信号光接收系统145出射，再经与待装调第一信号光接收系统145对应的检测板安装架2右侧面上的检测板1上的反射镜9反射至该检测板1上的ccd检测相机4，记录ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差。

实施例4

如图10所示，激光通信终端光学系统中待装调的光学系统为信标光接收系统143镜头前的分光镜141，采用上述一种空间激光通信终端光轴一致性装调检测装置对该待装调的信标光接收系统143镜头前的分光镜141进行光轴一致性装调方法，其步骤与上述方法相同，具体的步骤四为：

开启低发散角光源3，低发散角光源3发出的自准直激光从待装调激光通信终端14的入口入射，从待装调激光通信终端14中信标光接收系统143镜头前的分光镜141透射出，再经与待装调信标光接收系统143镜头前的分光镜141透射光轴对应的检测板安装架2顶面上的检测板1上的反射镜9反射至该检测板1上的ccd检测相机4，记录ccd检测相机4上显示的光斑位置与ccd检测相机4十字中心的偏差。