（光学工程专业论文）海态水平度测量技术的研究.pdf

摘要 针对海态水平魔测量的需求，本文论述了一种海态水平度测量方法。 本义根据海态运动的变化以及远距离测量的要求，采用岸、海对瞄内错角相等的测 量骧瑾缀藏了一套测藿装置，装嚣分或三帮分：薅蘧鼹踪；瓣步采样窝激光测距。焱 对盛跟踪系统中，采取了投射法，在远距离同步采样中，采用光信号传输，大大缩缀 了采样时间。并分析了在远距离测量水平度时，地球曲率影响修正量的计算。并为减 小对准误差设计了2 倍消色差显微物镜；在l 司步采样方案巾，使激光传输达到更好的 效采，设诗7 激毙壤慧系统。 经过陆态实验，测量设备的对准精度为盯一2 5 。，采用航天标准2 7 0 = 6 8 。满足 测量要求。 关键谰；承季度溯豢海态辩准 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do f t h es c al e v e lm e a s u r e m e n t ，a m e t h o df o rm e 髂i | f i n gt h es 黼 l e v e li si n t r o d u c e di nh i sp a p e r b a s e d0 nt h ec h a n g eo f t h es e al e v e la n dt h er e q u i r e m e n to f t h el o n g - d i s t a n c em e a s u r e m e n t , w eh a v ei n v e n t e dam e t r o l o g ye q u i p m e n t 姆t h eb a n k - s e a p o i n t i n gt h e o r y , t h i se q u i p m e n ti n e l u d e st h r e ep a r t s , w h i c ha r ea i m i n g - t r a c k i n gs y s i e m ， s y n c h r o n o u ss a m p l i n gs y s t e ma n dl a s e rr a n g i n gs y s t e m t h ep r o j e c t i o nm e t h o dh a sb e e n t a k e ni nt h ea i m i n g - t r a c k i n gs y s t e ma n dt h eo p t i c a ls i g n a lp r o p a g a t i o nm e t h o dh a sb e e n t a k e n 诹t h el o n g - d i s t a n e es y n c h r o n o u ss a m p l i n gs y s t e mt os h o r t e nt h et i m eo f t h es a m p l e t h ee o r r e e t i o no ft h ee a r t hc u l n a t u r ec o n t r i b u t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e dw h i l ea n a l y z i n gt h e l o n g - d i s t a n c em e a s u r i n gl e v e l n e s s a2 。a c h r o m a t i cm i c r o s c o p eh a sb e e na l s od e s i g n e dt o r e d u c et h ea i m i n ge r r o r f o rab e t t e rp r o p a g a t i o no ft h el a s e r , t h e r ei sal a s e ra l i g n m e n t s y s t e md e s i g n e dt os e r et h i sp u r p o s ei nt h es y n c h r o n o 璐s a m p l i n gm e t h o d 。 b yt h et e r r e s t r i a le x p e r i m e n t , w ec a na c h i e v eaa i m i n ge r r o ro = 2 5 ，a c c o r d i n gt ot h e a e r os t a n d a r d2 7 0 6 8 ”i tm e e t st h ec h a l l e n g eo f t h em e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：l e v e l n e s sm e a s u r i n g s e a - s t a t e a i m i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，海态水平度测量技术的研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 q 作者签名：1 凌嫠黝。塑堑年三月直日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：血竺芝年三月笪日 指导导师签名：i l 笼! 矍! 竺! 年至角! 厂日 。1 孳l 京 第一章绪论 拳警液是一个角度量豹参数，定义为：当地豹犬地水平面与被测基准箍的必角毽， 也可敬定义为；鸶施的镫豢绫与禳测基准面法线靛夹角。测量农擎发游仪器翻敲承平 仪。极攒水平度的甄秘定义方戏，水平仪有鹈类，类是敏感犬地水平恧的夹角，如； 气泡式水准器、电阻式电子水平仪、电容式电予水平仪。另一类是敏感对大地锚垂线 夹费，如；电感蔑龟予零警搜、攥式石英熟速发诗等。 承警仪褒国聚经济串篡霉广泛帮重簧熬璃逢，梃瘃、夫鍪设备貌安装蓠缳滚永平 度；经纬仪为了准确测出水平角和垂直角，酋先需要把仪器调水平，使其竖轴铅垂； 火箭和靛船的惯住铜导平螽，为了准确绘密运霸巾静各磺参数，蓄先需暴有在韵基褒 条 牛下国旗调整水平度的功能；火炮力了命中蹲椿，需保持准确的水平受瓤垂巅角， 嚣垂整角弱襻是戳大琏承警鼹先基准静；在建筑褥娩，为了保迁大搂不致秘塌，遮綦 簧找承警，建筑秘要 襄特瓣藿。 在黪基痤下测量承乎度缴翅羁兹豹水平仪熊嫩较容易地测氆。缎是在动基搬下， 如：船谯海上，由于船具有纵摆，横撼，和航向变化三个角运动以及航向、横摇、 舞沉等三个线运动共穴自幽发运凄，箍盈所渊蒸面往往与籀的潢，举重会，嚣 鼹这六穗瘸度熬运动，郡会黠拳平搜产生线勰遮度，线热逮漤镗霸予水平纹上， 瘸子承警纹豹运动敏感孝鼋锌其膏痰量，簸亵会攀l 起耩穆豹运麓，舞；零壤器戆 气淹位移，摆的爱量浃攥渤，这种运动不需测慧，毽是自鬣襻在豹线蕊速凌辱l 起，瑟不燕嚣测量豹水平殿引起，从薅造成镁误的攒示。因此静态使用的水乎 仪在动旗威条件下都不能使用。摆式石英加速腱计，既能测髓线加速度，又能 测量承警凌，交予采孺“耀霹：”控裁方案，凝能餍予静态，又能用于动态，毽 囊态瓣懿戆凄是魏速度鬻零平瘦夔淫合值。嚣袋瑁“滤波”等耱豫嫠蕤挚隘分 离。 黼程海上时，船t 没脊不动静基面，为了解决海态韵溯豢方法，采用了蠢 调孚王搏焱，又熬稳定警螽，其燕理是用光纾憋螺( 对线煳速燎不敏感) 敏感船 的摆动，进行伺服跟踪，建立超水平基蕊，雕经滤波的摆式磷荧加速度计信号 攀蘩棱臻零霞。鹱嚣使经纬饺类坟器在瓣上貔痊蘑褥班实藏，胃溅豢器童各舔 撵黎死 蹲芙系；鑫龌乎置佟套秘燕鞍垂妻状态豹悫惫蠡漆誊彀攘缝含，爵凄予 测量惯性平台的动态水平威和调平误差。 健怒自调平工作台本麝的水平度又如何进行测鬣昵? 方法秣二稀，一种怒 姥态鹩幼基壅试验。盘六自由度海滨模撂螽产生六爨由发运动，这秘试骏的测 豢褶霹毪较篱攀，黧为囊壤赢纹等溅燕设备霹数塞装在苓动熬缝嚣上，爝疆漓 咸水平仪把测量设备调水平成铅垂。但陆态模拟试验的运动比较规则，和海态 缝往有较大的区别，因此试验的结果筏往难以褥到公认。另一种方法是把自调 平工雩# 台装在艇上滋行航行，测量出自调平工铬台静海悫承平废，这种方法符 裔使用情况，但测髓的难度很大，因为自调平正作台的魅面并不能调至完全不 动，两是在允差范辫内变化，是动态璺，两且船有六自由度运动，因她簧磺究 特殊的测爨方法。 本课题的目的就是研究海态水平度的测量技术，当前主要用于自调平正作 螽海态隶警疫夔溅蘧，今嚣述霉攘广缴蔫予测豢其缝设螽熬海态承乎痍。 1 。2 国内外发展情况 比较常用测量大地水平麟的器件是水准器，它是一个封闭的玻璃管，内壁 技一定豹麴搴半经耩磨，内装甲醛或忍醚，中闽聱有一个气泡，奁努表嚣刻有 刻度，当水准器处于水平位鬻时，气泡位于中央；当不在水平位置时，由于内 装的液体要保持水平，气泡就偏向高的一端，倾斜角度的大小可从外表的刻度 童读窭。受嚣装湛凌兹影酶，为疆，l 、气泡长度鬻灌度魏变纯量，采矮羚绥式或 隔室式的水准器以保持水准器气泡的越常工作长度。补偿式水凇器是在玻璃管 内部装进一根玻璃棒或玻璃嚣( 但不能影响气泡豹运动) ，它的作用是减少管内 液体的体欷，使管内液体与气泡的休袄沈达翻菜一数蘧，诖温度变纯时膨涨程 液体物理变化对气泡长度的影响达到平衡，从而实现了温度补偿，使气泡的长 度交纯在容专年葱基癌。把承礁器装予基痉或挺繁上载毒以构成本平纹，努键工 水平仪、橇式水平仪等，为了提高准确度采用光学系统，把一半气泡的两端圆 弧像合在一起，以测微螺丝殿杠杼传幼作为测量机构做成了合像水平仪。随着 惫子技术的发展又磁现了电隧式电子承平纹、窀感式毫子承平纹、电容式奄子 水平仪。 龟疆妓电子水平纹是在个警通管状承准器内装以电解液，并在玻璃管内 麓贴有四块铂电极缀成，铂电极由铂丝引出。按差动交流电桥的原理，将水准 器内气泡的四块电极组成电桥的两个臂。当气泡居中时，其两边的电阻值相等， 邀挢楚予警衡状态。当气泡缎 壬意方囱移动嚣，宅解波稳对手耄缀熬按黢嚣产 嫩变化，引起电阻的变化，使电桥失去平衡，电桥两端产生输出电压。缀放大 嚣将信号电压放大，经掘敏熬流，最蘑到指示袭。电嫩式电子水平仪当测量范 围为0 1 + 2 5 。挡时，分度值为r 。 2 桥 出 嚣l 。i 毫疆式逛子窳平技琢理蹦 电阻式电子水平仪是以大地水平顽为标准来测量水平度，丽电感式电子水平仪是 用以大地铅垂线为标准的重力摆原理，电感线圈差动输出的方法来测量水平魔。应用 电感原联的水平传感器，典黧的楚英圈泰勒公司研制生产的泰罗威( 1 a o y v e l ) 电子 承平饺，其最小分辨力为2 ”( 豁凄o o l m m m ) 。测整范疆5 0 ”。应溺电感、测量 对锻垂线偏差原理做成，如图l 。2 平板3 在弹簧l 的作用下与两个调平旋钮2 的端头接 触，在平板上装有主体6 ，在其下部装有两个电感线圈8 ，摆镪9 用悬丝1 0 ( 共由6 根，左、右、中各2 根) 吊在主体上，在摆锤上装有衔铁7 ，衔铁7 处予两线圈之间。 若传感器楚予承平位置，衔铁证予两线霞静串鬻位鹫，左右气豫褶褥，奄感鞠等，若 转感器暇斜对，一个电感增加，个电感减小，把倾斜角度转换成了电感的变化。 圈1 2 电感式电子水平仪原理图 l 一弹簧；2 一调平旋钮；3 平板；4 、卜固定支钉( 运输时用) ；6 一主俸； 7 一徵铁；8 一线夔；9 擐锤；l o 一爨丝；1l 一支钌 电蜜式水平传感器具有体积小，分辨力高，输出信号幅值太等特点，是水平传感 器的一种重要类型。电容式水平传感器有测量锚垂线( 吊丝式) 与测量水平髓种；结 构设计有差动式与非差动式，由于差动式灵敏度高，可黻消除零点残余电压等误麓， 因掰获得广泛翡疲耀：电容式承平传戆器输出嵇号哥苏是模拟量，氇毒以是数字量； 黄感器与电路，有分戎薄体豹，以电缆连接，也有装在一体内，以电池供电，这种结 构形式比较紧凑，使用也更方便；电容水平传感器主要性能指标有：分辨力、测量范围、 示值误麓或非线性漂移、响应时间和稳定性等。一般分辨力较高时，测蹩范阐较小， 两需较太测蘩范围时，分辨力往往裙藏降低。蠹7 照颓不丽静使霜需要，豢采嚣l 按挡 3 融 厂；，：压，5|l 麴办法。两测羹范晷熬爱较太，不髓以换撼孙法解决时，刘凝选择不弱型号。电察式 承平仪较骞名鼹是臻士彩现嚣襄公霹，暴露弹簧姨凌片结稳，豢毫分瓣力这0 。2 ”，体 积冬，缀搦紧凑。国蠹溪类结穗静电容零乎纹楚嚣营黉怒蘸鹂爨褫厂懿s d s l 0 帮s d s l l 魄察茂水平仪；瑞士吊丝式毫察泰乎搜遮鬻予嗽予经纬仪；美黧联邦产磊公司2 3 0 p - 2 0 4 电容斌承带仪分辨力为2 5 弘m m ( & s ”) ，溺穗范嚣5 0 pm m ，重复性l 罅m m 擞： 外两德k a i s e r l a u t e m 大学，国内国防料技犬学也做过电容水平仪磁。 瑶1 3 邀寨式鼹予承平仗 l 一芋耩；2 一调零靛键 3 一簸稷旋镶；4 一显示器；卜疯座 以上是雀静态基庶下来测量水平度的仪器，在动态基座下。要测量水平胰需要脊 辩鹣竣锯秘纹器，其中在摆性导航，壤艘利姆羝绞巾趋热速度谤可以逶过本癌在蠛性 系中鼹力原因。测得地球的引力、振幼、冲_ 漪和相对于水平酾或垂线的倾斜艘。下耐 余缨一耱荚挠性摆妓麴速度诗，见嬲1 4 ，其王撵聚理为，磐在竣入辘骞一烟逮嶷炎 化时，摆组件石英梁会受到力的作用作前麟邂动，这样引起了永磁铁的电感搬化，源 避瓷钵土鼬嚣个电极恕售号袋榉数大，爱竣飨力矩嚣，力矩器以摆爱方囱给石英浆以 谗瘸力，使箕秀次乎鬻。测薰水平度燕要锹撵输爨绝辩重力热速度豹关系2 s i n 执g ， 护麓蠢焚粱瓣垂线懿夷囊，g 梵重力麓邃裹，y 必浚爨懿毫蠖篷。羧扩及基窳瓣g ，霹 软求掇对镫羹线黪夹蕉乎，鼯承平度。攒式擞速艨诗输出是线燕速度鞫拳平壤盼混合 毽，掰期速度对输出德的影响簧远大予水平殿。始：如速度为0 0 0 1g 对，对应盼水平 艘为3 4 。即测量水平度时，如果有0 0 0 1g 的线加速度没有消去，则引起的水平艘 测鬣谶麓舞3 4 1 2 0 l 。 l 围1 , 4 石英挠性摆式加速度计原理蹭 在陆态动基座试验嚏，常用竞电自准壹仅溯量动态东平度，按铡量对象。自准翥仅 可【2 上光轴垂直安装，也町咀光轴水平状态安装，但都必颡蜜装在地面上，自准直仪不 随摇摆台运动，用碱油盘或水平仪把自准直仪的光轴调铅獯或水平。即可用于测量动 态水平度。毽垂准赢玻需有鞍裹醵频嫡，当摇摆台足寸较大鞋，由于角位移窝线使穆 混淆在一起，自准赢仪需要有较丈的通光口径。航天1 0 2 所研斟了通光网径为0 3 0 0 m m 的大口径光电自准赢仪和动态光电自准直仪，动态光电自准直仪 2 h 见阔1 5 ，最小采 嚣时翊润隔为5 m s 。僵自准壹仪法只能用于陵态，不能用于海态。 圈 5d i 随- i 光电自礁蠢便井形鹜 综上所述，海态水平度的测量，国内外尚无现成的测量设备。海态水平度难以用 一台仪器就能完成，丽是需研究测量方法，缎成一套常用的测量装置才能完成。 1 3 本论文的主要内容 本论文研究了一辫海态f 水乎度鹩测量方法，采用岸、海对鲢内错角相等的测鬃 原瑗组成了一套涮鬣装置，装黉分旗三部分：对隧跟踪；翔步采祥和；致毙测距。在露 瞄跟踪系统中，采取了投射法，在远距离同步采样中，采用光信号传输，大大缩短了 采样对间。劳分析了在远距离测量水平度时，地球曲率影响修正量的计算。 在测量设备中，研制了二套光学系统，分别为激光准直透镜组和2 。消色差显微物 镜。经过凝m a x 软件优化设计，襻蓟了良好的效采。 测量装置进行了隧态对黢实验，远距离光斑测试，岸海对麟试验和同步采样试验。 证明原理难确方榘可行，即将执行藏式试验任务。 6 第二章测量技术方法 2 。1 海态水平度测量原理 2 1 。 测量海忿水警度采用岸、船对嫩几何学内错角相等则两直线平行的原理。见闵 岸上点a 平线 圈2 1 测照水平艘原理 a 为庠上点，b 为船上点两点释架设一台经缔仪逑行对瞄，a b 为a 稷b 的对疆 疆袁线，瘸子津上经纬饺毒戥精礁调平因魏吼为a b 聪a 点大建拳警线錾哭角，瓣上 经纬饺熬零孚凄楚蠢自谖孚王俸台麓定豹楚被测馕，嚣姥巍a bj c 重拔测奠终台调乎 线熬夹角，热无建球熬率影嗡，刑l 鳓蚓l 孵，玉终螽水平线与大她水平线平行，即 水平度误麓为零，当有地球曲率影响时，水平度误差 = k f + 2 s i n - 1 喙) 一 眩1 式中：三为a ，b 两点的水平躐离，试验时用测距仪测密 露为缝球的平筠半径，欷6 3 7 0 k m 采爆这嵇秘 窜角鞠等豹方法捡测承平度的优点为能适应海态的环境条件，无论潮 涨潮落，a 和b 两点都能准囊。 由予五，r 都为“+ ”德，修磁量恒为“+ ”值，戮诧，窿e 需取绝辩值，参藏 7 图2 + 3 2 2 地球曲率修臻 国予戆球在公整级踅离辩霹避酝看 筝凳馥髂，在琴溺经鐾燕上拳带覆必垂塞锻爨 线翡警嚣，嚣魏零溺位器豹窳警嚣嚣裙互鞠露今爽筵，势誉严疆平撂。娄薅轰踅亵较 近时麓夹角的值w 班忽略不计，毽两点位嚣穰远睡，衡辩为“公里”级以上，两点水 平警瓣的夹角误麓会很大，掰以必须予以修照。 1 ) 遗球簦率影确水警凄豹诗葵公式 衡蘑2 2 所承，推霉豹蓠穗楚缓定逮球怒擎径秀r 豹麓潮溷球，瀚串点都是承擎 时，两点的水平线并不平行，飙有d 角。 g = 2 嚣， lb b 、 | 、l ， v o 疆2 主璁球魏攀穆萎塞录意辫 口谈差分析 将式2 2 微分； c l 雠嚣 娜一去 、球= 2 s l 薮4 白3 6 0 0 2 2 ) 式孛： 群：两点水平线的夹角，鼯地球曲 率的影晌戆，单缀必建秒。 毛。蒋杰豹求警距襄，攀搜必k m 融撼球酌豢经，零霞必k m 取平鹭举 径6 3 7 0 k m 。 魏巢鼯嵩蠢t k m ，按主式诗黪懑遮露蘸率憨 彰确角海弱移。霹踅鼯离速魏公藿缓簿，：醮稼 曲率对水平度盼影响是不可忽械的。 。一4rdl-4ldr：一2rdl-2ldr 笤篓。，! ：企 。卜、r z w l 一 一| l 圈2 。9 准壹物镜媚；穆 当用灌童法保持掰笼辘平行，雳a 仪器麓察器纹器，丽辩叉蔫b 仪器震察a 纹器 时，称为“对瞄”。从图2 9 可以看到，当有一定甜角时轴上点经物镜发出的平行光已 缎不能充瀵男一台物镜嗣径7 。这对羁栋龙褒会减弱，当镳移出翻径艇目标将曩失。 这种现象叫做“视场切割”。设经纬仪日径为d = 5 0 m m 距离为1 k m ，“视场切潮”为 n 约5 0 时，物镜的偏角为口= 兰2 0 6 2 6 5 = 5 。，即在保证有5 0 的轴上点平行光进入 j 2 五 物镜时的可测角度为5 ，这样小的角度，再加上船的线运渤使信号很难接收到。因 1 4 此虽然准直法比自准赢法测量距离远饭仍难以达到远距离测量的效果。 舀) 。投射法 对于同步跟踪，闲为距离较远不能应用自准直法和准直法测量，可应用投射法测 量。光源投射法应用“镜像法”测量原理，见图2 1 0 。严格装在望远镜光轴上的激光 器散射光经反光镜反射后进入塑远镜，观察到的是光源的镜像，近距离时光源可用小 灯泡或发光二极管，远距离时需用半导体激光器。远距离时可以认为激光器是一点光 源。由于激光瓣装得和望远镜光轴重令，因诧，当望远镜分麓板十字线中心和光点重 合时，望远镜光轴即与反光镜难直。巍反光镜偏转a 角时，光线改变2 a 角反射，激光 器像就产生位移。a = l s i n 2 a ，当角度很小时，矗= ( 2 l a ) p ，p = 2 0 6 2 6 5 ，膈 t m 5 1 0 0 a 经纬仪毫放大率戆臻远镜遴弦理察岛鉴别。 鬻2 1 0 投瓣骧理 投射法不仅可以用于对准反光镜，也可以用于两台经纬仪的“对瞄”。保持两台缀 纬纹蘩远镜竞鞋孚霉。“蠡疆纛法”秘“准壹滚”适躅予较近的距离，由于采用了乎缮 光，可以在近距离使用时相当于远距离的效果，而投射法则只适用予远距离，距离近 子5 l l l 瓣，光源安装谡差豹影嘲将显蔫增大。激光嚣投射装嚣瓣结构霓霆2 + l l ，套1 的内孔按经纬仪望远镜物镜樵实际尺寸配制，取下物镜盖即可把投射装置套上，固定 桨2 瘸子固定激光器及聚光镜，戥螺钌3 固定在套1 土，螺钌与孔的阅骧用卡调整发 光点岛光轴同心。为了尽量减少挡光面积，固定架2 制成不等宽的长条形。激光器为 3 0 m w 级光半导体激光器，激光器翦殛装有聚光镜座4 ，弱定架调整后秀熙环氧撼i 旨如固， 激光器与望远镜视准轴同心调整时先调好经纬仪的照准差，使目镜分划板位鬻不变， 秀调激光爨同，。调溺心有多荸申方法，较准确的方法是剥用缎纬仪的是准直功能，对 没有自准直装置的经纬仪可用无分划板式准赢茸镜，即将目镜分划板用分光棱镜照亮， 以目镜分划教实物刻线与其自己的返网像对准。在自准直能达到的最远距离，设置三 棱镜或平面镜，调焦至平行光，塑远镜分划板刻线与返回像刻线像对准，再向近距离 方向调焦能看清投射光源的返回光点像，调整投射器的固定架，使反射光点像与西镜 分划板蘩线对准。 1 2 3 图2 1 1 投射装置 l 一套2 一固定架3 螺钉4 一激光器座卜聚光镜6 一激光器 溺装在望远镜物镜静静3 0 m w 激光嚣投秀重法，不仅霹达到k m 缀熬对醛鼷蹇，瑟 且尉搜用通用经纬仪。仪器不嚣娶改装，附件结 句简单，操据方便，撼获目标容易， 设备可靠性高，不易生产故障，成本低。从光学原理上分析，第一是应用了点光源原 理，激光器的浆光镜口径很小( 一5 ) 远距离测量时可以看作为点光源。按照几何光学 豹公式，当观察点光源对，用望远镜与不用望远镜的相对亮度；d f d f = ( d p ) 2 ，式 孛d 为望远镜入射龙建童经，对t m 5 1 0 0 a 级纬仪d = 5 0 m m ，p 为人跟的瞠孔囊径户取 2 m m ，因此d f d f - - ( d p ) 2 = ( 5 0 2 ) 2 = 6 2 5 。即主观亮度提高了6 2 5 倍，两背景的照 度却相应降低；第= ，激光器在物镜之兹的中心位置，有效地减少了“视场切割”的 现象，因此能以较小功率光源达到远的对瞄距离。 2 5 简步采样 测量海态水平度时，固定点在山上，运动点在船上，两者不可能采取有线 传输的方案，而动态采样的同步性对测羹误差具有重大影响，甚至可能影响弼 试验静成败，园茈必须考虑薪静无线传输静动态潜步采样技术。 2 5 1 海态基座运动分析 船在海上具有缀摆，横摇，帮靛肉变化三维角运动以及航淘、搂移、秀沉 1 6 三维线运动，共六自国度运动。自调平工作台成链饲服躐踪级摇移横摇二个角 遮动。劳能承收航囱变让翻三缝线运动变化引越豹线加速度影响。慰用内错角 相等的测量方案，要测量的是角度量调平误差，影响测量的是垂直方向的线运 动，丽水平方向线运动哭簧操俸手髓耀踪t ( 躐踪哭要亮点在望远镜视辩内， 不嚣糖确对准) ，不影响测燕豹准确拨。垂童方向的线运动是由以下四个因素综 食而成的： ( 1 ) 船静拜沉运动，这楚垂m 鬣运动懿蠢接蠢索； 犯) 由予船上经纬仪的安装位鼹，在船首熙方囱和船的质心不重合，船纵摇引起的 熏直方向的线运动； ( 3 ) 由予豁上经纬仪翡安装位嚣，在貉左、右舷方商秘震心不重含，横摇弓l 起懿蘩 囊运动； ( 4 ) 由予船上经纬仪的安装位麓，在高度方向与质心不重含，纵摇和横摇引起的纛 蠢方两线运动分鬣。( 蘩蠢方淘弓l 怒豹是分量，瑟不是壹接传递量) 垂直方向总的线运动使船体，连同岛调平工作螽，以及船上经纬仪一起做辨沉运 动。见图2 1 2 ，当在位鬣i 时，内错角为以与，当船升沉至位置i i 时，内错角为盯j 与口：，如果被测工作西没有误差，调平线与水平线平行；对麟与测角也没有误差，同 步采样也没有误茇，则鳓= ，掰：= 搿；即熏直方向的线运动并不影响测量结果如 栗其她足项仍无误差，但同步采样具有加误茇对，则山上读的是g 。角，聪船上读的怒 船酵闼螽，耀应豹舞沉蹇度趱离至位置l l 豹搿：囊，魏冠步误差是： g 喵嘞* h 矿2 0 6 2 6 5 * 参多2 0 6 2 6 5 ( 2 式孛：& 受弱步误差，单整为黠翅8 r 为垂直运动的周期，单位为时间3 抒为獯直运动的幅值，单位为m m 为本乎距离，孳位必m m 为斜距 如采船的垂盛运动的幅德h = 5 0 r a m ，周麓t = 5 s 。采糟日令读数时，闽步误差为 a t = l s ，剩号| 起误差经过2 ，l 蓑诗爨褥1 0 3 ，并且京是蘧壤交爨，算成不确定度拶，拜 浆以k 倍后，将霸严重误差。 t 7 垂 瓣2 1 2 瓣懿罄蠹运臻势辑 因她，为了确保海态，霸态，远距采样秘准确缝，应采瘸送躐潴无线佟输，自动 同步采样。不采用“口令”等同步方式；日榄，警动跟踪与采样分汗，即瞄标光点不 瀵失，锼搽炸手蕤在采样瓣糙援光点是否镳襄缎终披望远镜娶镜分划摄的水平丝，如 发现偏离成立g g 申踞，把该点数据髂腹重测。为了便于操作手操作，w 日头发“准备” 与“慕撵”语訇，毽这不楚懿令采榉，暴耧系磐动遗褥，与西令笼荚。 2 5 2 采样系统 祭榉褥一套独立盼祭缀完成，遗j 窭发射激光柬懿准壹，减参蒸发敖角，使光敏 三援管接牧煞毙缝量要魉集孛，菇戴需要设计以下激光灌直系统凳鬻2 1 3 滤辩辟物虢 耱上发瓣竞警 耱虢0 滞牲惫半簿体 嚣2 1 3 嗣步装撵巍鼹圈 匿中失激光通信的接收光管髑发射光管，一个怒装予船上经纬仪颦遥镜上的发射光管， 舅一个鼹装予出上经蓐搜鏊遮镶主熬接羧毙警，两者其骞穗嚣结构酶兹镜，发懿罄糁 镜的焦掰上为0 。3 w 氩淹半移体激巍器的发光熙，因此如射光为乎行光，( 实际上酃誊 一定的不平行度，即发散角。磁射的是个光雅) ，接收管焦瑟上装光电三板管，把接 收到躲搬德号转变为电信号，光电麓翦热装一块捆同波长的予涉滤光片，以减小杂光 的彩响。 1 8 工作过程如下：当船上，山上经缔仪以其掇远镜对准对方3 0 r o w 红光半羚体激光 器的光点，并不断地相置躐踪时，船上发出一个采样脉冲信号，该脉冲信号读取缀纬 纹j t d 2 辫誊捂静读数穰，溺辩健0 3 w 激光器熄震。当鸯先拜孝，按牧光餐熬必毫三投 管输出为凝泡单。灯媳_ 灭时光电三捉镣输出转炎为低电平，郧光电三极警的辕出产生 一令由蹇逛警至糕电孚熬懿交，这懿变矮擎穗态羲转变减一个狭稼潦，狻熬洚使 t m 5 1 0 0 a 垂袁微动视稳鞭嘏，使微动失效，电路方攥巨蔻匿2 ，l | 掰豕 背景巍 。j 。 一。 i 激光h 光敏三极管h 电信号 一放大器l “。“”1 je 一、+ j h一。一 。芏一 l 羯壤孚蘩零h 荦稳h 迸较器|”。|。“1。“。“j 一。蔓、 l 指示灯l 图2 1 4 同步采样电路方概匿 凌燹激悫照射条耱节，溅惠光敏三投管对乎鸳景毙爨翡黢黪毫疆售母丈奎， 该蘩号缀羧夫嚣鼓夫爱酌泡垂缓露菇毙羧嚣戆溺麓邀嚣。 艟止0 。3 w 激悫嚣蹬射激澎，虫岸上光敏三级管接收，经戴撵毫阻取出魄援 信号，由于采样到的光信母较小，骚利用放火器经过放大成为有用信号。该信 号与阈德电聪作魄较，若离子阂值黄f j 有电压倍鸯输出；反之掰没霄。当激光器 峦亮爨灭辩，蕈稔产生麓邀乎售号，使t m 5 1 0 0 a 浆继电器线潮邋窀，蘧辩5 瓤 1 8 移嚣又交藏糕邀平。 采样时由于物镜中心的3 0 r o w 激光器并未魑獗，因此山上操撵警可以监视至发采 样脉冲时光点是否偏高，一鼠接收到光灭信号，t m 5 1 0 0 a 微动旋镪必效，光点自然偏 离歼了。瀚诧只要辑到“采样”黼令辩，巍点寐偏离，整个工作迸粳都难常舞效。同 群麓上操佟手也在鼹踪毙点，努靛褪在发“采样”疆令薅楚否偏离。 3 1 光学自动设计 3 1 1 光学自动设计原理 第三章光学系统设计 光学自动设计即像差自动平衡，是借助于计算机来实现光路追迹、像差计算、像 质评价以及结构参数优化设计等，它利用数学上的最优化理论和数值方法实现像差的 自动平衡。 设一个光学系统有n 个结构参数，记作苫，工：，工。，这些结构参数指透镜表面的 曲率半径或非球面系数，透镜的厚度和间隔以及折射率等。要求校正m 种像差，记作 一以，厶。每种像差随各结构参数变化而变化，可表示为 = z ( x i ，x2 ，x 。) ( j = l 2 ，埘) ( 3 1 ) 光学自动设计就是要修改结构参数善，j2 c ，x 。，使所种像差都逐渐减小下来，且 达到各自可允许的目标值。但光学系统的结构参数并不都是独立的自由变量，所以在 修改结构参数时，需根据边界条件进行修改。在设计中要求控制的各像差之间，并不 都是能任意控制的独立的量，在修改结构参数时，可能有些像差会减小，一些像差会 增大。所以在设计时应根据需要和可能，对各种像差进行综合平衡，以确定光学系统 的最优结构参数。鉴于此，在光学自动设计中，必须建立起一个能综合评价并足以反 映像质好坏的函数，以引导结构参数的自动修改，直到能获得良好的解。那么我们就 应建立一个评价函数，以像差反映像质的优劣。评价函数中的各种像差，不是以像差 自身的绝对值i ，l ，而是以它们相对于目标值之差即剩余像差值一，) 来参与，六 为各种像差要求达到的目标值。各种像差越接近于目标值，评价函数就越小。像差的 目标值f 可按像差的要求来确定，对各种像差还须按不同的要求乘上一定的权因子 ，据此区分各种像差的相对重要性。根据上述考虑，评价函数的构成如下形式： ( j ) = ；t f , 一 ) 2 + 口，刍一2 ) 2 + + 国：( 厂_ 一：) 2 = 矗a l q 2 一，) 2 ( 3 2 ) 构成评价函数的诸像差f ( x ) 是泛指的，可以是几何像差，也可以是波像差，还可以 是点列图或光学传递函数等，在本论文中，所用的光学设计软件z e m a x 就是利用上 述三种评价函数进行像差平衡。 3 1 2 像差的技藏 像差的校溅大致可以分为三个阶段： 1 ) 校藏“基本像差” 程显徽携镜竣谤串掰诿装釜零豫曩一般载是全镳场t 鞫全强经戆豫篷。爨鲡：疆童 点孑l 绞瓣速缘撒线戆臻差吾h 靳疆馘麓s ，烂徽魏镜的赡变等等。 ( 2 ) 校碱剩余像麓或高级像麓 森完成瓣蘩率像麓校垂熬罄淤上，羚辑系统缳藏懿校芷携嚣，找出燕袋瓣裹缓豫 差作势校正豹对象。越辩，还要淀惑繁步掰校正完的慧本豫差也臻考感强离级像麓 靛较委串。戮凳必骞亵基本豫麓授疆宠残赘嚣鬟下，蘸缀稼麓羲较委右露意义，霹鬟 余像羞或者离缎像差的校正采取逐步收缩公麓酶方式，使它们尽可能地小。在校正过 程中慕些本采不大戆离级豫差w 髓会撼大起来，这对麟必须要把它们墩勰入校正，在 无法校正时，泶取折衷的方案，兼顾器种商级像差。 懿累系统懋法馒务静裹级缘熬技燕到兔谗熬公麓蒎毽内辩，就哭能救夯所选豹爨 始系凌了，蘩耨秀透一令裹缀镶麓较奎熬嚣戆系统，嚣爨第一令校委参骤囊爨溪是要 求鸯受。 ( 3 ) 像麓半衡 在完成了黼缀像麓或者剩余像麓的校正翳。根据豢绕在烂个视场和魁个光束孔径 内的像差分布规律，改变基本像麓的鞋标谴，重新滋移基本像差豹校噩。镁整个褪滋 餮整争竞隶魏经巍获褥嚣霹毅好蠡孽残豫矮垂。 3 2 激光准盥系统设计 为了保证阐步采样，并遗应海态的环境条件，采用丁激光传输的孙法，激光需加 壤壹系统，戳怨爱嚣缀竞斑足曹，壤攘浚系统鼙疆程1 公里嚣鋈癌攘黢爨瓷猿号。臻 壹系绕还需体欷奎，燕羹轻，装程麓透镜主游。不致影嚷望运镶懿转凌警鬻，曼不辘 弓| 起经纬饺静缝梅变形。 3 。2 。1 拳导摔激滗嚣埝逛竞特性麓套 豢导髂激光嚣羲爱宠爨臻与蒸宅激蹩器鞠鬻，发瓣激毙要灞是羧子数爱转窝鞠鏊 条俘；与其它激必嚣不丽的怒，睾潜体激竞器串电予分稚在不阕能带的不弼熊量状态 中，拳导体激光器发光区几何尺寸不对称，其远场呈豫数椭圆光束，但毕母体激光器 体积小，便予寂装在经纬仪羹远镜上，低温俄能好，熊适应掰外环境条彳牟n ( 1 ) 光裘发教饿和不对称性 2 l 半簿俸激先器输出的荦模光束，稽当予一个稻予翁高斯先静发散。其输出大约稻发 教光的光鹱成反比。反乏，会聚角度和它的聚集光腰尺寸成正比。大多数半导体激光 器有一个内腔束麟，从而发射发散光。束腰的半径由光柬焦点的半径而决定。商斯光 窳的半径是蠢强度最大疼( 静光束中心) 下降至i e 2 薅弱熹豹距离掰决定。半等俸激 光器具餐籀攀高期分布的基本性质，半鼯体激光器的有源区不但很小，丽且不对称， 典型条形半导体激光器着输出功率在零点几至几毫瓦，有源区厚度有零点几微米，宽 帮只有5 一l s 微米。输密在凭嚣瓦翻死瓦对，纛源嚣浮度瓷i - 5 微米，露燕渡帮密一至 几百微米，这将导致产缴一个不对称的光腰，因而光的发散是非常剧烈丽且不对称的。 般在垂直活动缩方向上的光发散半角在1 2 。- - 3 0 。之间。在平行结平面方向上的发 敬爱l 穗对小徽多，大约装篦蘩壹方舞上煞焦瘦夺2 - 6 倍。这裁导致了半譬体激光器输 出光束是如图3 1 所示的椭蹦截面。 翻3 1 半导钵激光器发射巍柬迓壤襄远场分枣 ( 2 ) 半导体激光器的发射光束近场分布和远场分布特性 人们通常将半导体激光器输出的光强分布分掰掰近场和远殇特畿来擒述。掰谲遥 缓分农特性跫撂瓣理瑟上光壤足寸戆大小窝巍强豹分毒，它往经帮激光器豹测肉模式 联系禚一起。远场分布特性怒指沿发光方向输出腔谳一定距离时光强的变化情况。我 们通常以光束半高点的发散精度来描述。 纛半导体激悲爨熬诸多旋弱中，零鬻希望毙束在空阕豹分蠢是隳对称豹。但是由 于半导体激光器商源层截面不对称和有源区很薄，其谐振腔厚度与辐射波长可以比拟， 因此中心层截面的作用类似予一个狭缝，它使光束衍射并发散。输出光束发散角很大， 毙强分舞( 毙褒形状) 瞧不砖称，翅鹭3 1 瑟示。 商功率半导体激光器的远场分前i 模型如下： 如果半导体激光器发射的是理想的商斯光束，应有如下的光强分布 k r ) = ，一e x p - 2 ( r 口) 2 】 ( 3 3 ) 式中，( r ) 是猩半径为m 的高斯光束柬腰内径向尺寸为r 处的光强，。为柬鞭内酌簸 大竞爨，显然，当，；掰辩，谈楚熬巍强茺1 1 熟l ，# 2 ( 帮必羰峰蓬豹1 3 。5 ) ，絮黧 3 2 所零。半导体激光器半强艨处全宽度角口岛l ，9 2 光强度处黛宽度角只，的关系式为 或；o 8 5 吼。高斯光束峰值光强之半处的发散全角( f m h w ) 为p = 芸= 旦孑 实际半导律激光稳筋出鸯重光束秀雅对称裔籁分鑫，有较大豹显在横囱和嬲蠢不瓣 称的光柬发散角。n - - - f 用下式近似表示； 矾而炉们p 卜嚎+ 寿) l ( 3 4 ) 童 。1 0 0 匕 矗 于 是 乏 、 6 一 1 5 w- w 靠 w1 s w 半径 闰3 2 理想的赢斯场强分布 ( a ) 垂直于结平面的发散角以 秀了降羝潮毽电流密度秘敬善模式特性，拳导髂激光器豹鸯源聪崧须缀薄，只裔 o 1 ，删一o 2 删。计算光强随自由空间偏离光传播轴线的远场分布，根据狭缝衍射原理， 求解吼。 则有；吼( 弧度i i 焉菇4 0 磊5 ( _ nj 磊丐万薪 。：2 2 ) 譬 ( 3 5 ) 2 3 y x = + d a 2 x = - d d 2 n r l 缆 毒 、 ? n 烈 。 餮3 3 激光器孛辐射旌! 狭缝上的 i | 爨 彩。平孬手结乎嚣方岛上豹发数角繇 箭西讨论的对予较鼯有源层静护的表达式( 2 1 1 ) 氇适合子平行于结平甏方离静 情况，吼有如下近似表达式： 巩z 丑国( 弧度) ( 3 6 ) 式中，g o 为有源区厚度嘲。 3 2 2 臻誊透镜设诗 半导体激光器准直有许多方法：从简单的棱镜、透镜准直到折射微透镜准直，激 光器准直已经有了臣大的进步，纂；现了封装、集成、小型亿与阵列纯，融经在生产线 士群始鸯产。 海态零乎发的测量设备，对骥用的3 0 m w 激光器，采用应用广泛的聚光镜。对同 步采样用的o 3 w 激光器，则自行设计倦4 造了比较经济实用的透镜组准赢系统，o 3 w 红光半导体激光器主要参数为：输出光功率0 3 w ，波长天= 6 5 7 4 r i m ，发光点尺寸 l p m x 5 0 p r o 。发散角4 3 8 。5 7 。把半导体激光器发出的激光近似视为有簖斯分布 的点光源，激光的发散角为4 3 8 4 x5 7 。，郎数值孔径为0 7 6 7 和o 1 。必要使准盛透 镜瀚数戆孔径不夸予0 ，l 帮搿。 麦予发爽点尺寸缀，j 、，霹以邋似认为是点光源，在设计准疆透镜时要搜其像方扎 径角大于激光束的发散角，在实际使用时要求准直透镜的口径尽量小些。由予激光准 直邋镜是装在经纬仪望远镜上的，所以体积要求要小，重麓轻、结构简单、使用方便、 效率毫、襞篷努。箕为藏夺总教准蹇透镶取爱摄远麓透镜缀，帮歪透镜在蘩受遴镶在 ， 聪。使系统的像方主衙前移，这时系统的总长小予焦距，其缩小比为n = 去，其中l j 为系统长度，厂为系统总焦距。一般取n = 0 6 - 0 8 ，过小的将增大前组的相对孔径 秘蹇级豫茇，会馕光缀变得复杂。 ( 1 ) 前组和霜组的焦躐及间隔的计算 根据掇远型物镜结构，进行光路计算。为求出三个未知麓，f 2 和吐需解下述 三个方程式 五篓 ； ；斗 ；一d d + ，( 1 一妥) 乩 ( 3 7 ) 手地乒= q 取黼。6 ，岔镱。6 ：簇缮 f ；1 4 0f l 。g o 以一- 3 0 d 。6 0 ( 2 ) 渡蓑法求系统秘始瓣 波差法求解双胶合避镜初始解方程组： | ( 撵l 蚤一1 ) g + 嚣2 p 一匐吗= 南 ( 协，一i ) g l + ( 聆2 f 1 ) g 2 = 舷 ( 3 8 ) 【( 辩虻一1 ) q 十( 丹2 c 一1 ) g 2 = 走 其中： g l = 岛一岛 6 2 = 珐一岛 d 光为主光线波长，即代表焦雅，方程缀3 8 各式相减， 瓴f 一强c ) g + ( 抬2 f 一嚣2 c ) g 2 = 如一九 使双胶合透镜消色羞式3 1 0 为零， l ( 啊一1 ) g 1 + ( n 2 一i ) g 2 = 如 k 强f n t c ) 蛾+ ( 磁f 一$ 2 c ) 嚷= 0 巍玻璃选寇后，g 。，g 2 可解。 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 。1 1 ) 令波麓w = 0 时，波差表示形式恰好是个见的一元二次方程 a 露+ b p 2 + c = o ( 3 1 2 ) 解为：成= - b + 譬、w - 4 a c ( 3 1 3 ) 其孛： a = ( n l i ) 0 1 + ( n 2 一i ) 0 2 = 妒 b = ( n l 一1 ) g ；- ( n 2 1 ) o ；( 3 。1 4 ) c 一壶妒+ 如州+ 扣邺；+ 刍去一击+ 圭一士， 对于小视场光学系统满足正弦条件，则有 u = s i n u u = s i n u ( 3 1 5 ) c ；扣i 1 ) g ；+ n ：- 1 ) g 5 - 一詈多jn 当玻璃选定居，通过以上公式肖以求撼珐，, 0 2 ，建。通过查表褥到透镜厚度 详细的波差法计算可见文献，最后得到前透镜组( 双胶合) 的初始解： t d g l a s s 3 7 3 34k 9 4 s 。5l ，5 z f 6 1 8 2 4 1 谤算瑟缝结搀；爱缌选撵攀受透镜，簿透镜弱诗葵公式： 喜；( 上一土x 撑一1 ) ( 3 。1 6 ) f 、 t “ 这里我们选用平凹透镜作为初始结构，公式3 1 5 变为： 喜：一三( 川) 厂吩、 因为月= - 3 0 ，取n = 1 5 ，带入上式得 如= 1 5 这样熬个准直物镜的初始结构如下： s u r f t y p e r a d i u st h i c k n e s sg l a s sd i a m e t e r ls t n d a r n4 5 6 1 34 i ( 9 2 2 2s t 黼 鞠t- 3 5 8 4 5l 。z f 62 2 3辍a 黼船1 4 5 5 26 02 2 4s t a n n a 胁一1 5l 5i ( 95 5s t a n d a l l d i n f i n i t y 5 3 ) 痰雳z e m a x 优化嚣， s u r f t y p e r a d i u s鞠i e k n a s sg l a s sd i a m e t e r l骄a n 瓢黯3 7 + 3 349 92 2 2s t 黜船一4 5 5l 。5z f 62 2 3s t a n d a 妯- 1 8 2 4 l6 3 3 82 2 4s t a n d 叻一1 5 1 3 71 5k 95 5s t a h n 髓1 3 2 6 52 0 0 35 光路圈如下： 兮 。 乙 3 2 3 、激光准直系统像质评价 图3 4 准嶷透镜光路围 在光学系统中不可能使所有的像差都校正为零，因此，需要研究光学系统有残存 的像差时，应校正到怎样的状态，即艇像麓校正应有一个最佳的校难方案。弱一方面 研究残存像羞允许保留酌量值，静像麓容鞭。这两方面都属予先学系统酶像矮评价。 评徐一令光学