（测试计量技术及仪器专业论文）激光测距机关键技术研究.pdf

摘要 激光测距技术在民用和军用领域中得到广泛应用，本论义针对激光测距机研 制巾衡关关键技术，系统研究了激光大气传输和激光测距艨统中的光轴调整等闯 霞。 本论文从激溉测距工作愿煺蹬发，系统分析了影响激光隧波的镑个主要医 素；剁用l o w t r a n7 软件系统研究了太阳光波大气传输特你，研究了大气背景下 嚣红辨簇鬈鹫鬟。歇实酝毽发，将建波大气衰减系数蘧蕊测焦褰疫交织静关系弓l 入激兜溅距侔薅躐离信算孛，使激嵬瓣距终麓距离颈溅瑟燕簿台窦舔魏准碡。 本论文较系统、全面地对激光测距机的谰籀精度及其测量、回波信号的检测 理谚髑工程实践避露了研究。擞据光轴调校螗蒜本理论对激光测距机的搬轴调校 精度遴挥了癸攒舞给遗诿差蔚测嚣方法；劳搬豢工程实载，缭盛了一个方袋、哥 行、脊效的光轴调梗方法。最尉对激光测鼹帆豳波检测避杼了分柝，并对测距梳 的可靠性进行了嫌讨。 关镳学，激光测腻桃激光大气传输大气湍流光辅棱溯 a b s t r a c t l a s e rr a n g e rf i n d e ri sw i d e l ya p p l i e di nc i v i l i a na n dm i l i t a r yf i e l d s t h et h e s i si s d e v o t e dt ot h ei n v e s t i g a t i o no fs o m ek e yt e c h n i q u e sd e v e l o p i n gl a s e rr a n g ef i n d e r 1 1 1 cl a s e rp r o p a g a t i o ni na t m o s p h e r ei ss t u d i e da n dt h ea l i g m e n to fo p t i c a la x e si s t r i e do u t 1 1 蛇p r i n c i p l ee q u a t i o no fr a n g - f i n d i n g i sd e d u c e da c c o r d i n gt ot h eb a s i c p e r f o r m a n c eo ft h el a s e rb e a m o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l e ，t h em a i nf a c t o r sw h i c h a f f e c tl a s e re c h o e sa r e 锄屿，z e d w i t hl o w t r a n7 ，t h ea t m o s p h e r et r a n s m i s s i o nf r o m 锄i sr e s e a r c h e da n dt h er a d i a t i o nf r o ma t m o s p h e r eb a c k g r o u n di se x p ! o r e d n e l a s e rr a n g i i l gs p a c ei sc o m p u t e du s i n gr e l a t i o nb c t w e a la t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta n d a l t i t u d eo fo b s e r v a t i o np o i n ti na t m o s p h e r e i nt h ec o n d i t i o n , t h es p a c ei sm o r e a c c u r a t e i nt h et h e s i s , t h ea l i g n m e n to fo p t i c a la x e si sr e s e a r c h e da n dd e t e c t i o no fe c h o e s o f l a s e r si sd i s c u s s e dd u r i n gt h e 仃i a lo f o u re n g i n e e r i n gp r o j e c to f l a s e rr a n g e rf i n d e r t h e nt h ep r e c i s i o no fo p t i c a la x e si sa n a l y z e d 1 1 l em e t h o do fa l i g n i n go fa x e si s g i v e n , w h i c hi sp r a c t i c a l ，e f f e c t i v ea n df e a s i b l e l a s t , t h ed e t e c t i o no fe c h o e sa n d r e l i a b i l i t y o f l a s e rr a n g e f m d e ra r c d i s c u s s e d i n t r a i l o f e n o n e e r i n g p r o j e c t k e y w o r d s ：l a s e rr a n g e f i n d e r a t m o s p h e r et u r b u l e n c eo p t i e a la x e s l a s e r a t m o s p h e r ep r o p a g a t i o n d e t e e f i o 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交豹论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得浆 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其媳人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获褥西安电予辩 技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所傲的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：隰护占、7 罚期：竺! ：! ! ：z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位瘸西安电子科技大学。本入保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时器名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权操蜜送交论文豹复印件，允许查溯和偌阅论文；学校可以公布 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密 艉论文在解密箍遵守此矮定) 本人签名：隅丛! 兰： 导师签名：图i 罨魄 a 。c o s 0 此时s 可用激光束的发散角表示若平面发散角q 对应的立体角为q ，则 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 第三章激光大气传输及背景辐射特性 o - - - 0 2 5 ，r 砰 ( 3 - 2 0 ) s - - - 0 2 5 , 研- , e 2 ( 3 - 2 1 ) 凡= 降群r - 2 2 可见，当测距激光束全部投射到目标表面时，最大可测距离取决于目标的反 射率、激光器发射的功率、接收物镜入瞳面积、大气和光学系统的透射率以及系 统的最小可探测功率而当测距光束并非完全投射到目标表面时，系统的最大可 测距离除了与上述因素有关之外，还与目标被光束照射的面积、光束投射角以及 激光器输出的发散度密切相关 若定义“目标截面”为 o - r = p a , n , ( 3 2 3 ) 式中瓯自目标反射的激光束发散立体角，则在测距光束有部分射在目标之外时， 对漫反射目标有 o - r = p a l | 霄( 3 - 2 4 ) 此时疋的表达式可写为 屯= 刮“4 c s 大气对最大可探测距离的影响不仅表现在它的透射率，大气湍流产生的光斑抖动、 光强闪烁、波面畸变及大气对出射激光束的后向散射也影响吃。 表3 2 给出单站激光雷达探测距离与接收功率变化的结果，若接收器的最小接 收功率为1 0 e - 0 8 w 时，在斜径路经仰角为口= 1 0 0 时，对于能见度分别5k m 和l o k l n 时的最大探测距离可为8k m 和1 4 k m 当然，能见度和路径仰角不同，最大探 浸4 距离可能会有较大的变化，关于不同仰角情况下的最大探测距离的预测结果如 图3 1 2 所示。上述模拟计算中各参量如下： 发射功率：e = 2 m w 散射截面： a 膏0 1 m 2 接收入瞳半径：口= l o c m光学系统透过率： = 0 9 路径仰角；口= 1 0 0天线有效高度：h = 1 0 m 能见度：圪= 5 b n , 1 0 k m激光束发散角：0 = 1 0 m r a d 图3 1 2 给出了在其它条件相同的情况下，对于中等能见度大气中不同路径仰角时 的最大探测距离，最大探测距离随着路径仰角的增大而增大。这表明在地基系统 探测时的探测距离指标相对于空基探测的较小。即空基激光雷达探测有较大的探 测距离。对于较好的大气能见度，探测距离将会更大 3 8激光测距机关键技术研究 表3 2不同可见度情况下，探测距离与接收激光功率关系 屹= l o b n 0 = k o m r a d 匕= 5 b n 0 = l o m r a d 探测距离n )接收功率( w )探测距离n )接收功率( w ) 22 2 5 8 e 0 4 2 9 1 7 4 e - 0 5 3 3 1 0 7 e 0 538 7 9 8 e 0 6 4 7 1 9 2 c - 0 641 4 9 0 e - 0 6 s2 2 4 8 e - 0 653 5 5 4 e - 0 7 68 5 8 1 棚 61 0 7 4 e - 0 7 73 7 8 4 e - 0 7 73 8 6 7 e - 0 8 81 8 6 2 e - 0 781 5 9 7 e - 0 8 99 9 9 0 e - 0 897 3 6 7 e - 0 9 l o5 7 5 0 e 0 8l o3 7 2 0 e - 0 9 l l 3 5 0 7 e 0 8 l l 2 0 2 6 e - 0 9 1 22 2 4 5 e - 0 81 21 1 7 6 e _ 0 9 1 31 4 9 7 e - 0 81 37 2 0 5 e - l o 1 41 0 3 5 e 0 81 44 6 2 6 e - l o 1 5 7 3 6 9 e 0 91 53 0 9 2 e - l o 1 65 3 8 8 e - 0 9 1 62 1 4 1 e - l o 1 74 0 3 2 争0 91 71 5 2 9 e - l o 图3 1 2 最大探测距离随路径仰角的变化 3 3 有限波束激光湍流效应 对于大气湍流各种效应研究，在弱起伏情况下，相应的理论已经基本成熟； 但对于强湍流，需要进一步的结合实验测量研究强起伏下的各种湍流效应，主要 研究激光波束闪烁、波束展宽和波束漂移等对于激光大气湍流的闪烁现象的研 究开展的较多，且较为成熟；而对激光远距离、弱目标探测时，影响较大的主要 为波束展宽和漂移等，因此，下面主要讨论一下这方面问题。 有限光束( 波束) 在湍流大气中传输时，以扩展和漂移的影响最为重要。用靶目 q)董酗器鬻 第三章激光大气传输及背景辐射特性 标测距或跟踪目标时，由于光斑的漂移可能是光斑脱靶光束的扩展也可能造成 类似的效果，因为，扩展了的光束使其靶面的平均强度将减小，有可能使得到达 接收器上的信号强度低于检测阈值。因此，在探测系统设计时，除了要分析考虑 大气湍流引起的信号强度闪烁效应外，还必须要考虑波束扩展和漂移效应。而扩 展和漂移均同光束的平均强度有关，因此，首先，应该分析波束波的平均强度( 场 的二阶矩) 问题 3 3 1 场的二阶矩 2 z k a u f f ) + v 2 u f f ) + 七2 矿( 尹) ( 尹) 。00 - 2 7 ) 其中；口2 + 哦= 南+ i 1 r ( o ，疋，历) = c x p 卜委k ( 吲2 一妇群) l ：唧僻+ 枷幺历 。2 i 。，成，办) = j d x d e x p - a p ：一弼+ c 岛k + 心岛一- ( 3 3 0 ) 激光测距机关键技术研究 口= 壶o + 旁 a = 譬辱【( q 扩+ ( 1 - q 们 c = 三2 l f 巩z 一! a 王, ( 1 一岛力 日= 等啦叫魄+ 警卜渺i p a 一剖纠3 扒 z i 图3 1 3 束轴上平均强度随距离的变化关系 对( 3 3 0 ) 式进行数值求解，得到的结果如图3 1 3 所示图中l 、2 分别为准 宣和聚焦时波束随距离的变化关系，其中a 表示自由空间时的结果，b 为考虑湍流 效应的情况；3 为考虑内尺度效应时的结果，3 a 为准直波束，3 b 为聚焦情况。从 图上可知在湍流中聚焦光束于很短距离内即同准直光束相同，考虑内尺度时强度 减小的将更快一些 3 3 2 光束扩展 如果在接收平面上记录光斑的话，在传播路径较短时，光斑的形状没有多大 的变化，与自由空间的传播是的情况一样。但是光斑在作随机漂移，若曝光时间 比漂移的特征时间( ，* 矿，v 上) 短，则记录到的光斑尺寸几乎与自由空间的相同， 第三章激光大气传输及背景辐射特性 这时光斑的半径称为短期光束扩展半径，计为风；若曝光时间比岔大的多，记录 的光斑尺度半径为长期扩展半径，计为几，包括了光斑的重心漂移忽在内它们 之间的关系为 + 为了便于计算。l u t o m i r s k i 和尤拉建义将传播距离z 分为三种类型， z 芦她；z p z 两个判据距离z i 和z c 分别为 ( 3 - 3 2 ) 即鳓； 弓；( 0 3 9 c ：i 2 矿) 。磊= ( o 3 9 ( 和气酽) - 1( 3 3 3 ) 由于z i 的量级为1 0 6 m ，因此最常见的情况为z i z z c 。此时得到波束的二阶 矩表示由式( 3 - 3 嘴出现在来讨论平均通量密度，它可用岛= , 0 2 ，e p 砌= o 时的 二阶矩表示 = r ( 岛，磊o ) = 譬f 白山( 白岛) e x p ( 曲码一4 ) ( 3 3 4 ) 式中h = o ，5 4 7 c ：t ”乞”。 另外，令岛= o ，岛0 ，则可从( 3 3 0 ) 式得到束轴附近的横向相关函数 r ( z ，o ，砌) = 鬟- o i c a d r f 。d # e x p - a p ：一6 司+ 锄心s 一明 ( 3 3 5 ) 式中日= - 舶r 七2 e p + 易，2 2 警蚴c o s 妒 5 埔出- 如果用平均通量密度下降到口。2 倍中心平均密度时的以值作为光斑半径，则可从式 ( 3 - 2 9 ) 得到光束的长期光斑半径 似) = 譬 泓) 2 + ( 1 一q z ) 2 蕞 ( 3 _ 3 6 ) 式中岛= 1 4 6 k ：f 蟛( 1 一善尸，q ( 髟) r ” 在均匀介质中上式为 岛= ( o 4 6 四置幼圳 ( 3 3 7 ) 从式( 3 - 3 6 ) q a 可看出，前一项为光束自由空阀中传播时的扩展，而后一项是大气湍 流散射引起的扩展。 应用式( 3 - 3 6 ) 计算了波束随着传播距离的增加而发生的扩展。图3 1 4 中分 别给出了准直( 实线) 和聚焦( 虚线，折线焦距为l k m ，点线聚焦为l o k m ) 波柬 时的自由空问和考虑湍流时的结果结果表明当传播距离较大时，湍流存在情况 下聚焦波束的扩展与准直波束的结果非常接近 激光测距机关键技术研究 图3 “波束随传播距离的扩展效应 对于短期扩展，也需要按不同情况分别求取近似值。 o ) p o d 2 以后不论多大，比值都趋近于1 ，也就是说短期 扩展与长期扩展是一致的。只有湍流比较强( 岛 d ) 时两者才有较大的差别。 ( 3 ) 若d 岛而且其余条件同1 ，这时( 虞) 近似于( 虎) ，也可以 由式( 3 - 3 6 ) 确定 ( 4 ) 若( z ，七) ”。大于d 或p o 两者之中的较小者，这时光斑将破裂 成许多小块，光斑漂移与总扩展相比是个小量，至于会出现多少块小光斑，它们 的亮度又如何，理论上还无法解决，不过这时的平均扩展半径可由( 虎) 来表达。 实验上光束的扩展可以通过能量守恒的观点来考虑，即在无损介质应有 厶4 = ( ，) 4 咿= o o ( 3 3 9 ) 上式表示在在无湍流时接收到的有限光束强度，o 与光斑面积4 的乘积应等于出口 处的通量哦，在有湍流时接收到的平均光强( ，) 与有效面积如的乘积也应与通量 吼相等于是光斑的等效直径d 0 就可由下式求出： 磊为光斑的衍射极限直径 ( 3 - 4 0 第三章激光大气传输及背景辐射特性 已证明高斯光束的平均强度为 ( ，( r ) ) = m 西。c ：”蝎0 4 2 ) 由此可导出 a i = m c ：i 慢”器誉( 3 - 4 3 ) 肘和掰是个常数。在球面波相位结构函数岛( 2 ) 足够大时，m = 7 8 实验表明在同样湍流条件下使用较大的发射口径可以减少湍流的影响，而且 在发射孔径大到一定程度后，光束的有效直径基本与口径的大小无关，这个效应 称为“口径饱和效应”以从理论上证明了这个效应的存在因此，为了减少湍流 扩展应使用较大的发射口径 3 3 3 光束漂移 光束漂移的研究早在上世纪五十年代就开始研究，所用的方法主要有早期的 几何光学近似与微扰法，目前主要应用的马尔可夫近似，及基于马尔可夫近似推 广的惠更斯一菲涅尔原理和渐进展开法。光束重心漂移的均方值为 戍扣 求解的困难在于需要处理四阶矩，众所周知，只有二阶矩存在严格的解，四阶矩 只有近似解因此，在一些假设条件下，得到的漂移角方差的简化形式为 司= 旦孚扣( 1 - 扩唏每+ 茄融 ) 通过分析表明光束漂移主要是由大尺度湍流漩涡决定的。而在弱起伏的情况下， 常用的漂移角方差的表达式为 司= 1 7 0 9 c 2 z ( 2 a o ) 。”( 3 - 4 6 ) 到目前为止，根据不同的外尺度参数，可以预测波束的漂移，但还没有得到一个 能描述光束在整个湍流区域内的漂移规律的理论模型，这有待进一步于研究。 由于大气强湍流较复杂，目前研究的也较少，因此，可采用修正的r y t o v 理 论，几何光学近似，以及m a r k o v 近似，通过求解场的一阶、二阶和四阶矩方程， 在考虑湍流内、外尺度的情况下，研究强湍流下的激光波束的大气湍流传输特性。 同时，研究激光脉冲在大气湍流中传输的双频互相干函数，并进一步研究其时域 和频域特性 第四章光轴平行性研究及误差测量 第四章光轴平行性研究及误差测量 4 1 接收光学系统对回波信号检测的影响 前面已经说过，接收光学系统的口径越大越好，但必须与体积、重量之间做 一个最优的选择。 虽然接收光学系统的每个界面都可镀增透膜使对应回波信号波长的光线增 透，面且透过率根据当前的工艺可以傲到很高，但是当光学表面数目较大时，系 统总的透过率将迅速下降。设每个光学表面的透过率可以表示为乃，共有f t 个表 面，那么光学系统总的透过滤乃可以表示为 t t = l - i r z ( 4 1 ) i - i 我们知道无论怎样镀膜，n 总是小于l 的；也就是说上式中的乃小于1 ，而 且随着接收光学系统表面数目的增加而减小。刀减小意味着接收光学系统的光学 元件将使本来就很弱的回波信号变得更弱因此，我们必须在光学系统的性能和 元件数目中问选择一个平衡点( 一般而言，为实现同等任务，光学系统用的元件数 目越多，光学系统像差越小，性能也就越好) 通常在测距机中所用的回波接收光 路不外乎锥形光束和平行光束滤波光路两种形式。其中锥形光束滤波光路的光学 表面数较少，因而它的总损耗较小我们选择接收望远镜物镜( 图4 1 中1 ) 2 片，目 镜( 图4 1 中2 ) l 片，会聚透镜( 图4 1 中4 ) 用胶合透镜，各表面均镀增透膜，力争 较小损耗 。一一王!：!：二圭二：二 1 物镜 图4 1 接收系统示意图 激光测距机关键技术研究 在光路中，还有1 片干涉滤光片，图4 1 中3 所示它的主要作用就是滤去诸 如太阳辐射、地表对太阳光的漫反射、激光束的向后散射等背景辐射以及其它因 素造成的杂光如果不滤掉这些杂光，将会对激光测距机的正常工作造成影响 为了尽可能简化接收光路，在许多激光测距机中，探寸是很小的，因此在作系 统设计时必须使有关参数的选择至少满足回波光束能全部落到光敏面上这一要 求，否则将严重影响整机性能【1 4 1 假定激光发射器的全光束发散角为倪，小孔光阑刚好足以透过会聚后的全部 光线，由于目标足够远，接收光路所搜集的部分回散光束可看成是一束平行光束。 于是在光敏元件处光斑的直径d 为 d = 岛( 4 - 2 ) 式中，为会聚透镜的焦距 显然，如果光敏元件处光斑的直径d 大于光敏元件的光敏面，将会引起损耗。 所谓的匹配，也就是指该损耗为0 在设计时必须给予保证 在实际系统中还应考虑如下两种公差：固定光敏面的器件中心与光阑中心的 偏差以及与光敏面中心的偏差。这两种偏差将会使光敏面的尺寸相对来说减小了： 尤其是光敏面尺寸较小的探测器( 比如硅雪崩光电二极管) 作为探测元件时须满足 的、相当严格的要求。 4 2 光轴调整的基本理论1 3 1 , 3 2 1 在实际工作中，经常需要将两个或者多个设备的光轴校正到一定的程度，即 所要求的调整精度。一种常见的情况就是两个光轴之间的调整，具体调整到平行 还是重合就要看实际需要：另外种常遇到的情况就是多个光轴的情况，一般都 是以一个光轴为基准，其它的光轴都与其平行，或者都与它有相同的夹角。下面 对这两种情况结合我们的实际工作进行研究和分析为了便于说明问题，首先介 绍光轴的定义和一些基本方法。 理想光学系统的光轴是系统中各光学部件的球面曲率中心连接而成的一条直 线。如果系统的会聚光束光路中存在发射棱镜时，则展开反射棱镜后仍为一直线。 这一光轴直线定义是理想的，在实际光学系统中只能近似地存在，无法进行检验。 在实际生产中，对于物镜、目镜以及由球面所构成的元件，仍用理想定义来要求， 从生产工艺上给予保证。对于球面元件和非球面元件所组成的实际光学系统，为 便于检验，将第一个光学元件的轴上物点所发出的一束光的方向，即轴向光束的 主光线，称为系统的入射光轴，该光束经整个系统后的出射的光轴，它们之间的 夹角称为光轴夹角。如果实际的出射光轴与原理上的不一致，则认为存在光轴偏 第四章光轴平行性研究及误差测量 差图4 2 给出了系统光轴检验的框图。 1 平行光管2 检验望远镜3 被检系统4 检验望远镜视场 图4 2 系统光轴的检验 根据实际生产中的光学系统光轴定义，要检验系统光轴，首先在物方应有一 个与入射光轴平行的光束，在像方则应有一个与入射光轴平行的出射光束。前者 可以用平行光管的瞄准轴作为基准( 在多光轴的调校时亦是如此) ，后者可以用瞄准 轴与平行光管瞄准轴成一定夹角的望远镜。被检系统也可以用瞄准轴代替入射光 轴如果系统中无分划板，则可以以物镜外圆轴线作为入射光轴的基准f 因为一般 的光学系统都是轴对称或者可以等效为轴对称的系统，所以这在一般情况下都是 切实可行的k 预先调整好平行光管1 的瞄准轴与检验望远镜的瞄准轴夹角。当被检 系统3 放入之间并定位后，通过检验望远镜2 可以读出出射光轴偏差的大小和方向， 如上图中4 所示。 如果被检系统对出射光轴的偏差要求不高时，可以用定中心管测量出射光轴 相对于目镜管端面不垂直度来表示光轴偏差。定中心管实际上是一种镜框端面与 瞄准轴垂直的望远镜。 如果系统是双眼光学系统，还需要检验两系统之间的光轴平行性，检验所用 的仪器是瞄准轴相互平行的双筒望远镜( 称之为双目前置镜) 。有时还要用到三筒望 远镜，这只会在某些特殊场合用到。 4 3 测距机光轴调校方法1 3 ”5 l 我们已经了解了关于光轴的必要的基础知识。下面简述在实际中调校光轴的 方法。顺便提一下，有些地方是为了操作方便而采用的。 所谓激光测距机的光轴调校，是指借助于常规的光学仪器或某些调校方法， 激光测距机关键技术研究 将测距机的三个光学系统，即发射光学系统( 激光器加发射望远镜) 、接收光学系统 ( 接收望远镜) 和瞄准光学系统( 瞄准望远镜) 的光轴调校至同一方向上三个光轴互 相平行，调整时通常是以接收望远镜的光轴为基准这样才能使激光束准确地到 达目标，并从目标返回到接收望远镜，以达到测距的目的嘲 由于激光器的装配、调校过于复杂，且并不影响我们对激光测距机整机调校 的描述，故在此不作赘述下面仅简要说明后面的几个步骤。 图4 3 激光测距机光机部分装配工艺流程图 4 3 1 激光光束指示灯的调校 蓦三目一 图4 4 激光光束指示灯的调校示意图 1 将激光器的激光出射方向大致对准平行光管； 2 在平行光管焦面处的分划板前放置一相纸，用作记录光斑，此时平行光 管的焦距应为1 0 6 4 n m 的波长： 3 发射激光，此时会在焦面处的相纸上留下一光斑： 4 关闭激光器，在后面的分划板上记下此光斑的位置，取下相纸； 5 打孔l e d 指示灯，此灯与毛玻片、准直物镜构成平行光发射系统； 6 在焦面处加上观察目镜，此时平行光管的移动机构调至l e d 灯的波长所对 应的位置，如果看到l e d 指示灯的光线没有投射在步骤4 中光斑的位置，则调整l e d 第四章光轴平行性研究及误差测量 指示系统的整体，纛到l e d 指示灯的光线投射柱步骤4 中光斑的位置 魏辩，蘩莱激光器静发囊垂毙辕苓每孚霉巍管豹光辘平移，耋合，羹| j 霹戆窭瑗毙 斑不禚分划板的中心，如图中双点划线所示一般情况下不影响调整的精度，这 是因为平行光管物镱的像质较好 4 3 。2 按浚系统懿落校 1 打开平行光管的自带光源，在焦面前加亳玻璃片； 幺霉警孚露必罄移囊瓤耱调慧霹燹；光簿痊懿经墨，在擎缮悲警焦瑟娥熬筋参 考值，可根据黑体情况自舒调整) 自制小孔； 3 目视，将接收系统望远镜( 即上图中的3 和4 ) 的光轴岛平行光管的光轴大致 鬟会； 4 关霞实验室豹所有灯毙，挝上窗帘，联豢平行走黉发出鳃先授麓羯接浚系 统1 处的位景，调整接收系绕，使平行光管的光大致通过l 和4 的中心( 这一步 做得越细越好) ； 5 。在接浚系统戆望远镜嚣( 2 秘3 之翔潮上等激光波长瓣痘豹滤必冀； 抗将光敏元件l 的输出信号接至检流计； 7 反复调整光敏元件和接收系统的方位、俯仰以及栩澍平行光管光轴的整体 平移，调带至捡流计读数最大，这时掰以认为平舒光管约光轴秘接收系统 酶巍辘基零重台，孬爰毙敏元俘楚在院较疆憨豹镦嚣。 激光测距机关键技术研究 接收系统 一b 磊土 1 、光敏元件2 、汇聚透镜3 、负透镜4 、正透镜 其中，3 和4 组成接收望远镜 图4 5 接收系统调校示意图 4 3 3 接收光轴和瞄准望远镜的调校 圈4 6 接收光轴和瞄准望远镜的调校 1 接收系统的调校步骤完成后。锁定各个部件的位置； 2 置望远镜于支架上： 3 将望远镜对准于平行光管分划板的中心，锁定即可； 4 若平行光管口径较小，可以用斜方棱镜来完成这一工作，这样能够节约成 本，减小对厂房等的要求，操作起来也简单快捷，如图4 6 所示。 十黼斗黼 一 ， 管一啾二一惭 一 一 一 一 一 一 一 一 臆 一 蝴 第四章光轴平行性研究及误差测量 5 l -7 ， i ，7 i ， ， ， i ， 图4 7 利用小口径平行光管调校光轴方案 4 3 4 发射光轴和瞄准望远镜的调校 二兰十 一，一，一一一。一一。一 焦： 图4 8 发射光轴和瞄准望远镜的调校示意图 调校步骤如下： 1 先将激光器的激光出射方向大致对准平行光管； 2 在平行光管的焦面处放置一相纸( 此时平行光管的焦距要对应l o “姗的 波长) ； 3 发射激光，此时会在焦面处的相纸上留下一光斑； 4 通过接收系统望远镜观察光斑的位置，如果光斑不在望远镜的分划板中 心，则调整图中的光楔； 斗黼 一 激光测距机关键技术研究 5 重复步骤2 4 ，直至光斑处于望远镜的中心 4 4 光轴调校精度的理论分析口6 3 7 1 为了方便讨论，作与前面章节类似的假设：激光在大气中的传播遵守几何光 学的规律；大气是均匀的、各向同性的；目标对入射光的反射是漫反射，且反射 系数均匀；激光束是轴对称的，在远处的能量分布是均匀的；接收系统和发射系 统的光轴的平行度很高而且在足够远的目标处可以忽略三个轴之间的跨距，从而 把三个轴看成位于同一点上；接收视场足够大( 其实在几个毫弧度就可以满足要求， 光学设计上很容易实现) ；没有各种外界干扰，背景辐射等均忽略不及。这些假设 之中诸如大气均匀各向同性的假设并不总是成立，很多场合会影响我们的结果， 我们会在后续章节作进一步的探讨 首先讨论一下调校精度对回波信号强弱的影响。回波信号主要受目标和传播 媒质的影响，由于我们已经假定大气是均匀、各向同性的，再假定目标的漫反射 系数和发射光轴的夹角是一定的，所以由前面的测距方程可知，只剩下目标的大 小和运动速度有关。 先分析目标足够大且为静止的情况如果目标尺寸远远大于在该目标处激光 束光斑大小，可以用作图法定性地分析问题( 尽管是定性，却很实用) 。我们用作图 平面代表足够远处垂直测距机光路的平面( 由于发射和接收系统的夹角很小，可以 认为二者能够同时垂直该平面) ，实线圆表示接收视场大小，用虚线圆表示发射光 束的束散角，圆心表示发射，接收系统的光轴与该平面的交点，半径用其视场角表 示按发射和接收系统的夹角6 大小作下图( 这里假定接收视场和发射光束的束散 角大小相等，都等于2 m r a d ) ： 第四章光轴平行性研究及误差测量 5 l -7 ， i ，7 i ， ， ， i ， 图4 7 利用小口径平行光管调校光轴方案 4 3 4 发射光轴和瞄准望远镜的调校 二兰十 一，一，一一一。一一。一 焦： 图4 8 发射光轴和瞄准望远镜的调校示意图 调校步骤如下： 1 先将激光器的激光出射方向大致对准平行光管； 2 在平行光管的焦面处放置一相纸( 此时平行光管的焦距要对应l o “姗的 波长) ； 3 发射激光，此时会在焦面处的相纸上留下一光斑； 4 通过接收系统望远镜观察光斑的位置，如果光斑不在望远镜的分划板中 心，则调整图中的光楔； 斗黼 一 激光测距机关键技术研究 5 重复步骤2 4 ，直至光斑处于望远镜的中心 4 4 光轴调校精度的理论分析口6 3 7 1 为了方便讨论，作与前面章节类似的假设：激光在大气中的传播遵守几何光 学的规律；大气是均匀的、各向同性的；目标对入射光的反射是漫反射，且反射 系数均匀；激光束是轴对称的，在远处的能量分布是均匀的；接收系统和发射系 统的光轴的平行度很高而且在足够远的目标处可以忽略三个轴之间的跨距，从而 把三个轴看成位于同一点上；接收视场足够大( 其实在几个毫弧度就可以满足要求， 光学设计上很容易实现) ；没有各种外界干扰，背景辐射等均忽略不及。这些假设 之中诸如大气均匀各向同性的假设并不总是成立，很多场合会影响我们的结果， 我们会在后续章节作进一步的探讨 首先讨论一下调校精度对回波信号强弱的影响。回波信号主要受目标和传播 媒质的影响，由于我们已经假定大气是均匀、各向同性的，再假定目标的漫反射 系数和发射光轴的夹角是一定的，所以由前面的测距方程可知，只剩下目标的大 小和运动速度有关。 先分析目标足够大且为静止的情况如果目标尺寸远远大于在该目标处激光 束光斑大小，可以用作图法定性地分析问题( 尽管是定性，却很实用) 。我们用作图 平面代表足够远处垂直测距机光路的平面( 由于发射和接收系统的夹角很小，可以 认为二者能够同时垂直该平面) ，实线圆表示接收视场大小，用虚线圆表示发射光 束的束散角，圆心表示发射，接收系统的光轴与该平面的交点，半径用其视场角表 示按发射和接收系统的夹角6 大小作下图( 这里假定接收视场和发射光束的束散 角大小相等，都等于2 m r a d ) ： 第四章光轴平行性研究及误差测量 2 m r a d 0 2 m r a d a b 图4 9 调整误差厶与回波信号的关系 由图4 9 可知，当两光轴夹角为0 时，发射光学系统发出的能量最大程度地 被接收系统接收，此时回波最强；当夹角不为o 时，也就是光轴调校有偏差时， 接收系统接收到的能量有所减少，而且光轴偏差越大，接收到的能量越小，回波 信号也就越弱；当偏差为2 m r a d 时，接收不到能量，可能就检测不到回波。 上面假设接收视场和发射光束的束散角大小相等，实际上接收视场会稍大一 点，根据我们的实践，发现接收视场稍大会在一定程度上降低对光轴装配精度的 要求，但当偏差与发射束散角相当时回波较弱；此时再增大偏差，便很快就接收 不到回波所以，接收视场大，会在一定程度上提高设备性能，但不会非常显著。 如果目标比激光束在该目标处的光斑半径小，通过前面的测距公式知道，回 波信号会减弱，但光轴偏差对回波的影响和上面类似。 如果目标是运动的，又会引入一个跟踪误差。如果瞄准望远镜的光轴瞄准了 o o双 激光测距机关键技术研究 目标，同时跟踪系统的光轴也正好落在目标的中心( 可以认为没有跟踪误差) ，这时 也做一个圆( 方法同上，假设也是2 m r a d ) ，则瞄准、接收、跟踪系统的三个圆重合， 即上图第一行的圆所示在此状态下，发射的激光能量最大程度地被接收系统接 收而当三者的调整误差不为0 时，测距机可能有两种极限工作状态，一种极限 状态是最好的，发射光学系统和跟踪系统的光轴都与接收系统的光轴有相同的偏 差，它们都偏向一个方向而且量值也相同，这时就会同三者没有偏差时的情况一 样；另一种情况是最坏的，发射系统的光轴和跟踪系统的光轴分别与接收光学系 统的光轴具有相同的误差，但它们二者偏离的方向正好相反，这时就是相当于上 图3 9 b 列的状态另外，实际情况很复杂，且要考虑大气的干扰、目标的漫反射 系数等，这种方法无法定量，只能定性地分析 接下来分析调整精度对回波几率的影响当目标为运动的点目标时，在激光 测距机实际工作时往往可以这样近似，调整精度对于激光测距可获得的回波几率 有着决定性的影响。一般来讲，在跟踪远处目标时，跟踪系统总会有一定的跟踪 误差，也就是说远处运动的点目标总要时刻偏离跟踪望远镜的光轴。文献1 3 5 对这 个问题以及调整精度与跟踪系统最大允许跟踪误差的关系半径有着精彩的描述， 该文献对于激光测距机的调整精度要求也作了描述，这里不再赘述。 4 5 测距机装配的误差测量f 2 蚴l 根据大量的工程实践，我们总结了误差分析方法，下面先分析每一步的调整 误差，然后再给出测距机光轴的总误差 。 4 5 1 激光光束指示灯的调校误差测量 根据前面的操作步骤，我们知道误差的主要来源为第4 步：即，“4 、关闭激光 器，在后面的分划板上记下此光斑的位置。取下相纸”和第6 步：、在焦面处加上 观察目镜，此时平行光管的移动机构调至l e d 灯的波长所对应的位置，如果看到 l e d 指示灯的光线没有投射在步骤4 中光斑的位置，则调整l e d 指示系统的整体， 直到l e d 指示灯的光线投射在步骤4 中光斑的位置” 在第4 步中，记录光斑位置时，与操作人员的操作水平有很大关系。为了减小 这个误差，我们采取关闭实验室内所有灯光，拉上窗帘，在平行光管物镜处加适 度强光照明，然后操作人员正视分划板，用较细的记号笔准确地描下部分特征点( 比 如，正上方、正下方、最左端、最右端的点) ，然后描出这个光斑的轮廓曲线。若 再要求精确一些，可以找出光斑的中心，准确地描出该点，然后在该点处画出一 十字标记根据我们的经验，这一步引入的误差大约为0 2 m m 。 第四章光轴平行性研究及误差测量 在第6 步中，我们在实践中用的观察目镜是8 目镜。调整l e d 指示系统的整体 过程中，观察灯与光斑标记中心的重合程度如果是单纯的十字( l e d 指示系统的 十字丝) 压十字( 之前做的光斑的过光斑中心的十字) ，误差将达到2 ”以内；考虑到 l e d 指示系统的十字丝和光斑的过光斑中心的十字丝都有一定的宽度，这在一定 程度上都会引入误差由于观察目镜的焦距b 乏两十字丝因宽度引起的误差大 约为2 ”加上上面的对准误差，总的误差在4 4 以内 另外，操作步骤中有平行光管移动机构的移动，从理论上讲这可能带来一定 的误差，但实际上由于移动量为平行光管物镜的焦距对应于两波长的差值，由于 该差值非常小且平行光管移动机构的导轨非常好，这一误差可以忽略不计。 4 5 2 接收系统的调校误差测量 根据前面对操作步骤的描述，这一步的误差可能受以下几个方面的影响：一 是光强的影响；二是平行光管物镜制造误差的影响；三是检流计灵敏度的影响； 四是雪崩光电二极管( a p d ) 灵敏度的影响。 首先考虑第1 个因素，光强的影响。根据我们反复的实践，已经获得了足够 的经验，对这一套设备来说，加上母5 小孔，可以很好的满足实验的要求，因而光 强的影响可以不予考虑。 我们采用的是湖北华中光学仪器厂的一米三平行光管。该厂是我国著名的光 学仪器厂家，而且根据g j b j3 3 5 7 - 9 8 和j b t7 3 9 9 - 9 4 ，该平行光管物镜的有效孔 径范围内的波像差不大于四分之一波长，“平行光管物镜o 8 有效孔径范围内波像 差不大予十分之一波长”，我们认为平行光管物镜的制造误差也可以忽略不计。 检流计我们采用的是上海电表厂a c l 5 2 的直流复射式检流计，该检流计的灵 敏度为1 5 1 0 9 a 我们读数误差应该在0 1 最小分划值左右，所以其灵敏度的误 差为1 5 x 1 0 l o a ，而我们一般情况下读数都在5 5 最小分化之左右，故这一项引起 的误差为0 2 ，对应的电流为0 3 x 1 0 n a ，该项也可以忽略不计 筮蔓是雪崩光电二极管( a p d ) 的灵敏度影响。由于雪崩光电二极管前面有小孔 ( 小孔的装配精度由机械加工来保证，在0 0 1 m m 以内) ，若光路没有严格对准，或 者雪崩管中心处的法线不与前面的光轴平行，或者虽然二者平行但是不重合，这 些都会引起检流计读数的变化由于雪崩光电二极管是利用二极管在高的反向偏 压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。这种器件有电流内增益，一般硅或 锗雪崩光电二极管电流内增益可达1 0 0 1 0 0 0 ，该器件的灵敏度高，响应速度快， 在超高频的调制光照射下仍有很显著的增益【2 5 l 。我们选用的r c a 公司的c 3 0 9 5 0 e 雪崩光电二极管，这种型号的二极管是该公司对其先前产品c 3 0 1 8 1 8 e 改进型的新 探测器。主要改进是将r l 由2 2 k q 改为1 2 k q ，并用n p n 和p n p 管对取代场效管 激光测距机关键技术研究 n p n 管对这更有利于中和输入电容，使达到1 0 n s 左右由于这些不能量化， 根据大量实践，这一步雪崩管的调校误差为5 一 4 5 3 接收光轴和瞄准望远镜的调校误差测量 该步骤是在上一节的基础之上完成的，因此可以认为接收光轴不引入误差 而主要的误差来源于望远镜的对准和调焦误差。 先研究望远镜的对准误差。设人眼直接对准的对准误差为万，望远镜的放大 率为r ，通过望远镜观察时物方的对准误差设为，则有如下关系 其中，r 为望远镜的放大率， 正为物镜的焦距， z 为目镜的焦距。 ：6 = f ：￥ 艿 ，2 f ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 1 f ， 一1 图4 1 0 望远镜的对准误差示意图 清晰度法：将人眼的两部分调焦误差，分别换算到望远镜物方，即可求出望 远镜用清晰度法调焦的误差 设在望远镜像方的调焦误差为m ( 肼。1 ) 时，对应于物方为似m 。) 。应用牛顿公 式x 一= 厂，。，不难求出 m ；罟 件3 ) 望远镜的清晰度法调焦极限误差为 矿= 、f i 嗣a e2 t 8 a 尹2 ( 坍。1 ) ( 4 棚 墼 第四章光轴平行性研究及误差测量 消视差法：人眼通过望远镜调焦时，眼睛在出瞳面上摆动最大距离将受到出瞳直 i l i l + - l ii 1 ) 图4 1l消视差法误差测量示意图 径的限制。因为在视网膜上像的位置由进入眼瞳的成像光束的中心线与视网膜的 交点决定，因此眼瞳的有效移动距离b 不等于跟瞳的实际移动距离t ，而等于出瞳 中心到进入眼瞳的光束中心的距离，如图4 11 ( a ) 所示。 图中阴影线部分表示进入眼瞳的光束截面积不难看出，b 越大进入眼睛的光 束越细，像越暗，眼睛的对准准确度将越降低。一般规定，当d e = 2 m m 左右时( 这 时视场亮度约为2 x 1 0 4 c d m 2 ) ，计算调焦误差的眼睛最大移动距离是眼瞳中心移至 出瞳边缘处，这时，如图4 1 1 所示， b ：旦一丝( 4 5 ) 22 望远镜的清晰度法调焦极限误差为 矿= 雨而豢：丽矿( m - i ) ( 4 - 6 ) 试验中，选用5 6 1 8 厂的1 9 5 7 式炮瞄雷达天线望远镜，倍率为8 。为了尽可 能减小误差，在实际检测时采用清晰度法和消视差法相结合的方法进行调焦。根 据上面的公式，我们得出调焦误差为1 0 ” 激光测距机关键技术研究 4 5 4 发射光轴和瞄准望远镜的调校误差测量 从操作步骤可以看出，这一步的误差来源、大小和第一步、第三步的有相似之 处。具体调焦方法和误差分析与以上类似，这里不再赘述调焦误差为1 4 ”左右 综上所述，我们可以得