可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置制造方法
【專利摘要】本專利公開了一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置。裝置包含二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺，俯仰軸工作平面，激光器，音圈電機(jī)快速指向鏡，漫反射屏等。安放于二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺的俯仰軸工作平面上的激光器發(fā)出激光光束，經(jīng)由快速指向鏡發(fā)射后打在漫反射屏，形成激光光斑，作為待測設(shè)備的跟蹤靶標(biāo)。通過二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺的大范圍運動模擬靶標(biāo)的相對運動，通過音圈電機(jī)快速指向鏡的高頻小角度偏轉(zhuǎn)模擬光軸受到的微振動干擾。利用裝置對待測設(shè)備的跟蹤范圍、跟蹤速度和跟蹤精度等指標(biāo)進(jìn)行測試。本專利為光電跟蹤系統(tǒng)提供了大范圍、機(jī)動性強(qiáng)的動態(tài)跟蹤靶標(biāo)，同時可模擬光軸的微振動干擾，且測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建和攜帶，可在不同場合下靈活使用。
【專利說明】可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本專利涉及光電設(shè)備的檢測技術(shù)，具體涉及一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置，可用于空間激光通信等系統(tǒng)中的光電跟蹤終端的性能檢測。

【背景技術(shù)】
:
[0002]光電跟蹤設(shè)備廣泛用于非合作目標(biāo)跟蹤、合作目標(biāo)的雙向通信等場景，其跟蹤性能是系統(tǒng)的重要指標(biāo)。以空間平臺下的用于空地光通信的光電跟蹤終端為例，其面臨平臺微振動等復(fù)雜環(huán)境，同時又要保證很高的跟蹤精度，因此有必要在地面對其性能進(jìn)行充分的檢測。
[0003]對光電跟蹤設(shè)備進(jìn)行性能檢測的關(guān)鍵在于提供合適的動態(tài)靶標(biāo)和模擬真實的工作環(huán)境。一般認(rèn)為動態(tài)靶標(biāo)分為跟蹤靶標(biāo)和測量靶標(biāo)，前者僅模擬動態(tài)空間目標(biāo)，后者還可以精確測定任意時刻靶標(biāo)的空間角度，用來標(biāo)定待測設(shè)備的測量精度。對工作環(huán)境的模擬主要包括對終端所處的平臺運動狀態(tài)、熱環(huán)境、大氣湍流、激光的遠(yuǎn)距離傳輸和遠(yuǎn)場分布等因素的模擬。
[0004]目前最常見的光電跟蹤性能檢測方法有兩種，一是旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)法，二是利用平行光管加光束偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)祀標(biāo)法由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動平行光管轉(zhuǎn)動，通過反射鏡形成旋轉(zhuǎn)光錐，被測設(shè)備位于光錐頂點。這種方法應(yīng)用廣泛，可提供跟蹤和測量靶標(biāo)，但其結(jié)構(gòu)龐大，控制復(fù)雜，且運動軌跡單一。第二種方法利用平行光管產(chǎn)生平行光，在光路中間加入雙棱鏡等光束偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使得光束發(fā)生偏折，產(chǎn)生二維運動軌跡。此方法常用來模擬激光的遠(yuǎn)場分布，檢測系統(tǒng)的光學(xué)性能，但其運動軌跡范圍較小，機(jī)動性差，對跟蹤性能的檢測不夠充分。
[0005]另外一種與本專利較為接近的方法是利用激光光束在幕墻上的反射作為動態(tài)靶標(biāo)。(參見張波，檢測光電跟蹤測量設(shè)備的激光模擬空間目標(biāo)[J].光電子?激光，2003，14(3) =324-326.)這種方法利用激光的準(zhǔn)直特性，直接將激光器產(chǎn)生的激光光束打在幕墻上，模擬空間目標(biāo)。激光器安裝于兩軸轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺按編程規(guī)律運動，形成空間目標(biāo)軌跡。待測設(shè)備跟蹤靶標(biāo)后，根據(jù)空間位置關(guān)系來計算其跟蹤指向精度。由于不考慮光束的遠(yuǎn)場分布，該方法未使用平行光管，因而結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，且目標(biāo)軌跡的動態(tài)范圍大，機(jī)動性強(qiáng)。但此方法存在以下兩個問題:
[0006]第一，無法對光電跟蹤設(shè)備所處平臺的微振動干擾進(jìn)行模擬。以星載跟蹤終端為例，衛(wèi)星平臺的動量輪運動造成的微振動會對跟蹤精度造成一定影響，有必要對其進(jìn)行相應(yīng)的模擬和檢測。
[0007]第二，該方法針對的對象是光電跟蹤測量設(shè)備，因此它將檢測系統(tǒng)作為測量靶標(biāo)，即利用激光器轉(zhuǎn)臺的測角值和設(shè)備的空間位置關(guān)系來計算空間目標(biāo)的位置真值，以待測設(shè)備跟蹤時的自身角度作為測量值，從而對待測設(shè)備的指向精度進(jìn)行檢測。此方法依賴于對空間位置的精確測量與標(biāo)定，以及檢測設(shè)備和被測設(shè)備之間的準(zhǔn)確的時間同步，并且要求檢測設(shè)備的測角精度高于被測設(shè)備。這使得測試系統(tǒng)難于搭建和標(biāo)定，當(dāng)待測光電跟蹤設(shè)備的自身精度較高時無法采用該檢測方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0008]本專利的目的是提出一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置，它在提供大范圍、機(jī)動性強(qiáng)的動態(tài)跟蹤靶標(biāo)的同時，同時能夠模擬平臺的微振動干擾，解決了對光電跟蹤設(shè)備進(jìn)行動態(tài)跟蹤性能檢測的問題。
[0009]本專利的裝置構(gòu)成如附圖1所示，包括:二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺1，靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器2，靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)3，俯仰軸工作平面4，激光器5，激光器電源6，音圈電機(jī)快速指向鏡7，音圈電機(jī)驅(qū)動控制器8，漫反射屏9，待測光電跟蹤設(shè)備10。
[0010]其中:二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I為雙U型架結(jié)構(gòu)，分別在方位和俯仰兩個維度轉(zhuǎn)動，俯仰軸工作平面4的表面具有孔距25mm的M6螺紋孔陣列；俯仰軸工作平面4上安放激光器5，激光器5的出射光軸與俯仰軸軸線平行；音圈電機(jī)快速指向鏡7固定安放在俯仰軸工作平面4的中心，其基準(zhǔn)法線方向與激光器出射光軸呈45°夾角，激光光束經(jīng)其反射后沿著垂直于俯仰軸軸線的方向出射；在音圈電機(jī)驅(qū)動控制器8的作用下，音圈電機(jī)快速指向鏡7在基準(zhǔn)方向的基礎(chǔ)上產(chǎn)生高頻小角度的二維偏轉(zhuǎn)，使得激光束在原有方向上發(fā)生微小偏折；激光束由快速指向鏡反射后打在漫反射屏9上，形成靶標(biāo)光斑；二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I和待測光電跟蹤設(shè)備10的中心位置保持同一水平高度，且二者連線與漫反射屏9所在平面平行。
[0011]工作時，二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I帶動俯仰軸工作平面4及上面安放的激光器5和音圈電機(jī)快速指向鏡7在方位軸和俯仰軸方向進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)動，使得漫反射屏9上的靶標(biāo)光斑產(chǎn)生大范圍運動，模擬動態(tài)靶標(biāo)與待測光電跟蹤設(shè)備10之間的相對運動；在此基礎(chǔ)上，音圈電機(jī)快速指向鏡7進(jìn)行高頻小角度二維偏轉(zhuǎn)，改變激光束出射方向，使得漫反射屏9上的靶標(biāo)光斑產(chǎn)生小范圍抖動，模擬待測光電跟蹤設(shè)備10的光軸所受到的微振動干擾。
[0012]結(jié)合上述裝置，本專利的檢測方法如下:
[0013]I)跟蹤范圍測試，具體步驟為:
[0014]1.1令待測光電跟蹤設(shè)備10捕獲漫反射屏9上的激光光斑；
[0015]1.2 二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I帶動激光光斑在方位軸或者俯仰軸方向做低速單向運動，待測光電跟蹤設(shè)備10跟蹤激光光斑；
[0016]1.3當(dāng)待測光電跟蹤設(shè)備10的運動機(jī)構(gòu)達(dá)到邊界而丟失激光光斑時的角度測量值即為該方向上的跟蹤范圍極限值；
[0017]2)最大瞬時捕獲角速度測試，具體步驟為:
[0018]2.1令待測光電跟蹤設(shè)備10處于掃描或凝視捕獲狀態(tài)；
[0019]2.2 二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I帶動激光光斑從一側(cè)進(jìn)入待測光電跟蹤設(shè)備10的掃描或凝視范圍，觀察其是否能瞬間捕獲并跟蹤；
[0020]2.3逐漸增大激光光斑運行的角速度，當(dāng)待測光電跟蹤設(shè)備10無法瞬間捕獲光斑時的角速度測量值即為該方向上的瞬時捕獲角速度極限值；
[0021]3)最大跟蹤角速度測試，具體步驟為:
[0022]3.1令待測光電跟蹤設(shè)備10捕獲漫反射屏9上的激光光斑；
[0023]3.2 二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I帶動激光光斑在方位軸或者俯仰軸方向做單向運動，待測光電跟蹤設(shè)備10跟蹤激光光斑；
[0024]3.3逐漸增大光斑運行的角速度，當(dāng)待測光電跟蹤設(shè)備10丟失光斑時的角速度測量值即為該方向上的跟蹤角速度極限值；
[0025]4)跟蹤帶寬測試，具體步驟為:
[0026]4.1令待測光電跟蹤設(shè)備10捕獲漫反射屏9上的激光光斑；
[0027]4.2 二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I帶動激光光斑按照一定頻率和振幅的正弦曲線運動，待測光電跟蹤設(shè)備10跟蹤激光光斑；
[0028]4.3逐漸增大正弦曲線的頻率，當(dāng)待測光電跟蹤設(shè)備10丟失光斑時的正弦曲線頻率值即為其跟蹤帶寬指標(biāo)；
[0029]5)微振動干擾測試，具體步驟為:
[0030]5.1令二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I處于零位位置，并保持靜止；
[0031]5.2開啟音圈電機(jī)快速指向鏡7，令其產(chǎn)生特定頻率和幅度的小角度偏轉(zhuǎn)，使光軸出射方向發(fā)生抖動，并令待測光電跟蹤設(shè)備10跟蹤激光光斑；
[0032]5.3記錄待測光電跟蹤設(shè)備10的跟蹤探測器脫靶量，計算跟蹤誤差，改變音圈電機(jī)快速指向鏡7的工作頻率，通過掃頻方式得到跟蹤誤差與干擾頻率的關(guān)系；
[0033]5.4當(dāng)跟蹤誤差的幅度與擾動幅度相等時，此時的擾動頻率為待測光電跟蹤設(shè)備10的干擾抑制帶寬；
[0034]6)跟蹤精度測試，具體步驟為:
[0035]6.1令待測光電跟蹤設(shè)備10捕獲漫反射屏9上的激光光斑；
[0036]6.2 二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺I帶動激光光斑按照特定軌跡運動，待測光電跟蹤設(shè)備10跟蹤激光光斑，并依據(jù)跟蹤探測器的脫靶量指標(biāo)來計算待測光電跟蹤設(shè)備10的跟蹤精度，測試特定的相對運動對跟蹤精度的影響；
[0037]6.3在上述基礎(chǔ)上令音圈電機(jī)快速指向鏡7產(chǎn)生符合特定振動功率譜的微振動干擾，依據(jù)跟蹤探測器的脫靶量指標(biāo)來計算待測光電跟蹤設(shè)備10的跟蹤精度，測試特定功率譜下的微振動對跟蹤精度的影響。
[0038]本專利有如下有益效果:
[0039]采用漫反射屏上的激光光斑作為動態(tài)跟蹤靶標(biāo)，利用二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生大范圍、機(jī)動性強(qiáng)的運動軌跡，同時利用音圈電機(jī)快速指向鏡使光束產(chǎn)生高頻小角度抖動，不僅可以模擬靶標(biāo)與待測設(shè)備的相對運動，還可模擬光軸的微振動干擾，充分測試了光電跟蹤設(shè)備的跟蹤范圍、跟蹤帶寬、跟蹤精度等指標(biāo)。由于僅將動態(tài)目標(biāo)作為跟蹤靶標(biāo)，無需對測試系統(tǒng)的位置標(biāo)定、時間同步和測量精度提出較高要求，從而使得測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建和攜帶，可在不同場合下靈活使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0040]圖1是本專利的檢測裝置構(gòu)成示意圖；圖中:1.二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺；2.靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器；3.靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺控制算機(jī)；4.俯仰軸工作平面；5.激光器；6.激光器電源；7.音圈電機(jī)快速指向鏡；8.音圈電機(jī)驅(qū)動控制器；9.漫反射屏；10.待測光電跟蹤設(shè)備。

【具體實施方式】
:
[0041]下面結(jié)合附圖對本專利的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0042]以某星地光通信的星載跟瞄終端作為待測設(shè)備，其采用復(fù)合軸跟蹤結(jié)構(gòu):使用二維轉(zhuǎn)臺作為大范圍轉(zhuǎn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與大視場CMOS探測器構(gòu)成粗跟蹤系統(tǒng)，用于目標(biāo)光的初始捕獲和大范圍跟蹤指向；粗跟蹤系統(tǒng)通過望遠(yuǎn)鏡將光束引入后光路，由壓電陶瓷二維偏轉(zhuǎn)鏡和小視場CMOS探測器構(gòu)成精跟蹤系統(tǒng)，用于光束的高精度跟瞄和高頻擾動抑制。
[0043]二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺采用雙U型架結(jié)構(gòu)，其中俯仰軸U型架作為工作面來固定激光器等部件。方位軸和俯仰軸均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，并使用Renishaw圓光柵作為測角傳感器進(jìn)行位置閉環(huán)，達(dá)到角秒量級的控制精度。方位軸可在360°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，俯仰軸的轉(zhuǎn)動范圍為±90°，均大于待測設(shè)備的跟蹤范圍指標(biāo)。另外通過選型和設(shè)計保證其最大轉(zhuǎn)動角速度也大于待測設(shè)備的最大跟蹤角速度。激光器采用671nm紅光激光器，功率為10mW,發(fā)散角為lmrad。音圈電機(jī)快速指向鏡及其控制驅(qū)動器采用Newport公司的FSM系列產(chǎn)品,其偏轉(zhuǎn)范圍為正負(fù)1.5°，閉環(huán)帶寬可達(dá)800Hz，分辨率在urad量級，可以有效模擬衛(wèi)星平臺的微振動干擾。
[0044]漫反射屏利用實驗室的平整白色墻壁，高度3m，寬度6m，與待測設(shè)備的距離為3m，可測試的方位軸角度范圍為90°，俯仰軸角度范圍為53度。
[0045]檢測時應(yīng)首先搭建測試系統(tǒng)，對各設(shè)備的位置進(jìn)行測量標(biāo)定，并對靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行編程，生成所需要的測試曲線。檢測在實驗室內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)確保沒有明顯的振動干擾源，另外激光器開啟時應(yīng)處于暗室環(huán)境，以防止雜光干擾。
[0046]按照專利所述方法的步驟對星載跟瞄終端的跟蹤性能進(jìn)行檢測。其中跟蹤范圍測試針對粗跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動范圍進(jìn)行檢測；最大瞬時捕獲角速度測試和最大跟蹤角速度測試主要檢測粗跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)的捕獲跟蹤能力；跟蹤帶寬測試反映了待測設(shè)備對大幅度低頻率干擾的承受能力，主要取決于粗跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)性能；跟蹤精度測試可反映粗跟蹤系統(tǒng)和整個設(shè)備的跟蹤性能，其結(jié)果直接影響了終端的光通信性能；微振動干擾模擬測試則考察了衛(wèi)星平臺的高頻微振動對跟蹤精度的影響，主要反映了精跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)性倉泛。
[0047]對待測設(shè)備進(jìn)行全面檢測后，可以根據(jù)檢測結(jié)果判斷設(shè)備的跟蹤性能是否滿足指標(biāo)要求；并可以依據(jù)其在模擬衛(wèi)星微振動干擾下的工作性能，對系統(tǒng)設(shè)計、控制算法進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。
【權(quán)利要求】
1.一種可便攜的光電跟蹤性能檢測裝置，它包括:二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺(I)，靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器(2)，靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)(3)，俯仰軸工作平面(4)，激光器(5)，激光器電源￠)，音圈電機(jī)快速指向鏡(7)，音圈電機(jī)驅(qū)動控制器(8)，漫反射屏(9)，待測光電跟蹤設(shè)備(10)，其特征在于:所述的二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺(I)為雙U型架結(jié)構(gòu)，分別在方位和俯仰兩個維度轉(zhuǎn)動，俯仰軸工作平面(4)的表面具有孔距25mm的M6螺紋孔陣列；俯仰軸工作平面(4)上安放激光器(5)，激光器(5)的出射光軸與俯仰軸軸線平行；音圈電機(jī)快速指向鏡(7)固定安放在俯仰軸工作平面(4)的中心，其基準(zhǔn)法線方向與激光器出射光軸呈45°夾角，激光光束經(jīng)其反射后沿著垂直于俯仰軸軸線的方向出射；在音圈電機(jī)驅(qū)動控制器(8)的作用下，音圈電機(jī)快速指向鏡(7)在基準(zhǔn)方向的基礎(chǔ)上產(chǎn)生高頻小角度的二維偏轉(zhuǎn)，使得激光束在原有方向上發(fā)生微小偏折；激光束由快速指向鏡反射后打在漫反射屏(9)上，形成靶標(biāo)光斑；二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺(I)和待測光電跟蹤設(shè)備(10)的中心位置保持同一水平高度，且二者連線與漫反射屏(9)所在平面平行； 二維靶標(biāo)轉(zhuǎn)臺(I)帶動俯仰軸工作平面(4)及上面安放的激光器(5)和音圈電機(jī)快速指向鏡(7)在方位軸和俯仰軸方向進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)動，使得漫反射屏(9)上的靶標(biāo)光斑產(chǎn)生大范圍運動，模擬動態(tài)靶標(biāo)與待測光電跟蹤設(shè)備(10)之間的相對運動；在此基礎(chǔ)上，音圈電機(jī)快速指向鏡(7)進(jìn)行高頻小角度二維偏轉(zhuǎn)，改變激光束出射方向，使得漫反射屏(9)上的革巴標(biāo)光斑產(chǎn)生小范圍抖動，模擬待測光電跟蹤設(shè)備(10)的光軸所受到的微振動干擾。
【文檔編號】G01M11/00GK203965127SQ201420310506
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】賈建軍, 白帥, 石小麗, 王娟娟, 楊明冬, 秦文 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所