光电自准直系统的建模方法研究

针对现有自准直模型包含系统信息量有限的不足,提出了一种基于厚透镜对光线变换的建模方法.以应用光学中厚透镜对光线变换的理论为基础,结合矢量运算和坐标系旋转方法建立了光电自准直系统数学模型.通过数值仿真,对模型中包含的平面镜的转角、透镜的厚度、焦距及表面曲率半径、光源和探测器位置等系统主要参数对光电自准直系统的成像影响进行了分析,并通过对像点几何中心的提取,分析了透镜成像畸变对光电自准直系统测量精度的影响.文章建立的模型,为系统参数的提取和优化、分析像点轨迹变化的影响因素以及自准直测量误差的分析和补偿提供了理论支持.     

激光自准直测角系统安装误差分析

分析激光自准直测角系统的安装误差,得出误差主要来源:光学系统和PSD的倾斜安装.针对光学系统的倾斜安装,建立畸变误差模型并仿真分析,得出结论:光学系统光轴平行于转轴时,像点坐标不因平面镜旋转角度的不同而存在误差,变化的仅是折射光线与光轴的夹角;光轴与转轴相交时,像点坐标随光轴与转轴的夹角、焦距和平面镜初始位置法线与转轴夹角的变化而产生较大的畸变误差.建立的误差模型及仿真结果为提高激光自准直测量精度提供了一个有效的理论指导,具有一定的工程实际应用价值.     

光学连续闭环光电编码器误差检测系统

为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″（k=2）,系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。     

转轴转角定位误差测量方法与误差分析

提出了一种基于光纤激光自准直转轴转角定位误差测量的方法,建立了包含转轴运动误差以及安装误差的误差模型,仿真分析了23项误差对转角定位误差测量的影响,结果表明仅有参考转轴与待测转轴之间的4项安装误差的影响量与转轴旋转角度相关,且只需精细调整其中两项角度安装误差即可保证影响量小于0.2。利用所搭建的测量装置对某分度盘的转角定位误差进行了测量,三次测量重复性偏差约为0.9,与光电自准直仪对比的最大偏差约为0.6。结果表明:利用该测量方法和测量装置可以实现转轴转角定位误差的全周范围高精度测量,验证了所提出模型的有效性。     

空间相机系统自准直传函测试方法及应用

调制传递函数（传函）测试是空间相机研制过程的重要环节,常规传函测试需要用到平行光管。自准直传函测试方法是一种不依赖于平行光管的系统传函测试方案。首先介绍了自准直传函测试系统的原理和搭建方案。其次对比了平行光管测试的过焦曲线和自准直传函测试的过焦曲线,发现该系统对焦面离焦敏感程度不亚于平行光管,得到该系统可以用于判定焦面位置正确性的结论。再次分析了自准直靶标条纹经过平面镜反射后偏转的现象,该现象将引入测试误差。给出了偏转角的数值计算公式和条纹偏转对传函值影响的计算公式。针对离轴系统对偏转角敏感的问题,给出自准直靶标的设计方法。利用该方法可以将靶标条纹偏转造成的传函测试误差降至可以忽略的量级。然后讨论了采用自准直传函测试方案时相机探测器与测试靶标的拼接,分析了探测器滤光片对焦面位置的影响,提出了探测器与靶标共焦面的设计及拼接方案。最后总结了该测试方法在某型号相机的实际应用,为自准直传函测试方法在后续系统的应用打下基础。     

自准直仪的现状与发展趋势

介绍了自准直仪测量原理、国内外光电自准直仪技术发展现状、以及国内外几种有代表性的光电自准直仪的情况,并对光电自准直仪今后的发展做出展望.     

五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。     

基于莫尔条纹的自准直测角方法研究

提出了一种基于莫尔条纹的自准直测角方法.该方法将成像式光栅方法、基于莫尔条纹的扭转测量技术、自准直测角技术相结合,利用标尺光栅像和指示光栅形成的光栅副夹角变化所引起的莫尔条纹宽度变化来反映平台棱镜的角度变化,建立了平台棱镜旋转角度、光栅栅线夹角及莫尔条纹宽度之间的关系式.有别于传统莫尔条纹的计数处理,通过图像处理获得了莫尔条纹宽度信息.实验结果表明,该系统接收到的莫尔条纹对比度清晰,满足莫尔条纹图像处理的要求,在±7′范围内,与0.2″自准直仪的比对误差在0.2″以内.     

脉宽调制技术在CCD光电自准直仪中的应用

为了解决室外环境变化(如温度、雨雪、烟雾及沙尘等)对CCD光电自准直仪测量工作的影响,介绍了一种与CCD曝光时间同步的自动反馈脉宽调制(PWM)数字调控照明光源光强的方法,使光电自准直仪在环境条件变化和整个测角量程范围内,都可获得较高信噪比,保证了系统的测量精度.实验结果表明:环境温度在-40～60℃之间变化时,光电自准直仪在±3 600"全量程范围内具有良好的线性度,分辨率0.2",测量精度±3".表明这一技术有效克服了环境因素对测量稳定性的影响,扩大了CCD光电自准直仪的动态范围,并具有简易可控的优点.     

光电编码器与棱体轴线平行度对转角误差的影响

光电轴角编码器轴线与棱体轴线不平行会降低转角误差测试结果的置信度,为了减小光电轴角编码器转角测试误差,将由光电轴角编码器轴线与棱体轴线不平行引入的转角测试误差控制在光电轴角编码器转角误差的1/3~1/5以内,建立了由光电轴角编码器轴线和棱体轴线平行度引入的转角测试误差数学模型及Y向偏置数学模型。由仿真结果可知,光电轴角编码器转角测试误差和Y向偏置随转角的增大呈现周期性变化,周期分别为和2,棱体轴线倾斜方向相同时,两轴线夹角越大,转角测试误差峰值和Y向偏置峰值越大,两轴线夹角相同时,棱体轴线倾斜方向大小只会改变转角测试误差曲线和Y向偏置曲线相位,不会改变曲线形状。根据多面棱体-自准直仪法对建立的数学模型进行了实验验证。实验结果表明:测试结果与数学模型具很好的自洽性。在实际测试中,对转角误差进行预先测试,绘制偏置曲线并对曲线进行最小二乘法拟合,求取平行度与倾斜方向,根据倾斜方向调整两轴线平行度大小,直到误差峰值满足测试要求。     

高精度长焦距测量系统反射镜安装误差分析

大口径长焦距测量系统中,为了缩小测量系统的尺寸,加入两块反射镜形成折返光路。折返光路中两块反射镜的安装误差是影响测量结果的重要因素。将条纹理解成条纹成像面上的点光源阵列,通过这一思路分析了反射镜偏转角度对最终检测结果的影响。研究了反射镜偏转角度与反射镜单位法向量的计算公式,结合反射定律的矩阵形式,求出入射光矢量到出射光矢量的变换矩阵。基于反射镜的单位法向量、出射光的方向向量,利用解析几何得到理想接收屏上条纹所在直线的方程,求出接收屏上测得的条纹的角度。计算了两块反射镜小角度旋转的49种组合情况下,莫尔条纹角度的偏差结果。使用自准直仪分光路的方法调整反射镜,将反射镜安装误差控制在1以内,莫尔条纹角度的偏差在10-4数量级。通过实验验证莫尔条纹的测量精度实际达到0.005,充分说明了反射镜的调整效果。     

一种精密光学系统自动准直的方法和分析

基于外差干涉仪原理描述了用于精密空间光学自动准直的的方法，分析了利用这种方法进行光学测量的系统误差。结果表明，只要较好地控制倾斜误差或照明光源的质量，系统误差就可以消除。     

Large-scale spatial angle measurement and the pointing error analysis

A large-scale spatial angle measurement method is proposed based on inertial reference. Common measurement reference is established in inertial space, and the spatial vector coordinates of each measured axis in inertial space are measured by using autocollimation tracking and inertial measurement technology. According to the spatial coordinates of each test vector axis, the measurement of large-scale spatial angle is easily realized. The pointing error of tracking device based on the two mirrors in the measurement system is studied, and the influence of different installation errors to the pointing error is analyzed. This research can lay a foundation for error allocation, calibration and compensation for the measurement system.     

大口径细光束自准直测量系统误差的实验研究

目前的商用自准直仪并不满足纳米光学测量仪(NOM)利用细光束进行测量的要求,大口径细光束模式下的自准直测量系统存在各种误差。为了满足自准直测量系统的高精度要求,根据自准直测量原理,对大口径细光束自准直测量系统中CCD阵面与f-theta透镜焦平面不重合引入的误差进行了归纳分析,并通过相关实验对误差的线性关系进行了验证,结果证明理论计算与实验结果具有良好的一致性。     

激光经纬仪精确交会的实现方法研究

由于受经纬仪空间角 度分辨率的限制,随着测量空间、尺寸的增大,很难保证经纬仪“视准轴”精确瞄准目标点 ,从而会带来较大测量误差。为 了减小误差,基于激光经纬仪“视准轴”可视化条件,提出了一种激光经纬仪精确交会的实 现方法。首先,引导经纬仪围 绕目标点以最小步进角为间隔进行阵列扫描,通过图像采集和图像处理得到扫描点和目标点 的坐标位置关系;然后,通 过直线拟合、坐标计算,使经纬仪“视准轴”精确瞄准目标点;最后,实验验证了方法的可 行性。实验结果表明,本文方法 能够实现激光经纬仪的精确交会,可大幅减小系统的测量误差,同时可降低经纬仪的制造成 本。     

红外搜索跟踪系统中调制盘对光学系统的像质要求及其安装公差的研究

从对红外搜索跟踪系统中所用的圆柱形扫描的调制盘在光学系统中的作用着手,分析了调制盘对光学系统的像质要求,计算了不同脉冲数相应的视场弥散圆直径,结合点扩展函数分析计算了盲区范围和各个视场中集中84%辐射能弥散圆的直径。从而预示出调制盘透光辐条和目标像弥散圆的匹配情况。最后提出确定调制盘安装在光学系统最佳红外像面的偏心误差的原理和具体数值。     

调幅式红外导引头干扰机理

基于调制盘的红外制导导弹严重威胁战机的生存,需要开展机载红外对抗技术研究以保护战机的自身安全。以旭日升型调幅式调制盘为例,介绍了调制盘的工作原理,分析了中波红外激光干扰调制盘的机理,使用MATLAB 模拟了不同幅度、频率、相位的调制脉冲信号对调制盘系统的干扰情况。结果表明:干扰光强度与目标辐射强度之比从1 提高到10 时,方位角误差由3.6变为14.4,失调角误差由2.4变为10.8。当干扰信号角频率与调制盘载波频率接近时,方位角误差变为151.2,失调角误差变为28.4。单纯增加干扰光的强度对实现干扰贡献不大,会增加调制盘系统接收信号的强度,易暴露目标。幅值缓变的干扰信号虽然能使调制盘导引头的接收信号出现偏差,但不会让目标完全摆脱导弹跟踪,而角频率接近载波频率的干扰信号会使导引头接收不到准确信号,最终实现干扰。     

结构光场光束直线跟踪的两步标定方法

为了实现结构光系统的三维重建,针对传统标定方 法结构复杂、标定过程繁琐等问题,提出一种基于光束直线跟踪 的两步标定方法。本文方法首先在前后两个平面上分别对投射侧模式上的每个检测点进行 标定,建立投射侧光线方程;然后在 前后两个平面上分别对平面上的每个目标点建立接收侧CCD的光线方程。在三维测量时,光 场中的一个点分别映射为投射 侧和接收侧前后平面上的两个点,连接前后平面上的两个点各得到一条空间直线,通过求解 两条空间直线的交点即可求得三 维空间点的坐标。分析了系统结构在标定时可能产生的误差,系统误差主要来自角度偏移和 水平偏移,并提出了误差解决方 案。实验结果表明,与传统的基于针孔模型的标定方法相比,本文方法无须考虑系统的成像 模型及其参数求解,简洁、高效。标定产生的景深相对误差小于0.2% ,能够改善结构光系统的几何标定精度。     

Roll angle of autocollimator measurement method based on hollow cube corner reflector

In this paper, a method of measuring roll angle with hollow cube corner reflector (HCCR) is proposed. Firstly, the space coordinate vector relationship between the mirror and the autocollimator is established by using the Euler rotation relationship, and the structure of the HCCR is designed. Secondly, through the actual measurement of the HCCR reflector''s angle sensitivity, the specific formula of roll angle measurement is obtained. The experimental results show that the method can be used to measure the roll angle, and the maximum root mean square (RMS) error is 15" in the range of 350", and the repeatability of the experiment is better than 2.7". On the basis of retaining the traditional autocollimator, the plane mirror is replaced with HCCR, which realizes the measurement of the roll angle of the autocollimator. This method does not change the internal structure of the autocollimator system, and there is no process error caused by special processing technology, so as to retain the autocollimator''s own long measurement distance, high measurement accuracy, high system stability, and large range of measurement performance, and it can also be used in industrial production.