半导体激光经纬仪光电自准直测角当量的标定

　　引　言

　　自准直方法在科研、工业生产和国防建设等领域有着广泛的应用,如光学测量、直线性测量及大型运载火箭发射前的初始方位对准等都要采用自准直方法。传统的光电自准直仪是根据光电转换器件(如光电池)接收光能量的差异来反映准直方位的偏离,由于光电特性曲线的非线性,一般工作在零位时才能获得最佳精度,因此其测量精度总是受到光源能量波动、大气抖动及光电器件不对称性的影响(双探测器系统),不适宜于野外工作。CCD器件及半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长等优点,我们使用CCD作光电传感器、红光半导体激光二极管作光源,研制了一台新型半导体激光经纬仪,本文讨论激光经纬仪光电自准直测角当量的标定方法,并给出了标定结果。

　　1　仪器工作原理

　　半导体激光经纬仪由红光半导体激光器及发射系统、光学经纬仪系统和CCD摄象测量系统组成。经纬仪提供望远镜视轴(也是CCD摄象测量系统及激光束光轴)指向的方位角,半导体激光器提供可见光波段的准直光源,CCD摄象系统摄取反程光束,进行光电自准直测角。半导体激光经纬仪具备2″经纬仪的全部功能。半导体激光经纬仪的望远镜及自准直测角光学系统如图1所示。其中,Laser Diode为半导体激光器;M1,M2,M3,M4为反射镜;P1,P2为分划板;BS1,BS2为分光棱镜;L1为物镜,L2为调焦镜,L3为目镜,L4为聚光镜,L5为成象负透镜。半导体激光器(Laser Diode)发出的红光经聚光镜L4、反射镜M1,M2照亮分划板P1上的透光狭缝(狭缝长度方向平行于y轴),狭缝位于物镜L1的焦平面上,因此成平行光射出,照在反射镜M4上返回,若反射镜M4与出射光轴垂直,则返回光束光轴与经纬仪轴重合,经物镜L1、分光棱镜BS2、成象负透镜L5及反射镜M3在线阵CCD靶面上成象(线阵CCD象元排列方向平行于x轴),以此代表光束自准直后的象点原点位置。当反射镜M4绕z轴转过一个角度α时,返回的狭缝象在线阵CCD靶面上与原点距离为x之处,则角α可以表示为

　　在进行CCD光电自准直测角的同时,通过目镜L3可以在分划板P2上看到狭缝象,进行光学目视自准直。本仪器在目标为12米远处可保证±3′范围内测角精度±3″。

　　2　CCD自准直测角当量的标定

　　所谓CCD光电自准直测角当量就是指CCD一个象元所对应的被测角度值。按照(2)式,只要知道了焦距f′及相对原点的距离x就可以得到α角,但实际上焦距的理论值与装配后的实际值有差异,而且整机装配完成后,实测焦距也很困难,因此需要采用新的方法对当量进行标定。由于光学镜头的畸变,CCD装配中产生的象面离焦及CCD和光轴的不垂直等因素,使得CCD象元位置与对应的被测角度值成非线性关系,因此广义的当量应理解为CCD某个象元位置对应的被测角度值,下面的分析表明,由于半导体激光经纬仪测角范围很小(只有±3′),CCD象元位置与其对应的角度值成良好的线性关系。