空间旋转多光谱多光轴校准技术研究

　　1　引　言

　　多光谱空间旋转光轴平行性的调校是光电系统研制的关键环节,本文涉及的光电系统具有可见光轴,激光光轴以及机械轴,且光路在空间发生旋转和折转,是一种典型的多光谱多光轴空间旋转问题。

　　该光电系统结构如图1所示,高功率非可见的激光器安装在基座上,基座的上部是一个方位轴系,能够支撑头部组件绕基座连续回转,反射镜与头部组件固联可相对基座旋转,此外还可俯仰转动,瞄准具组件包含可见光望远镜及识别激光器(0. 9μm,2mJ)安装在头部组件上,与反射镜一起绕方位轴旋转。三种不同波长的光束,沿方位轴出射,经反射镜折转后,从保护玻璃射出,反射镜可随头部组件绕方位轴旋转,同时也可以绕俯仰轴旋转。

　　设计要求在头部任意旋转角度处,三种不同光谱的轴线严格平行,误差允许范围0. 1mrad,轴系正交性要求,俯仰偏摆0. 15mrad,水平跳动0. 15mrad,即要求出射光轴在方位或俯仰转动中,扫出一个非常近似的平面,而不是圆锥面。

　　该系统的挑战性体现在:①空间旋转轴系和机械轴系交织,使轴系很复杂;②非可见高能量激光十分危险。

　　该轴系调校的关键点在于,首先将激光轴与回转机械轴调同心否则永远无法达到任意空间位置多光谱多光轴平行。原因如下:设激光光轴与回转机械轴有同心度误差,即在纸面投影水平α角的平行差。如果简单地把瞄准具光轴调整到与激光平行,在图1(a)所示位置似乎可以达到三轴平行,然而如果头部旋转180°后到图1(b)所示位置,则光轴平行差将达到4α之大。

　　如何保证激光轴与机械轴同心,又使可见光轴与激光轴平行,将是本文重点阐述内容(轴系正交性问题本文不进行探讨)。

　　2　轴系精度测试的原理和方法

　　为了阐述校准技术方案,首先介绍一下这种多光谱立体轴系精度测试方法[1]。这种光电系统测试的方法如图2所示,在被测仪器周围架设一圈抛物面反射镜,转动头部,用瞄准镜对准靶面中心,发射激光(工程中简化为旋转底座,用一个抛物面镜,实现位置测试),理想的状态是,每个角度发射的激光,都与靶心重合,实际测试时,激光和可见光都会有误差,会形成离散,如图3所示。激光光斑呈现出圆周分布,分布圆中心与瞄准点通常也不重合,分布圆的直径,代表了激光轴与机械回转轴同轴度误差,离散中心与瞄准点的偏差,代表了可见光轴与机械轴的同轴度误差。

　　3　该光电系统校准的技术方案

　　轴系校准的目标就是将离散圆半径缩小到0. 2mrad,将偏差控制在0. 1mrad。针对这个特定的光电系统,所采用的调校原理是:以回转机构的机械轴为调校基准,使可见光光轴与激光光轴都与其同心,从而达到三轴平行的目的[2]。