2003年5月
光子学报
ACTAPHOTONICASINICA
Vol.32No.5May2003
一种新型光电准直经纬仪
高立民罗长洲陈良益
(中国科学院西安光学精密机械研究所9西安710068)
摘要介绍了一种可以将大地方位角度精确传递给带有直角反射体固定目标的光电准直经纬仪.
它采用准直测量与望远镜共轴的光学系统\"保证了测量基准的统一#激光准直照明配合窄带滤光片提高了整台设备的信噪比\"CCD细分技术的应用提高了仪器的准直测角精度.关键词准直经纬仪#共轴系统#窄带滤光片#CCD细分中图分类号TH745.4文献标识码A
0引言
光电准直经纬仪是火箭瞄准系统的重要组成部
分9在瞄准系统中用于将大地方位基准传递给火箭上部的基准棱镜.光电准直经纬仪由大地经纬仪和自准直测角系统组成9完成大地方位角测量和远距离准直测角.
为提高光电准直测角的稳定性\\测角精度及野外适用性能9设计中采用了准直测量与望远镜共轴的光学系统9保证了测量基准的统一S半导体激光器配合窄稳恒控制技术保证了准直照明系统的稳定9带滤光片提高了整台设备的信噪比SCCD细分技术的应用提高了仪器的准直测角精度.整台仪器水平角测量一次测角极限误差不大于6/9自准直工作距离达到70m9准直测角精度达到 3/.
图1光电准直经纬仪光学系统
Fig.1OpticalSyStemofphotoelectronicautocollimation
theodolite
1共轴光学系统
与以往采用的自准直经纬仪光学系统不同9将
图2光电瞄准经纬仪
Fig.2Photoelectronicautocollimationtheodolite
准直照明光路与望远镜光路的结合点设计到调焦镜不论调焦镜位于何处9准直狭缝与光电接收的前面9
器始终保持共轭关系.这样做的好处是在望远镜的
视场中出现的狭缝像一定是自准直像9避免了假自准像的干扰S另外可以避免调焦镜前后移动的过程中产生的复位误差9造成光电零位的不确定.光电准直经纬仪光学系统如图19外型见图2.分光棱镜1\\2用来沟通三条光路.通过分光棱镜物镜\\调焦镜以及分划板和目镜组1\\2的透射部分9成望远系统9形成视准轴9配合轴角编码器进行水平角度和垂直角度测量.望远镜采用内调焦结构9用另较短的望远镜筒长获得较大的望远镜物镜焦距S外9内调焦望远镜在调焦过程中由导轨的误差所引起的视准轴变化也较外调焦望远镜为小.
分光棱镜1和2的反射部分与前组物镜和相应
的负镜构成自准直光路的发射和接收系统.
为保证准直狭缝照明的均匀性9照明光学系统设计成柯勒照明系统.激光器发出的光照射在毛玻璃上9毛玻璃经过双胶合聚光镜与投影物镜共轭9同时聚光镜与照明像面相对于投影物镜互为物象关系.这样9狭缝面上的任一点皆由毛玻璃上每一点照明9因此狭缝面上的每一点的照明是均匀的.狭缝位于发射系统的焦面上9经由该系统以平行光发射9因此对于不同的发射角度的平行光毛玻璃上每一点皆有贡献.
为了方便观察目标且合理\\最大程度地利用光能9分光棱镜2镀有双波长交替膜层9达到如下效果C对于准直光束波长9其95 左右的光线被反射9对于人眼敏感的黄绿光980 以上的光线由膜层透射.作为共轴系统9这样的设计保证了望远镜目镜观察目标和自准直测量互不干扰.
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5期高立民等.一种新型光电准直经纬仪
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采用共轴光学系统的好处是可以保证视准轴和自准直系统光轴的统一 提高射向的传递精度 其次减小仪器重量.是缩小体积
应.如果把CCD象元输出时钟作为计数脉冲 解算
出狭缝像点的中心坐标 那么有如下公式 = 21 2-1 式中 为狭缝中心点坐标 1为狭缝像起始位置
2半导体激光器的应用
选择半导体激光器作为准直照明光源 主要考
2为狭缝像终点位置.
由此可以看出 狭缝中心点坐标的量化单位可达到1 2个CCD象元.
如果采用倍频插值技术 即用两倍于CCD象元输出时钟的信号对CCD象元进行脉冲计数 由于两激光单色性非常好 半导体激虑三个方面的因素 1 光器的标定线宽约为1~10nm 而普通光源的辐射
线宽则大于103nm.窄带辐射线宽有利于提高仪器的抗干扰能力 2 激光器具有高强度 即使在它辐射功率不算高的情况下 由于激光辐射的方向性强 它仍然是高强度的 3 半导体激光器体积小 重量轻 转换效率高 省电 而且激射功率可以方便 高效地进行直接的大范围调制.
由于半导体激光器阈值电流随温度升高而呈指数上升 激光器的内阻增加 功耗增大 发出的光能量下降.半导体激光器阈值电流随温度升高而呈指数上升的经验公式为
th2= th1>exp 2- 1 0
式中 th2 th1分别是 2 1温度时的阈值电流 0是器件常量.对于本文选用的是SDL-7501-G1型激光器 0~80K 若 2- 1=20K 则 th2 th1=
28 若 2- 1=30K 则 th2 th1=1.45.因而必须设计相应的温度补偿电路.
半导体激光器的内部结构由形成激光的发光管和监测激光电流的光电二极管组成.利用这一点 设计了半导体激光器功率稳恒电路 见图3.
图3限流及功率稳恒电路
Fig.3LimitedcurrentandSteadypoWercircuit
CCD细分技术
采用内插细分技术是提高仪器测量精度的一种有效手段.通常情况下 内插细分的方法很多 例如抛物线拟合法 高斯内插法和矩心内插法等等.从成像质量和微处理器的运算速度等方面因素的考虑 在本仪器中采用的是倍频插直细分方法.CCD输出的图象信号经相关箝位双采样 视频放大 低通滤波等电路处理后 在时钟的驱动下一个一个地串行输出 因此CCD象元与驱动时钟一一对
倍频计数时钟与CCD象元输出时钟相位上保持严格同步 把CCD象元响应的信号均匀地分为两等份 可以实现CCD象元的细分.对于像元尺寸为7~m>7~m的CCD
焦距取300mm 细分后的准直测角最小分辨率可以达到0.7/.
4窄带滤光
野外环境中 外界杂光是瞄准光电系统不能稳
定工作的主要因素 尤其是在不同时间窗口以及适当的瞄准角度
太阳辐射 反射以及其他强烈的背景光干扰 常常会导致系统无法工作.
利用窄带滤光片可以在一定程度上解决杂光问题.它利用信号光与干扰光在光谱分布上的差异
提高信噪比.装上滤光片后在有用信号对背景信号
之比方面得到的好处是
1
An= 2
:ACI A S4 AA dA 2AA0 AC1
S4AC式中 n为信噪比提高的倍数 AC为接受器对于波长AC辐射的光谱灵敏度 A
为以相对单位表示的接受器的光谱灵敏度特性曲线 S4 A 为背景辐射通量光谱密度分布 A1和A2为接受器的光谱灵敏度范围 :AC为滤光片对波长AC的相对透射率 S4AC为背景辐射通量的光谱密度.
图4为CCD 窄带滤光片和半导体激光器的响应曲线和透过率曲线 背景为天空中的散射光 其相对强度取1.
图4滤光片效率
Fig.4NarroWband-paSS
SDL-7501-G1型激光器波长为650nm
线宽为1.3624
光子学报
32卷
窄带滤光片设计透射峰值与半导体激光器波10nm3
长相同9为650nm9通光带宽2AX0=0.04~m.采用信噪比与没有采用滤光片时相比提高29这种设计9
倍9除非太阳直射9光电准直经纬仪均可以正常工作.
参考文献
1尤 姆 克利姆科夫.激光光电仪器设计基础.北京2测绘出版社91984.4~8
Krim of M.TheDeSigningbaSicoftheoptoelectronicinStrument2uSingthelaSer. ei ing2Sur eyingand
MappingPreSS91984.4~8
魏仲慧.数字光电自准直仪的研究与设计.光学精密工程92199694(3)116~120
2 ei H.0Ptic a dPreci io E eeri 199694(3)gi g9116~120
5结论
通过采取上述技术措施后9设计出的光电准直
经纬仪实现了高精度\\高可靠性的准直测量.经检测9光电准直经纬仪的准直测量距离达到70m9测量范围2 9自准直测角精度达到 3/.仪器布局合理\\紧凑9完全符合地面瞄准系统的要求.
DevelopmentofphotoelectronicAutollimationTheodolite
GaoLinmin9LuoChang hou9ChenLiangyi
ila tituteof0Ptic a dPreci io \\echa ic 9CAS9 ila 710068
ecei eddate220021018
AbstractThephotoelectronicautocollimationtheodoliteWhichtranSmitStheangleofa imuthtotherightanglepriSmfixedintheroc etiSdeScribed.AndthedeSignmethodthatapproacheSmeaSurementSyStemaccuracyanden ironmentadaptabilityWithcentroidpoSitioninterpolationtechni ueandnarroWband-paSSfilteriSpreSented.
KeywordsAutocollimationtheodolite3Interpolation3AlignmentSyStem
GaoLiminWaSbornin19659in i an.Herecei edthe .S.degreeinopticSfromOpticalInStrumentDepartment9 he iang ni erSityin1988.During1988to19919hedidhiSM.S.degreein i anInStituteofOpticSandPreciSionMechanicS9ChineSeAcademyof
ScienceS.NoW9hiSmainintereStfocuSeSonopticalengineering.
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