CN101526420B - 一种模拟小角度运动激光目标的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟小角度运动激光目标的装置，该装置包括：光学部分和电控部分。光学部分由激光器、能量调节装置、扩束装置和棱镜组成。电控部分电控旋转台装置及其控制器和角度输出装置。激光器发出的光束经能量调节装置调节后入射扩束装置，出射光线经电控旋转台中心棱镜偏折，出射进入被测光电跟踪系统，控制电控旋转台即可控制平行光按一定的偏折角度旋转模拟运动目标。本发明结构紧凑，装调简单，成本低廉，模拟目标方位易于计算，可以应用于航天、军事等小角度光电跟踪系统室内测试。

Description

一种模拟小角度运动激光目标的装置

技术领域

本发明涉及光电仪器测试技术，具体指一种模拟小角度运动激光目标的装置，它用于室内小角度光电跟踪系统的性能测试。

背景技术

在光电跟踪技术领域，光电跟踪系统的测试与性能评估是其研制的重要组成部分。光电跟踪系统室内测试中常采取一定的装置在空间中模拟目标的运动并开启被测光电系统完成跟踪，记录跟踪结果分析评价光电跟踪系统的跟踪性能。模拟目标的运动特性和光学特性是否具有真实又成为测试系统的难点。

现有目标模拟方法主要有用于室内测试光电跟踪经纬仪性能的旋转靶标装置，采用的平行光管和旋转臂结构来实现的，基本结构示意图如图1所示。一般而言包括平行光管1、驱动电机4、旋转臂3、反射镜2和支架5等部件构成。平行光管1出射平行光经反射镜2进入被测系统。驱动电机4带动悬臂3之上平行光管1和反射镜装置2一起转动，使得平行光形成光锥入射，模拟目标的运动。悬臂长度、反射镜倾角等决定了模拟目标的角度变化范围。旋转靶标半锥角一般都在15度以上，另外其悬臂长度一定，小的半锥角将导致测试装置占用大的空间，不适合用于测试小角度光电跟踪系统性能。而且由于此结构中光学组件都位于悬臂之上一起旋转，研制难度大、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于室内小角度光电跟踪系统性能测试的目标模拟装置，解决目前装置存在的研制难度大、成本高的问题。

本发明的目标模拟装置如附图2所述包括光学和电控两个部分。

光学部分由激光器6、能量调节装置7、扩束装置8和棱镜10组成。

电控部分是带有控制器和角度输出装置的电控旋转台9。

所说的激光器6选用与被跟踪激光目标波段相同的激光器。

所说的能量调节装置7固定于激光器6出射口，能量调节装置7采用光学衰减片，用于调节出射激光能量。

所说的扩束装置8固定于能量调节装置7之后，其光轴与激光器光线中心同一直线放置，按一定比例缩小激光光束发散角和扩大激光光束的宽度。

所说的电控旋转台9为电机9-1和减速机构构成的中心空心的旋转台，其旋转轴与激光器扩束装置光轴同一直线放置。电控旋转台配备有控制器和角度输出装置。

所说的棱镜10为具有一定顶角的圆型棱镜，固定于电控旋转台9旋转中心，随电控旋转台9一起转动。

本发明的装置的工作原理如下：

激光器6发出的光束经能量调节装置7调节后入射扩束装置8，出射光线经电控旋转台9中心棱镜10偏折，出射进入被测光电跟踪系统。

棱镜10顶角为θ时，对入射平行光偏折的角度α可由式(1)表示：

α＝arcsin(nsinθ)-θ(1)

其中n为棱镜制作材料的折射率。

被测光电跟踪系统成像系统等效示意图如附图5所示，包括光学系统和探测器系统，系统焦距为f，探测器像元大小为d。考虑一维情况，如图所示与主光轴成角度α的平行光入射光学系统，理想情况下像点中心应位于向上第n像元，n由式(2)表示。

$n=\frac{\tan \mathrm{\α}\·f}{d}---\left(2\right)$

定义三维坐标系xyz，激光出射方向为z轴方向，y轴为垂直各部件放置平面向上，x轴与上述两轴构成右手定则。

初始状态棱镜顶角倾斜方向与y轴重合。电控旋转台逆时针旋转角度Ω，棱镜偏折平行光角度为α，则计算可得理想情况下像点中心在探测器所在位置像元编号为式(3)(4)表示。

$n_x=\frac{\tan \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\Ω}\·f}{d}=\frac{\tan (\arcsin \left(n\sin \mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\θ})\·\sin \mathrm{\Ω}\·f}{d}---\left(3\right)$

$n_y=\frac{\tan \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\Ω}\·f}{d}=\frac{\tan (\arcsin \left(n\sin \mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\θ})\·\cos \mathrm{\Ω}\·f}{d}---\left(4\right)$

可见某一时刻被跟踪系统成像光斑中心位置与电控旋转台旋转角度、棱镜顶角、被测系统焦距和像元大小之间的关系。对于固定的被测系统，f和d一定，选择一定顶角α的棱镜，控制电控旋转台转动角度Ω的变化轨迹即可推算出模拟目标成像中心的运动轨迹。

若电控旋转台旋转角速度为ω，则对被测光电跟踪系统而言目标的运动角速度由式(5)表示，在y方向和x方向分解速度分别为式(6)和式(7)表示：

ω′＝sin(α)*ω＝sin(arcsin(nsinθ)-θ)*ω             (5)

ω_y′＝sin(α)*ω*sinΩ＝sin(arcsin(nsinθ)-θ)*ω*sinΩ(6)

ω_x′＝sin(α)*ω*cosΩ＝sin(arcsin(nsinθ)-θ)*ω*cosΩ(7)

本发明的激光目标模拟装置使用的具体步骤如下：

1.固定激光器6、能量调节装置7、扩束装置8和包括棱镜10的电控旋转台9的相对位置，使各部件光轴或旋转轴在同一直线之上，固定方法可以采用支架螺接或胶接。

2.光路调整：打开激光器6，静止电控旋转台9于零位，棱镜10偏折后的出射光线进入被跟踪系统成像，观察被跟踪系统成像光斑中心位置，根据成像系统几何位置关系比较光斑中心位置对应的入射光角度与棱镜偏折光角度以调整光路。当成像几何关系成立时系统调整完毕。

3.开启激光，按照一定速度控制电控旋转台9运行，棱镜10出射光入射被测跟踪系统入瞳，根据成像系统几何关系可得模拟的运动目标的运动特性。开启被测跟踪系统跟踪模拟目标，记录跟踪系统跟踪结果与电控旋转台旋转角度用于评价被测系统的跟踪性能。

本发明有如下有益效果：

1.本发明的激光目标模拟装置结构简单、成本低廉、紧凑。对于小角度光电跟踪系统测试，实现本发明的成本相对于传统的悬臂式旋转靶标装置大幅降低。

2.本发明的目标模拟装置，对不同用途的小视场光电跟踪系统测试都适用。

附图说明

图1传统悬臂式旋转靶标装置示意图。

图2为本发明的目标模拟装置示意图。

图3为本发明的棱镜与电控旋转台安装示意图。

图4为本发明的棱镜示意图。

图5为成像几何示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明的激光目标模拟装置如图2所示，激光器6、能量调节装置7、扩束装置8、棱镜10光轴与电控旋转台9旋转轴在同一直线之上。

电控旋转台9结构如图3所示，由电机9-1、台体固定部分9-2和台体旋转部分9-3构成。电机9-1转轴通过台体固定部分9-2内部所装传动机构与台体旋转部分9-3构成传动关系。台体旋转部分9-3内部为空心，具有一定空间用于安装棱镜。电控旋转台角度输出装置可以输出台体旋转部分9-3相对于台体固定部分9-2的相对角度。棱镜10为圆型棱镜，顶角一定，如图4所示，棱镜顶角倾斜方向定义为图中A点方向。棱镜5固定于电控旋转台台体旋转部分9-3中心圆孔内，可随着旋转部分9-3一起绕光轴转动。

激光器6发出的光束经能量调节装置7调节后入射扩束装置8，出射光线经电控旋转台9中心棱镜10透射出进入被测光电跟踪系统。能量调节装置7主要调整激光器6出射光功率，可以选择不同衰减倍数的能量调节装置7以获得模拟系统所需的激光功率，同时也避免激光功率过大而致盲探测器。根据实际需求选用衰减片倍率。扩束装置8主要用于减小激光束发散角。当激光器出射激光发散角为Δ，扩束装置扩束倍数为m，则扩束镜出射激光发散角为Δ/m，发散角进一步减小使得出射光更接近于平行光。可以采用商用普通扩束镜或透镜放大装置。

电控旋转台电机由电机控制器控制，根据精度和速度要求可以采用伺服电机和角度传感器的闭环控制，也可以采用步进电机的开环控制。

当电控旋转台停止旋转时，由于棱镜角度固定不变，出射光束将向棱镜顶角方向偏离一定角度。当电控旋转台旋转时，棱镜顶角指向随之变化，即可使得出射平行光根据电控旋转台旋转按照光锥型出射旋转扫描。从被测光电跟踪系统角度观察，此旋转的平行光即代表一个运动的目标，控制此平行光运动特性即可得到不同的模拟目标运动特性。

综上所述，本发明装置具有结构简单紧凑、光路调整简便、使用灵活、成本低廉、实用性强等特点。

Claims (2)

1.一种模拟小角度运动激光目标的装置，包括：光学部分和电控部分，其特征在于：

光学部分由激光器(6)、能量调节装置(7)、扩束装置(8)和棱镜(10)组成；

电控部分是带有电机控制器和角度输出装置的电控旋转台(9)；

所说的激光器(6)选用与被跟踪激光目标波段相同的激光器；

所说的能量调节装置(7)固定于激光器(6)出射口，用于调节出射激光能量；

所说的扩束装置(8)固定于能量调节装置(7)之后，其光轴与激光器光线中心同一直线放置；

所说的电控旋转台(9)为电机和减速机构构成的中心空心的旋转台，其旋转轴与激光器扩束装置光轴同一直线放置，电控旋转台(9)由电机(9-1)、台体固定部分(9-2)和台体旋转部分(9-3)构成，电控旋转台角度输出装置输出台体旋转部分(9-3)相对于台体固定部分(9-2)的相对角度；

所说的棱镜(10)为具有一定顶角的圆型棱镜，固定于电控旋转台(9)旋转中心，并随之一起转动；

激光器(6)发出的光束经能量调节装置(7)调节后入射扩束装置(8)，出射光线经电控旋转台(9)中心棱镜(10)偏折，出射进入被测光电跟踪系统。

2.根据权利要求1所述的一种模拟小角度运动激光目标的装置，其特征在于：所述的能量调节装置(7)是光学衰减片。

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