一种光电经纬仪成像质量的快速检测系统

2021-06-22赵巨波

机电产品开发与创新 2021年3期

赵巨波

（92941 部队，辽宁葫芦岛 125001）

0 引言

光电经纬仪在研制、生产过程中需对各项技术指标，经过专业方法的检测[2]以达到要求。但受长期运输、道路颠簸、测量环境等因素的影响，可能出现光轴位置晃动、像面位置变化、分系统功能故障等现象，光电经纬仪的可靠性在上述情况下将难以保证，需要对光电经纬仪进行准确、快速光学系统成像质量检测[3]，来确定和排除问题所在。目前在外场环境中难以找到合适的检测设备，只能依靠月亮提供目标，如此天气因素将大大制约检测过程。

本文设计了一种用于快速检测光电经纬仪成像质量的静态虚拟光学目标系统，用于给主光学系统提供一种静态虚拟光学目标与检测图像，供光电经纬仪进行标定[4]，后续的采集、测量与处理。本文第二节介绍了该系统的光学设计、第三节介绍了系统机械结构和工作特点，第四节对所设计的系统进行了仿真分析。

1 系统的光学设计

该系统光学系统如图1 所示，该光学系统口径为92mm，焦距为657mm，经过反射镜与主系统高灵敏和变焦系统进行对接。

系统中主要包括45°反射镜、调焦镜组、衰减镜组、投影仪（光源），可在光源处提供各种所需靶标图案与目标图像，衰减镜组可调节进入系统的光通量。调焦镜组包括距离调焦与温度调焦[5]，并可根据目标距离与环境温度的变化进行调焦来保证成像质量。 45°反射镜对光线进行折转，使结构更加紧凑。

图1 静态虚拟光学目标系统光学结构示意图

光学系统的综合评价指标是光学调制传递函数（MTF）。低空间频率的MTF 影响画面对比度；中空间频率一般与探测器空间采样频率相当，MTF 影响画面锐度；高空间频率MTF 影响分辨力，由于采样频率的限制，高空间频率MTF 对CCD 成像系统影响小。

系统中的目标模拟器分系统采用像素大小为5.4μm的探测器，特征空间频率是90lp/mm。光学传函曲线如图2 所示，图中虚线为衍射极限。

该光学系统具有优良的成像质量，较高的透过率，结构紧凑，像面照度均匀，杂散光控制良好，系统的性能优良。

图2 目标模拟器分系统光学传递函数曲线图

2 系统的结构设计

图3 系统总体布局

本设计不需要对光电经纬仪整体结构做任何修改，只需把系统固定到光电经纬仪的水平轴上，并保证与光电经纬仪水平轴的同轴度，并可随光电经纬仪的照准架和垂直轴同时进行俯仰与方位运动。系统总体布局见图3。

模拟光学目标系统主要由切换反射镜、调焦组件、轴端连接筒、衰减片组件、投影组件组成。其结构见图4。

45°反射镜固定于切换机构中，切换机构通过电机带动凸轮旋转，凸轮旋转带动切换内筒沿经纬仪水平轴方向进行移动，工作时通过切换机构带动45°反射镜切入经纬仪四通内，45°反射镜与光电经纬仪主镜成45°角，经纬仪主镜接收静态虚拟光学目标系统提供的平行光进行后续的成像与检测等工作，不工作时切换机构带动45°反射镜移出经纬仪四通，不影响经纬仪正常工作。

图4 静态虚拟光学目标系统示意图

经计算其中调焦组件的理论摆角为7.8″，切换组件的摆角为6.9″，系统的精度通过光机协同设计与加工可保证符合检测要求。

3 有限元分析

为等效切换机构在经纬仪中的实际状态，将轴端与系统连接处设置为固定约束，模拟轴端承系统的支撑；在轴与四通安装面施加大小为3000N、方向竖直向下的集中力，模拟四通负载传递到轴上的力；整体施加竖直向下，大小为9.8N/kg 的重力场，模拟重力效果；投影仪的结构对整体刚度的影响较小，等效为质量点。

通过有限元计算，得到如图5 所示的位移云图，可以看出，较大的变形主要集中在两端，这是由于整体结构类似于中间固定、两端悬空的悬臂梁。投影仪一侧，等效质量点处的位移为3.502μm；切换反射镜一侧，镜筒最大变形量为4.804μm。通过光学复核计算，变形对光路的影响在允许范围内，不会影响成像质量。对反射镜镜面进行Zernike 拟合，得到反射镜面型RMS 为3.42nm，约为λ/185（@632.8nm），完全满足使用要求。