激光矢量测量法

2024-10-12

激光矢量测量法（共3篇）

激光矢量测量法篇1

0引言

在有源相控阵雷达的研制与试验中,需要对相控阵天线阵面幅相分布进行测量[1]。目前广泛采用的是在暗室内进行近场测量,但是近场测量所需设备量大,测量复杂,特别是对一些大型相控阵天线,很难在暗室内测量。文献[2]采用远场测量方案,利用有源相控阵本身的系统资源和旋转矢量法,对大型固定式有源相控阵天线阵面性能进行测试。但是在远场测量阵面幅相特性时,由于环境的变化和多径效应,会带来较大的测量误差。很多文献提出了中场测量技术[3,4,5],对相控阵阵面进行幅相校正,利用阵面的收发电子开关在很短的时间内就可以完成一次全阵测试。与近场测量相比较,它具有测量速度快,测试效率高的优点,且系统简易,建造成本很低,对测试场要求不高。但是为了降低成本,目前很多有源相控阵雷达采用一个TR组件控制多个天线单元,每个天线单元都有各自独立的移相器,或者是有源和无源相结合方式。这样,上述文献中的中场测量技术则无法得到每个天线单元阵中幅相特性。同时,有源相控阵雷达在长时间工作后,TR组件会有较大的故障率,必须在现场快速而有效地确定损坏的TR组件,并更换,且进行快速的幅相校正。本文将中场测量技术与旋转矢量法相结合,对有源相控阵天线进行快速配相和故障监测,该方法适用于无法进行近场测量的相控阵天线和相控阵雷达的定期监测。

1测量原理

中场测量的原理框图如图1所示,参考天线位于距天线阵面R处,文献[3]详细介绍了两点法、三点法中场测量原理。文献[6]介绍的旋转矢量法,是在发射或接收测试时,计算机控制波控系统改变移相器相位,测量得到一系列数据,对这些数据进行处理,就可得到阵面每个单元的幅相特性。

1.1 TR组件监测

对于有源相控阵天线,要定期或不定期地监测TR组件的使用情况,发现故障并排除[7,8]。TR组件的故障可分为以下5种情况:

(1) TR组件损坏,收态不能工作;

(2) TR组件损坏,发态不能工作;

(3) TR组件损坏,收、发态都不能工作;

(4) TR组件内射频开关损坏,始终处于收态;

(5) TR组件内射频开关损坏,始终处于发态。

若上述5种情况在阵面中都存在,则可以采用简化的旋转矢量法进行测量,找出故障所在的TR组件。假设一个TR组件与多个天线单元相连,形成一个子阵。

首先,进行发态测试,设存在有第5种损坏情况的TR组件,这些TR组件激励起的各子阵被探头接收到的信号之和为Aejφ,波控机开通一路通道,其被探头接收到的信号为aiejφi,则接收机收到的总信号为:

$A e^{j φ} + a_{i} e^{j φ_{i}} (1)$

对子阵中每个单元的移相器全部进行相移,相移量为π,再次测量,得到的测量值为:

$A e^{j φ} - a_{i} e^{j φ_{i}} (2)$

式(1)减去式(2),就可以计算得到aiejφi,即开通的这一路通道被探头接收到的信号。若第k路TR组件有第(2)～(4)号其中一种损坏情况,则相位改变,测量值不变,即上面式(1),式(2)相减为0,即可判断该TR组件损坏。

同样,收态测试时,利用旋转矢量法,可以将第(1),(3),(5)种TR组件损坏情况监测出来。

上述方法中,接收信号的相位是以发射信号为参考测试得到的,并不需要知道探头的准确位置,各单元阵中方向图对式(1),式(2)的关系不会产生影响,可以准确地判断TR组件的损坏情况。

1.2 旋转矢量法相控阵测量

对于阵面每个单元的幅相分布,可以利用改进的旋转矢量法测量进行快速配相。文献[5]已经详细介绍了这种方法的原理。

将两个复信号A1exp(jφ1),A2exp(jφ2)的和信号记为Aexp(jφ)。A2exp(jφ2)是旋转阵元信号;A1exp(jφ1)是其他阵元信号之和。利用移相器A2exp(jφ2)引入额外相移Δ,n位数字移相器提供M=2n个相位状态。根据M次测量得到的一系列功率值,就可以计算出A1,A2的大小及其相对相位φ2-φ1,这两个复信号相对于其和信号的幅度相位信息为:

$\begin{array}{l} Ζ_{1} = \frac{A_{1}}{A_{1} + A_{2} \exp (j (φ_{2} - φ_{1}))} \\ Ζ_{2} = \frac{A_{2} \exp (j (φ_{2} - φ_{1}))}{A_{1} + A_{2} \exp (j (φ_{2} - φ_{1}))} \end{array} (3)$

在有源相控阵发射状态中场测量中,为减小电磁辐射,提高测试环境的安全性,每次仅开通少量TR组件进行测试。若每个TR组件连接的天线单元数为N,每次开通两个TR组件测试,设首先开通1号和2号TR组件,则根据旋转矢量法测得的与两个TR组件相连的每个单元相对2N个单元和信号的幅度相位矢量分别为a1,n(n=1,2,…,N),a2,n(n=1,2,…,N),和信号为S1,即:

$\begin{array}{l} a_{1, n} = \frac{A_{1, n}}{S_{1}}, n = 1, 2, \dots, Ν (4) \\ a_{2, n} = \frac{A_{2, n}}{S_{1}}, n = 1, 2, \dots, Ν (5) \end{array}$

式中:A1,i,A2,i分别是与第(1),(2)种TR组件相连的各个单元的阵面幅相矢量。第2次测量仅开通第(2),(3)种TR组件,此时和信号为S2,测得相对S2的各单元幅相矢量分别为b2,2,n(n=1,2,…,N),b2,3,n(n=1,2,…,N),第1个下标指测量次数,第2个指TR组件号,第3个指每个TR组件所连接的单元数。即:

$\begin{array}{l} b_{2, 2, n} = \frac{A_{2, n}}{S_{2}}, n = 1, 2, \dots, Ν (6) \\ b_{2, 3, n} = \frac{A_{3, n}}{S_{2}}, n = 1, 2, \dots, Ν (7) \end{array}$

式中:a2,n,b2,2,n是2号TR组件相连的N个单元相对不同和信号的幅相矢量,根据式(4)～式(7)可以得到A3,n(n=1,2,…,N)相对S1的幅相矢量:

$a_{3, n} = b_{2, 3, n} \frac{S_{2}}{S_{1}} = b_{2, 3, n} \frac{a_{2, j}}{b_{2, 2, j}}, n = 1, 2, \dots, Ν (8)$

式中:j取1～N之间任意整数。

若阵面共有M个TR组件,要进行M-1次测量,则最终得到的第m个TR组件所连接的第n个单元相对S1的幅相矢量为:

$a_{m, n} = b_{m - 1, m, n} \frac{a_{2, j} \prod_{k = 4}^{m} b_{k - 2, k - 1, j}}{\prod_{k = 3}^{m} b_{k - 1, k - 1, j}}, m \geq 4 (9)$

式中:j取1～N之间任意整数。m<4的测量值由式(4),式(5),式(8)表示。

以上所测量得到的复矢量包含每个单元的方向图影响和距离参考天线的程差。

$a_{m, n} = Ι_{m, n} f (θ_{m, n}, φ_{m, n}) \exp (- i \frac{2 π}{λ} r_{m, n}) (10)$

式中:f(θm,n,φm,n)是阵中单元方向图;(θm,n,φm,n)是单元指向参考天线的方向;rm,n是单元距离参考天线的距离;Im,n是单元的相对电流。利用中场测量技术的三点法,调整参考天线位置,再次测量2次,就可以消除阵中单元方向图和各天线单元距离参考天线程差不同的影响。

同样,在有源相控阵接收状态,利用旋转矢量法,中场测量可以得到每个天线单元通道的增益和相位。在测试中,利用有源相控阵本身的馈电网络和接收设备,就可以实现测试,节省了资源。

2测量误差分析

在式(8),式(9)中,计算两次测量的和信号比值时,仅利用了N个单元中一个单元的测量值,如下式所示:

$\frac{a_{2, j}}{b_{2, 2, j}} = \frac{S_{2}}{S_{1}}, j = 1, 2, \dots, Ν (11)$

若第j个单元两次测量比值的误差为gjejφj,即:

$\frac{a_{2, j}^{´}}{b_{2, 2, j}^{´}} g_{j} e^{i φ_{j}} = \frac{S_{2}}{S_{1}}, j = 1, 2, \dots, Ν (12)$

式中:a′2,j,b′2,2,j是真实值。如果对这N个单元的测量比值取几何平均,就可以减少单次测量误差对最终结果的影响,如下式所示:

$\frac{S_{2}}{S_{1}} = (\prod_{j = 1}^{Ν} \frac{a_{2, j}^{´}}{b_{2, 2, j}^{´}} g_{j} e^{i φ_{j}})^{1 / Ν} = \frac{S_{2}^{´}}{S_{1}^{´}} (\prod_{j = 1}^{Ν} g_{j})^{1 / Ν} e^{i \frac{1}{Ν} \sum_{j = 1}^{Ν} φ_{j}} (13)$

如果其幅度误差和相位误差都小于单次测量误差,则式(9)可改写为式(14)的形式:

$a_{m, n} = b_{m - 1, m, n} \frac{(\prod_{j = 1}^{Ν} a_{2, j})^{1 / Ν} \prod_{k = 4}^{m} (\prod_{j = 1}^{Ν} b_{k - 2, k - 1, j})^{1 / Ν}}{\prod_{k = 3}^{m} (\prod_{j = 1}^{Ν} b_{k - 1, k - 1, j})^{1 / Ν}}, m \geq 4 (14)$

利用旋转矢量法测量,每次开通两个TR组件,测量这个子阵上每个单元的幅相分布,设两个TR组件组成的子阵的和信号分别为T1,T2,到探头的程差为rt,则探头接收到的信号为:

$S = Τ_{1} + Τ_{2} \exp (- i \frac{2 π}{λ} r_{t}) (15)$

因为每个TR组件所连接的子阵都相同,故T1,T2可认为相等,若rt=λ/2,则式(15)中S=0。这时,测量将无法进行,故每次测量时,应该取相邻的TR组件组成的子阵,使其内部两个子阵的程差尽可能小,以避免上述情况发生。

在中场测量中,利用两点法或三点法来消除阵中单元方向图和各天线单元距离参考天线程差不同对测量的影响,但是,当两点或三点的间距不能严格等于单元间距时,就会在测量结果中引入误差。现以两点法[3]为例来说明。测量的最终结果为:

$Ι_{m} = \prod_{k = 1}^{m - 1} \frac{S_{k + 1}^{b}}{S_{k}^{a}}, m = 2, 3, \dots, Μ (16)$

式中:S $_{k}^{a}$ ,S $_{k + 1}^{b}$ 分别是参考天线在a,b点测量得到的第k,k+1个单元的接收信号。

考虑64个单元,单元间距约为λ/2的x波段线阵,等相位、均匀分布,采用两点法测量。若a,b测量点的水平间距不等于λ/2,而是λ/2+1 mm,则产生的误差如图2,图3所示。可以看出,两测量点间距1 mm的误差,对幅度产生的影响不大,而对相位测量会带来超过60°的误差,对阵面配相极为不利。为此,需要尽可能地减小参考天线间距的误差。在架设参考天线时,要使参考天线两次架设点的间距误差非常小是比较困难的。可以考虑将两个参考天线制作加工在一起,这样就可以保证其间距的误差很小。但这样,又会使两参考天线由于互耦而方向图不一致。所以需要在参考天线周围再加入一些虚元,使两参考天线处于相同的电磁环境中,如图4所示。虚元与相邻参考天线的间距等于a,b两点间距。虚元与空闲参考天线后接负载。这样,可使两参考天线在工作时的方向图基本保持一致。参考天线间距对相位测量误差的影响是完全线性的,当参考天线间距误差很小时,相位误差也就在允许范围之内了。如图5所示,参考天线间距误差为0.1 mm时的各单元相位误差,最大偏离不到7°。利用多点、长间距测量也可降低测量误差[3],需要多次改变参考天线架设点,这就不可避免地要增加天线测量结构的复杂度。所以,还是采用前面的方法较为简单。

3结语

有源相控阵天线的测量和校正是相控阵技术的一个重要方面。本文通过将旋转矢量法用于中场测量技术中,测量、监测和校正一个TR组件控制多个辐射单元的有源相控阵天线。只需较少的设备,就可实现对相控阵天线的校正和TR组件的监测。该方法可以用于有源相控阵天线的维护和定期监测,可实时校正,简单易行。

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基于激光三角法的倾斜角测量系统篇2

在显微图像测量时,为获得全局完整的图像,通常将检测材料在显微镜下进行二维扫描来获取图像。在显微图像的子孔径扫描及对焦获取过程中,由于导轨的平面度误差和外界环境影响,导致被检测材料在2 µm空间内产生平移和倾斜。通常,被检测材料上的检测目标以万计,直径从几微米到几十微米。由于2 µm的移动已经达到检测目标的尺寸数量级水平,并且被检测材料的倾斜,使得检测目标图像变形,对显微图像精度产生了较大影响。为保证被检测材料检测装备获取准确的显微图像,要求系统能实时测量被检测材料的移动,并且能实时探测与补偿其转动角度[1]。

为了提高图像测量的精度,研究人员提出了各种不同的图像拼接方法[2],并探讨了影响图像拼接精度的各种因素。通常采用两种显微图像拼接方法。一种是frame-to-frame方法,尽管相邻图像的拼接精度较高,但微小的配准误差会产生图像拼接的累积误差。第二种方法通过建立图像拼接的全局配准模型,同时求解所有图像的配准参数以消除累积误差。这两种方法依赖于图像本身的特征进行配准,拼接模型通常比较复杂,目标函数的求解速度较慢,对于大规模显微图像拼接效率较低[3]。并且在显微图像的扫描过程中,由于导轨等硬件的运动精度和其它外界原因,光学成像系统会出现过焦、散焦、偏转、错位和倾斜等变化,导致显微图像的质量下降,使得后续的图像分割、分类、拼接与计数等工作难以保证精度[4]。针对发生偏转、错位的显微图像拼接,有研究者提出利用硬件的检测精度来实现无特征显微图像拼接[5]。针对过焦、散焦的显微图像,主要研究利用图像清晰度评价函数来实现精确聚焦[6,7];有研究者利用特殊设计的硬件直接测量光斑的变化,并且对过焦、散焦的显微图像进行实时补偿,提高图像处理精度和速度。还有研究者利用特殊设计的双光路直接测量尺寸,以减少外部因素的影响[8]。以上研究工作主要集中解决光学成像系统过焦、散焦、偏转、错位等变化对显微图像的影响。研究工作较少涉及到倾斜对图像的影响。

为了满足显微图像测量过程中对测量精度和速度的要求,本文分析了影响显微图像获取精度的外界因素。在此基础上,针对光学成像系统倾斜所导致显微图像的质量下降和变形问题,提出了一种用平行光改进传统的激光三角法的方法,检测光学成像系统倾斜角度和方向,对显微图像偏转进行实时补偿,消除光学成像系统倾斜所带来的图像的偏差,为后期显微图像的分析打下良好的基础。

1 倾斜角测量和补偿原理

1.1 激光三角法的改进

激光三角法是最常用的测量技术之一。其基本原理是:激光光束投射在平面镜上,被平面镜反射后,通过物镜在CCD上形成点光斑。随着平面镜变化,点光斑在CCD上的成像位置也在变化。通过计算CCD上点光斑位置,就可以计算出平面镜的偏转角度[9,10]。如图1 所示。

有两个因素会同时影响CCD上光斑的位置:第一个因素是平面镜的平移距离;第二个因素是平面镜的倾斜角。这两种因素都会影响平面镜的偏转角度。要区分这两种因素对光斑在CCD位置的影响是比较困难的。为了有效的利用激光三角法测量出平面镜的倾斜角,必须考虑这两种因素同时对光斑在CCD位置的影响,并且消除平面镜的平移带来的影响。

本文使用多束平行光束改进传统的激光三角法,消除平面镜的平移带来的影响,测量了平面镜倾斜角。改进的激光三角法原理如图2 所示。它由两束平行光束组成,并在CCD上形成了两个光斑。

图2(a)表示两束平行光束在平面镜上反射后在CCD上形成了两个光斑。l是两束平行光束之间的距离。点A和B分别是两束光束在平面镜上的反射点。为了能够清楚的讨论平面镜平移和转动角对光斑位置的影响,分别讨论平移和转动单独发生时的光斑位置。图2(b)表示当平面镜仅仅发生平移时在CCD上虚拟光斑的位置,分别是a1和a2。两个光斑之间的距离为(a2–a1)。图2(c)表示平面镜仅仅发生转动时光斑的位置。当平面镜以A点为中心转动角度 β 时,两束光束在平面镜上的反射点分别是点A和B′,在CCD上形成的光斑分别是b1和b3。当平面镜以B点为中心转动是角度 β 时,反射点B处的光束在CCD上形成的光斑是b2。图2(d)表示平面镜同时发生平移和转动时在CCD上形成的实际的光斑位置。当平面镜平移Δx,并且以A点为中心转动角度 β 时,两束光束在CCD上形成的光斑分别是b1和b3。其它3 个光斑的意义如前所示。由图2 可知,平面镜的旋转角的变化使得两束激光光束在平面镜入射点发生了变化,入射点的变化又导致了在CCD上两个光斑间距离的变化。通过分析改进激光三角法对光斑的影响效果,可以获得如下两个特殊的结论。

图 2 平面镜运动及改进原理 (a) 平行光；(b) 平移；(c) 转动；(d) 平移和转动 Fig.2 Plane mirror moving and improved principle. (a) Parallel light；(b) Translation；(c) Rotation；(d) Translation and rotation

第一个是关于平面镜的平移。平面镜平移主要是使光斑整体同时平移。平面镜平移距离Δx导致了CCD上的两个光斑产生整体的位移。在这种平面镜平移的情况下,设两个光斑的整体位移量是Δh1;

第二个是关于平面镜的旋转。当平面镜以A点为中心转动角度 β 时,平面镜的旋转不仅使光斑整体同时平移,而且还影响两个光斑之间的距离变化。这是因为平面镜的旋转角的变化使得两束激光光束在平面镜入射点发生了变化。入射点的变化使得CCD上两个光斑之间距离发生变化。两个光斑之间距离的变化反映了被测平面镜倾斜角度 β 变化。在这种平面镜旋转的情况下,设两个光斑的整体位移量是Δh2,两个光斑之间的距离的变化量是Δb。

因此,只要测量两个光斑在CCD上的坐标值,就能计算出平面镜倾斜角度。

根据图2所示光学几何关系,可以得出平面镜倾斜角β和两个光斑之间的距离的变化量Δb之间关系。

当平面镜分别以反射点A和B为中心旋转同一角度β时,两束光分别获得光斑b1和b2。可以得出:

当平面镜以反射点A为中心旋转角度 β 时,两束光可获得光斑b1和b3。可以得出:

由式(1)和式(2),我们能够得到:

在此,(a2–a1)的值是平面镜产生平移时两个光斑之间的距离(即两个光斑质心坐标之差值)。如果平面镜仅仅只有平移,那么这个值是不变的。(b3-b2)的值是平面镜以点A为中心旋转角度 β 时两个光斑之间距离的偏差。可以得到如下公式:

因为平面镜旋转角 β 非常小,sinβ 可以近似等于 β。可以得到如下公式:

由以上可以知道两个光斑的整体平移距离包括两个部分:Δh1和Δh2。而且,只要计算这两个光斑在CCD上的位置,就能够计算出平面镜的倾斜角。

1.2 测量系统设计

多光斑光学测量系统检测光路主要由激光发射器、立方体分光镜、1/4 波片、扩束镜、双楔镜、聚焦镜、CCD相机等构成。多光斑检测光路如图3 所示。

多光斑激光三角法的主体是一套多光斑光学测量系统。主要是利用两块重叠的楔镜(两块楔镜一端端部部分重叠)对经过准直扩束后的光束进行分束,形成四束相对固定位置的光束,然后同时经平面镜反射,在CCD上形成四个光斑。其检测光路主要由激光发射器、立方体分光镜、1/4 波片、扩束镜、双楔镜、聚焦镜、CCD相机等构成。激光器发射的640 nm波长激光束通过立方体分光镜、1/4 玻片、扩束镜,最后透过楔镜分为四束光,分别投射在标准反射镜上。激光光束在标准反射镜表面发生反射,反射光再次通过楔镜、扩束镜和1/4 玻片后,透过分光镜转向,通过聚焦镜投射到CCD相机上,产生四个光斑。当放置在平面x′y′反射镜绕x′旋转时,CCD上光斑沿着x轴移动;当反射镜绕y′旋转时,CCD上光斑沿着y轴移动。通过测量CCD光斑沿着x轴移动位移可以计算反射镜旋转角度。在测量光路设计中利用分光镜的透过和反射光,使得四束光束能反射到CCD上。旋转1/4 波片时能消光,使得CCD上的光斑不会饱和,影响测量精度。激光器出射的光有发散角,经过扩束及准直以后才使用。

1.2.1 利用楔镜形成多光束的测量光路

光束两次通过楔镜的测量光路原理如图4 所示。因为楔镜折射棱角α很小,当光线的入射角很小时,出射角也很小,偏向角满足:

式中n为光楔的折射率。

图4 中,β 是平面镜绕X轴的转角。因为平面镜是在三维空间中运动,设平面镜绕Y轴的转角是 γ。角度 γ 的计算和 β 是基于相同的光路,计算方法是一致的。下面以 β 的计算为例推导其计算方法。

根据图中的几何关系,可以计算出出射线和水平线之间的夹角α1。

当反射镜垂直时:

当反射镜顺时针旋转角度 β 时:

为了获得四束光束,将两块楔镜的部分重叠(两块楔镜一端端部部分重叠),对经过准直扩束后的光束进行分束后,形成四束光束。这四束光束在空间位置上有微小的夹角,不完全平行。在后期的实验过程中,应该对光路推导的公式进行标定,以减少其带来的误差。

1.2.2 多光斑检测光路数学模型

扩束筒由两个薄透镜组成,设大透镜和小透镜焦距分别为f1和f2,CCD相机前安放聚焦镜,焦距为f3。设在CCD上,两个光斑之间的距离设为b,则b=b3-b1。根据光学系统的几何关系,可得:

对b和 α1求微分可得:

由式(8)和式(10)可得:

1.3 光斑图像处理流程

光斑图像处理流程如图5 所示。为了减少噪声对激光光斑质心检测的影响,使用多帧平均和PGF(Peer Group Filtering)算法滤除噪声。PGF算法先将滤波窗口中邻域像素按照与中心像素特征距离按序排列,再通过fisher判别中心像素特征值最相近的点,确定同组成员;然后用同组成员像素的加权特征值代替原来中心像素特征值。PGF能很好地滤除噪声,又保护图像的边缘信息,有利于光斑质心的求解。使用在显微图像处理中效果较好的OTSU算法进行图像分割,将光斑从背景中分割出来。由于光斑比噪声要大,所以按面积排序后,去掉杂质,得到光斑。最后,利用灰度重心法获得光斑的质心。

2 实验及结果分析

基于改进的三角测量法,设计制造了一套二维移动实验装置如图6(a)所示。在图6(b)和图6(c)中,给出了两幅运动前后的CCD上四个光斑的图像。

多光斑光学测量系统安装在二维移动台上,能实现二维运动。在运动中,因为导轨的平面度误差,光学测量系统会产生倾斜。当CCD上光斑沿着x轴移动时,计算两个x方向光斑间距偏差Δbx,由前面得到的公式计算光学测量系统倾斜 β;同理可计算在y轴方向的光斑间距偏差Δby和倾斜 γ。在二维移动台前安装一块精度为 λ/10 的光学元件作为平面反射镜。进行三组测试,每组测试移动6 次。以起始点为基准,得到6 个光斑间距偏差的测量值。测量结果如图7 所示。

由图7 中可以得出,在多次测量过程中,对同一点测量的重复度较高。当显微图像倾斜±20 μrad内的角度变化时,误差为±5 μrad。造成误差的原因主要是采用重心法提取光斑质心的时候,由于光路调整和衍射造成光斑不是圆的,有拖尾现象等问题,给光斑质心的准确提取造成了一定的误差。

结束语

针对光学成像系统倾斜所导致显微图像的质量下降和变形问题,研究并构建了基于多光斑的激光三角法光路测量系统,能够完成光学成像系统倾斜角度和方向。并建立了反射镜旋转角度 β 与在CCD上两个光斑之间的距离的变化量Δb之间的数学关系。能够在误差为±5 μrad内对显微图像偏转进行实时补偿,消除光学成像系统倾斜所带来的显微图像的偏差。该方法可以应用在固体核径迹检测、平板显示器检测、面型检测等要求检测小角度的领域。

摘要：显微测量中倾斜会导致显微图像的变形。本文利用多光束改进传统的激光三角法,提出一种多光斑激光三角法检测光学成像系统倾斜角度和方向。首先利用双楔镜分离扩束后的激光光束,形成近似平行的四束光束;然后将四束光束同时投射到平面镜上,反射后利用CCD接收到四个光斑。由于四个光斑间距的变化只与成像系统倾斜角度有关,对成像系统前后的平移不敏感,因此避免了平移带来的影响。通过计算四个光斑间距的变化可以补偿成像系统倾斜角度,减少倾斜所带来的图像变形。实验结果表明,构建的多光斑激光三角法测量光路能够准确快速的检测出倾斜角度变化。该方法可以应用在固体核径迹检测、面型检测等要求检测小角度变化的领域。

关键词：光学检测,激光三角法,光斑

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激光矢量测量法篇3

目前, 国内外对于光通信中激光发散小角度的测量涉及到的方法五花八门, 这些方法或多或少都存在着一定的缺陷和不足。对比这些不足, 国内外专业研究人员在基于原本测量法的基础上, 依据透镜和光束的特点, 进行了此类的大量实验工作, 最终提出了具有可行性的远场焦斑测量法。这种测量法在激光发散小角度的测量方面不仅满足了空间光通信的需求, 还能在半导体激光器的准直方面发挥出良好的效果。

1 空间光通信现状概述

关于空间光通信的研究始于七十年代, 因其所独有的优点, 引起了在国内外光通信研究工作方面的高度重视。

美国是世界上第一个研究星际光通信的国家。最早的光通信实验中, 星际之间的通信距离能长达数万公里。在1995年, 一次重要的光通信实验成功的完成了有关光通信方面的地面、ETSVI实验的大胆尝试, 证明了激光链路在星际和地面之间能够互通的可行性。我国对于此方面的研究起步稍微晚了一些, 到了90年代左右, 才将光通信系统的研究转向卫星的通信方面。目前, 我国在光通信技术研究方面和系统的改善方面还存在着一些难以避免的缺陷, 最典型的就是基础设施不如他国、科研方法不够全面等等。

2 空间光通信的具体系统结构、原理

2.1 发射机与接收机

空间光通信系统中最为重要也是最为核心的两个部分就是发射机和接收机, 其具体包括探测放大功能装置、接收天线以及调制解调器。对于这三个小部分来说, 发射机最主要的任务就是用信息实现对光源进行调制的工作, 再利用天线将所承载的含带信息的激光束发射出去, 至于接收机最主要的功能就是用来接收信号光束, 从而完成电和光之间的转换, 最终利用放大解调的功能将通信任务的整套流程完成。

2.2 半导体激光器

大气因素是影响光通信的重要因素之一, 所以在进行光通信的时候要充分考虑到一些特定的额性能。当前阶段, 能够适合于光通信系统中的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器。这三种激光器中, 综合性能来说, 在光电通信中多数使用半导体激光器, 主要是因其具有转换效率十分高、所占空间较小、能够直接进行调制以及成本费用十分低等诸多优点。

2.3 捕获、对准、跟踪 (综称APT) 系统

激光通信从根本上来说是一种近似于从点到点的通信, 这也是它区别于微波通信的特点, 所以在对接收机进行光束的发送时一定要考虑到是否准确到达接收探测器上的问题。APT系统主要由信号模、控制计算机与接口、数转换与处理、控制校正网络、信号模模转换、信号模处理、伺服驱动单元、伺服电机组和反馈控制机构等部分。

进行空间光通信工作时, 必须要尽可能地考虑到信道衰减以及诸多干扰因素的存在, 与此同时, 还要保证在通信的时候保密性要十分强以及传输码率要很高才行。根据空间信道随时的不同实际情况, 对于APT控制系统可以做出不断的调节以适应不同条件的变化。

2.4 空间光通信系统工作原理

信号在经过数字的基带调节器后会通过功率驱动电路致使激光器发射光束, 这样一来, 带有信息的光束就利用光学发射天线将其发射了出去。在接收机进行接收工作时, 收集到的通过接收天线过滤的光信息就会自动在光电探测器上聚集, 从而实现信号之间的转换, 最终在放大的同时探测出其中能够被加以利用的有效信息, 通过解调电路就能将之还原成为一种有效的基带信号了。在整个运行的过程中, 瞄准和跟踪子系统都会自动进行两端光束的跟踪、瞄准以及捕获等工作。

3 发散小角度与远场焦斑测量法

3.1 发散角

一般来说, 在输出境周围获得的激光类光斑我们都可以将其称之为“近场图样”, 在激光器输出境比较远的位置获得的激光光斑就称之为“远场图样”。

3.2 远场焦斑测量法

焦斑测量法也是满足远场的条件的。在激光束经过长焦距透镜时, 可设焦距为f, 对于焦斑直径的测量就可直接在其焦平面上得到, 所以此时的远场发散角就是[3]:θ=D/f。由此可见, 焦斑直径是远场焦斑测量法测量的关键所在。

3.3 焦斑半径

在标准认可的光束宽度的测量中, 一般很少使用针孔装置的方法, 因为针孔装置会引起很大的束宽差。至于狭缝扫描装置方面的要求就是当宽度是被测量的光束宽度的十分之一或者十分之一以下的时候才不致于造成偏差较大的结果。CCD本是一种探测传感器, 其主要优点就是能够将整个光斑点轮廓都显示出来, 从而应用在测量脉冲激光方面, 这就在很大程度上简化了传统测量的繁复, 通过计算机技术对数据进行处理以及控制使得测量的精确度得到了巨大的提升。实验装置原理见图1。

A代表半导体激光器、L代表聚焦透镜。焦斑所在的位置是在分束板所在处, 光束经过聚焦之后经过光束板的时候就会自动分离成两道垂直的光, 就会照在两个垂直方向x、y的CCD探测器上, 再由CCD探测器发出能够被光信号所调剂的脉冲信号, 利用计算机控制与图像处理所采用的采集系统, 经过一系列转换之后就会把数据发送给计算机令其自动处理, 将测试后的结果再打印出来就完成了整个过程。图2所表示的就是光斑在探测器上的位置。

4 远场焦斑测量法的结果和误差分析

使用远场焦斑测量的方法对光斑的尺寸进行测量时, 设定在实验中的透镜焦距为1M, 再通过实验中聚焦光斑测量的公式, 即可得到激光发散角与焦斑尺寸的类比数据。经过对数据进行比较和分析以后, 初步估计造成误差的因素主要有: (1) 定位聚焦的位置导致的一定偏差; (2) CCD探测器上有限分辨率所造成的误差; (3) 功率的波动所造成的误差; (4) CCD探测器上暗电流形成的一定误差。

根据四项误差数据值, 就能够计算出实验带来的总的误差。依照ISO国际标准的误差规定, 此测量方法所引起的误差完全小于规定的最大误差, 充分说明其具有可行性。

5 结语

从远场焦斑测量法的提出到对其原理进行分析探讨, 再到一系列的实验与测量, 这些都表明对于远场发散小角度的测量采用远场焦斑法是足够具有可行性的。而且这种方法还具有以下几个优点:实现了远场发散角的测量、减少了衍射效应在影响束宽测量时造成的偏差。

参考文献

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[2]翟超, 武凤, 杨清波, 谭立英, 马晶.自由空间光通信中大气光束传输数值模拟研究[J].中国激光, 2013 (05) .

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