專利名稱：一種用于測量指向掃描鏡角速度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及角速度的測量裝置及方法，具體是指一種用于航天航空遙感儀器中的指向掃描鏡的角度轉(zhuǎn)速測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
在航天航空領(lǐng)域，指向掃描鏡是對地觀測載荷的重要組成部分。這些載荷往往都是通過指向鏡的低速連續(xù)掃描來獲得高質(zhì)量的遙感圖像，因此能否精確測量指向掃描鏡的角速度就顯得尤為重要。
傳統(tǒng)的測量低速指向掃描鏡角速度的方法一般是基于激光準直和面陣CCD來實現(xiàn)的，基本原理如圖1所示。固定激光器的出射方向，當指向掃描鏡轉(zhuǎn)過θ時，反射光線轉(zhuǎn)過2θ。由電機控制滾軸帶動CCD跟蹤出射光線，這樣快速檢測CCD的讀出信號就可以反演出指向掃描鏡的角速度。此種裝置的測量精度與CCD的幀頻和滾軸精度有關(guān)，如果要得到1″的精度，必須采用大面陣科學級CCD和高精度的步進電機，成本極高，而且面陣CCD的驅(qū)動和信號處理都很復雜。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述的測量裝置存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的指向掃描鏡角速度測量裝置及方法。
本發(fā)明的指向掃描鏡角速度測量裝置包括光學部分和電子學部分。
光學部分由直角反射鏡和二塊分光鏡組成。
電子學部分由激光器、單元光電探測器、信息處理模塊組成。
所說的指向掃描鏡是固定在轉(zhuǎn)軸上的，鏡面與轉(zhuǎn)軸軸向平行，轉(zhuǎn)軸由電機控制。
所說的直角反射鏡由兩相互垂直的平面反射鏡組成，兩反射鏡相交的棱邊固定在指向掃描鏡的轉(zhuǎn)軸上，棱邊處于轉(zhuǎn)軸同軸方向，直角反射鏡與指向掃描鏡夾角固定。
所說的信息處理模塊由依次成電路連接的前置放大器，濾波電路，A/D變換，數(shù)據(jù)格式器和PC機組成。數(shù)據(jù)格式器由大規(guī)?？删幊炭刂破鰿PLD和兩個靜態(tài)存儲器SRAM組成，它是利用CPLD控制兩個緩存SRAM進行乒乓讀寫切換，實現(xiàn)數(shù)字信號流的連續(xù)傳輸來提高電路效率。PC機內(nèi)存有數(shù)字信號反演出指向掃描鏡的運動角速度軟件。
探測器與前置放大器成電路連接。
激光器發(fā)出的光束以45°入射第一分光鏡，由第一分光鏡分為透射光束X和反射光束Y，反射光束Y再以45°入射第二分光鏡，經(jīng)第二分光鏡反射，由探測器接收。透射光束X經(jīng)隨指向掃描鏡同步轉(zhuǎn)動的直角反射鏡反射，再經(jīng)第二分光鏡透射，由探測器接收。探測器接收到的信號輸入信息處理模塊處理。
本發(fā)明的指向掃描鏡角速度測量方法的具體步驟如下1.固定直角反射鏡與指向掃描鏡的位置，即固定直角反射鏡與指向掃描鏡的夾角。使直角反射鏡兩反射面相交的棱邊固定在轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同軸，固定方法可采用膠接，也可采用螺接。
2.光路調(diào)整打開激光器，轉(zhuǎn)動指向掃描鏡，調(diào)整第一分光鏡和第二分光鏡的位置，觀察激光器的出射方向，如果該光束隨著指向掃描鏡的轉(zhuǎn)動方向不變化，說明第一分光鏡和第二分光鏡的位置已經(jīng)調(diào)整好。
3.打開信息處理模塊和探測器，啟動指向掃描鏡的電機，指向掃描鏡開始轉(zhuǎn)動，PC機開始記錄光電探測器探測到的，經(jīng)信息處理模塊處理得到輸出信號，記錄的信號是已經(jīng)經(jīng)過格式編排的數(shù)字信號，再由PC機內(nèi)存有的數(shù)字信號反演出指向掃描鏡的運動角速度軟件處理得到指向掃描鏡的角速度值。
本發(fā)明有如下有益效果1.本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。對于相同的測量精度要求，實現(xiàn)本發(fā)明的成本相對于傳統(tǒng)CCD測量裝置大幅降低。
2.本發(fā)明的測量裝置，對不同用途的低速指向掃描鏡的角速度測量都適用。


圖1傳統(tǒng)測量裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明的測試裝置原理圖。
圖3為指向掃描鏡和直角反射鏡的連接示意圖。
圖4為本發(fā)明的光程差計算分析圖。
圖5是反演算法模擬探測器輸出信號模擬示意圖。
圖6是信號處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是PC機內(nèi)存有的軟件流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明本發(fā)明的測量裝置如圖2所示，被測指向掃描鏡1與其轉(zhuǎn)軸3是軸向固定的，鏡面與其轉(zhuǎn)軸軸向平行，轉(zhuǎn)軸由電機控制。直角反射鏡2由兩塊相互垂直的平面反射鏡組成，兩反射鏡相交的棱邊固定在轉(zhuǎn)軸3上，與轉(zhuǎn)軸同軸，它與轉(zhuǎn)軸3固接方式可以是膠接，也可以是螺接。因此，直角反射鏡與指向掃描鏡的夾角是固定的。
激光器7發(fā)出的光束以45°入射第一分光鏡4，由第一分光鏡分為透射光束X和反射光束Y，反射光束Y再以45°入射第二分光鏡5，經(jīng)第二分光鏡反射，由探測器6接收。透射光束X經(jīng)隨指向掃描鏡而轉(zhuǎn)動的直角反射鏡2反射，再經(jīng)第二分光鏡5透射，由探測器接收。
由于光束Y的光程是固定不變的，光束X隨指向掃描鏡的轉(zhuǎn)動而變化，因此探測器接收到的是二束發(fā)生干涉的強度交替變化的信號。本發(fā)明就是利用二束發(fā)生干涉的光束信號對指向掃描鏡的轉(zhuǎn)速進行測量的。
二束發(fā)生干涉的光束光程差計算分析見圖3，通過轉(zhuǎn)軸點O做一條垂直于入射和出射光線的直線MN，我們令|MO|＝b，|NO|＝a，那么根據(jù)θ2是轉(zhuǎn)動前的入射角，θ1為轉(zhuǎn)動后的入射角，由幾何關(guān)系可以得到兩者光程差L為(AB+BC)-(AD+CD)。分別計算這四段距離得到AB=asin(θ1-θ2)1cos(θ1)cos(θ2),...(1)]]>CD=bsin(θ1-θ2)1cos(θ1)cos(θ2),...(2)]]>BC=(a+b)sin(2θ1),...(3)]]>AD=(a+b)sin(2θ2),...(4)]]>根據(jù)光學干涉理論，當兩束相干光的光程差為波長整數(shù)倍的時候，獲得干涉極大值，當光程差為半波長的奇數(shù)倍時，獲得干涉極小值。如果L＝mλ(m為整數(shù))，那么光電探測器將探測到由于干涉產(chǎn)生的m個信號最大值和m個信號最小值，由于被測指向掃描鏡的轉(zhuǎn)速是極低的，探測器將會得到最大最小值是交替連續(xù)變化的類似于正弦波形。這里有一點是值得說明的，圖3中a和b的大小是一定相等的，這點很容易證明。
舉例計算a＝b＝0.05m，起始光束入射角θ2＝20°，轉(zhuǎn)動角度Δθ＝θ1-θ2＝0.01°θ1＝20.01°，波長取λ＝0.6gμm，得到AB＝9.88333082577×10-6m，CD＝7.45651338489×10-5m，AD＝0.155572382686m，BC＝0.155507700883m，L＝1.2936360604631×10-4m；我們可以得到m＝L/λ≈190，也就是說，在起始入射角為20°的時候，如果系統(tǒng)轉(zhuǎn)動0.01°，那么在探測器上反映出來的信號將會是出現(xiàn)約190個干涉最大值和干涉最小值。
我們假設(shè)指向掃描鏡的轉(zhuǎn)動角度范圍是θ2→θ1(θ1≥θ2)，θ2，θ1分別是透射光束X先后相對直角反射鏡的入射角。假設(shè)由于指向掃描鏡的角度微小變化Δθ(入射角θ2變化到θ2+Δθ)而導致光程變化正好為一個波長，ΔL＝(AB+BC)-(AD+CD)＝λ，我們得到函數(shù)解析式為asin(Δθ)cos(θ2+Δθ)cos(θ2)+a+bsin(θ2+Δθ)-a+bsin(θ2)-bsin(Δθ)sin(θ2+Δθ)sin(θ2)=λ...(5)]]>上式中，a，b，θ2，λ都是預先確定的量，我們要求取得就是Δθ，上面的方程要求出解析解是很困難的，但是利用軟件求出其數(shù)值解是可以做到的。例如利用matlab數(shù)學軟件，取θ2＝20°，a＝b＝5cm，λ＝680nm，可以得到Δθ＝0.18936″。
同樣，由于指向掃描鏡角度的連續(xù)變化，在入射角為θ2+Δθ變化到θ2+Δθ+Δθ′的光程差也為λ，我們可以列出一個如同上述方程，由于θ2+Δθ我們已經(jīng)算出來了，所以可以得到Δθ′的值。我們把上面計算得到的Δθ用(Δθ)1來表示，Δθ′用(Δθ)2來表示。如果有Lθ1-Lθ2=nλ]]>(這里的n可以取整數(shù))，我們依次類推下去，我們就可以得到(Δθ)1，(Δθ)2……(Δθ)n的值。在實際的測試過程中，(Δθ)1，(Δθ)2……(Δθ)n是預先計算存入計算機的。
圖4是反演算法模擬探測器輸出信號模擬示意圖，如圖4所示，每個谷峰對應一個干涉極大值，每個谷底對應一個干涉極小值。而且通過上面的分析可以知道，每兩個尖峰之間所對應的光程差是λ，對應的指向掃描鏡的角度轉(zhuǎn)動依次為(Δθ)1，(Δθ)2……(Δθ)n。t0，t1，t2……tn-1，tn是每次發(fā)生干涉極大值的時刻信息。這樣我們就可以得到指向掃描鏡從θ2→θ1(θ1≥θ2)的角速度信息。計算公式如下。
ωt1=(Δθ)1t1-t0;]]>ωt2=(Δθ)2t2-t1;]]>ωt3=(Δθ)3t3-t2;]]>

ωtn-2=(Δθ)n-2tn-2-tn-3;]]>ωtn-1=(Δθ)n-1tn-1-tn-2;]]>ωtn=(Δθ)ntn-tn-1;...(6)]]>t0，t1，t2……tn-1，tn可以通過對光電探測器輸出信號采樣，計算每兩個谷峰之間的脈沖個數(shù)得到。我們假設(shè)待測系統(tǒng)的角速度ω＝0.35°/s并且是勻速的，取t0＝0，利用前面計算得到的結(jié)果(Δθ)1＝0.18936″，得到t1＝(Δθ)1/ω＝1.5×10-4s，下表列出了不同A/D采樣頻率下在第一個波形內(nèi)的采樣點個數(shù)。

目前市場上能夠買到的晶振時鐘精度優(yōu)于0.1μs，轉(zhuǎn)化速度達到MHz的A/D芯片也很容易得到，參看圖4，在兩個谷峰間采樣大于500個點完全能恢復處模擬信號，并根據(jù)所占時鐘個數(shù)的多少得到t0，t1，t2……tn-1，tn時間信息，所以上面的計算方法完全是可行的，通過上面的舉例計算，測量系統(tǒng)的精度可以達到角秒級。
圖7給出了PC機內(nèi)存有的數(shù)字信號反演指向掃描鏡運動角速度程序的軟件流程圖。其中初始角度信息(Δθ)1，(Δθ)2……(Δθ)n是根據(jù)指向掃面鏡轉(zhuǎn)動范圍θ2→θ1(θ1≥θ2)計算后存入PC機的，經(jīng)過信息處理模塊得到的數(shù)字信號也作為初始條件存入PC機。圖7中用Δt表示處理模塊中A/D芯片的采樣時鐘周期，T表示信息處理模塊總的處理時間，初始化時間信息t0＝0，這樣就可以通過軟件計算得到各個時間信息ti處的角速度信息ωi。在后續(xù)處理中，儲存ωi做為y坐標，時間信息ti為x坐標就可以繪制指向掃描鏡的角速度曲線。
另外一點值得說明的是，我們可以根據(jù)需要來調(diào)整直角反射鏡與待測轉(zhuǎn)動鏡的夾角，也就是說，就算待測試系統(tǒng)的角度轉(zhuǎn)動范圍有所變化，我們可以仍然可以保證初始入射角θ2不變化，做到數(shù)據(jù)可重復使用。
權(quán)利要求
1.一種用于測量指向掃描鏡角速度的裝置，包括光學部分和電子學部分，其特征在于光學部分由直角反射鏡和二塊分光鏡組成；電子學部分由激光器、單元光電探測器、信息處理模塊組成；所說的指向掃描鏡(1)是固定在轉(zhuǎn)軸(3)上的，鏡面與轉(zhuǎn)軸軸向平行，轉(zhuǎn)軸由電機控制；所說的直角反射鏡(2)由兩相互垂直的平面反射鏡組成，兩反射鏡相交的棱邊固定在指向掃描鏡的轉(zhuǎn)軸(3)上，棱邊處于轉(zhuǎn)軸同軸方向，直角反射鏡與指向掃描鏡夾角固定；所說的信息處理模塊由依次成電路連接的前置放大器，濾波電路，A/D變換，數(shù)據(jù)格式器和PC機組成；數(shù)據(jù)格式器由大規(guī)?？删幊炭刂破鰿PLD和兩個靜態(tài)存儲器SRAM組成；PC機內(nèi)存有數(shù)字信號反演出指向掃描鏡的運動角速度軟件；探測器與前置放大器成電路連接；激光器(7)發(fā)出的光束以45°入射第一分光鏡(4)，由第一分光鏡分為透射光束X和反射光束Y，反射光束Y再以45°入射第二分光鏡(5)，經(jīng)第二分光鏡反射，由探測器接收；透射光束X經(jīng)隨指向掃描鏡同步轉(zhuǎn)動的直角反射鏡(2)反射，再經(jīng)第二分光鏡(5)透射，由探測器接收。
2.一種利用上述測量指向掃描鏡角速度裝置的測量方法，其特征在于具體步驟如下A.固定直角反射鏡(2)與指向掃描鏡(1)的位置，即固定直角反射鏡與指向掃描鏡的夾角，使直角反射鏡兩反射面相交的棱邊固定在轉(zhuǎn)軸(3)上，與轉(zhuǎn)軸同軸，固定方法可采用膠接，也可采用螺接；B.光路調(diào)整打開激光器，轉(zhuǎn)動指向掃描鏡，調(diào)整第一分光鏡(4)和第二分光鏡(5)的位置，觀察激光的出射方向，如果該光束隨著指向掃描鏡的轉(zhuǎn)動方向不變化，說明第一分光鏡和第二分光鏡的位置已經(jīng)調(diào)整好；C.打開信息處理模塊和探測器(6)，啟動指向掃描鏡的電機，指向掃描鏡開始轉(zhuǎn)動，PC機開始記錄光電探測器探測到的，經(jīng)信息處理模塊處理得到輸出信號，記錄的信號是已經(jīng)經(jīng)過數(shù)據(jù)格式器編排的數(shù)字信號，再由PC機內(nèi)存有的數(shù)字信號反演出指向掃描鏡的運動角速度軟件處理得到指向掃描鏡的角速度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量指向掃描鏡角速度的裝置及方法，該裝置包括光學部分和電子學部分。光學部分由直角反射鏡和二塊分光鏡組成。電子學部分由激光器、單元光電探測器、信息處理模塊組成。光學部分將指向掃描鏡的微小角度變化轉(zhuǎn)化為激光光束干涉的強度信號，利用探測器將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過信息處理模塊的處理和PC機內(nèi)存有的反演軟件獲得指向掃描鏡的角速度。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)緊湊，裝調(diào)簡單，成本低廉，測量精度能夠達到角秒級，可以應用于航天，軍事等一些對角度測量精度要求極高的場合。
文檔編號G01S17/00GK1916640SQ20061003101
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者李春來, 王躍明, 劉銀年, 王建宇, 王欣, 張明, 謝仁飚, 張明濤, 朱磊, 吳剛, 陳小文 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所