劉海波，王 晶，劉召慶，胥青青，侯利冰

引言

光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)裝載于飛機、無人機、車輛、船舶等各類載體平臺上，旨在為光電傳感器提供穩(wěn)定的觀察平臺，從而最大限度地發(fā)揮光電傳感器的性能。觀察平臺的穩(wěn)定程度可以用穩(wěn)定精度來表示，即當(dāng)光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)處于擾動環(huán)境下，系統(tǒng)內(nèi)環(huán)殘余的擾動角即為光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度［1－3］。目前，在光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)領(lǐng)域中，穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度的測量方法主要有2種：1）測量處于擾動條件工作的平臺陀螺速度信號，通過對該信號進(jìn)行積分、統(tǒng)計等數(shù)據(jù)處理來求取穩(wěn)定精度指標(biāo)；2）采用平行光管模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，計算處于擾動中穩(wěn)瞄系統(tǒng)圖像上目標(biāo)的偏差，得到穩(wěn)定精度。這兩種方法人為因素較多，誤差量大，精度低［1－2］。隨著應(yīng)用市場對光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)精度要求的提高，傳統(tǒng)測量方法已經(jīng)逐步滿足不了系統(tǒng)測試的精度需求［4－5］。泰曼格林干涉儀是一種較為精密的測量儀器，經(jīng)常用于測量氣體和固體的折射率。本文分析了泰曼格林干涉儀的測量原理，結(jié)合穩(wěn)瞄系統(tǒng)的工作特點，提出了一種采用泰曼格林干涉儀測量光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度的方法，實驗結(jié)果表明其測量分辨率較高，可測量粗精二級穩(wěn)定系統(tǒng)的精度指標(biāo)［6－7］。

1 干涉儀測量原理

如圖1所示，泰曼格林干涉儀是邁克爾遜干涉儀的一種變型，在光學(xué)儀器制造工業(yè)中，常用這種儀器產(chǎn)生的等厚條紋對光學(xué)零件或光學(xué)系統(tǒng)作綜合質(zhì)量檢驗。它與原始的邁克爾遜干涉儀的不同點是，光源是單色點光源，它置于一個校正像差的透鏡L1的前焦點上，而從干涉儀射出的光用另一個校正像差的透鏡L2會聚，人眼（或CCD）則處在透鏡L2的焦點位置觀察（或接收）。由于泰曼格林干涉儀只使用單色光源，所以不需要邁克爾遜干涉儀中的補償板［8－9］。

圖1 泰曼干涉儀工作原理示意圖Fig.1 Operation principle diagram of Twyman－Green interferometer

調(diào)節(jié)圖1中參考反射鏡M和被測物，使參考反射鏡M與被測物嚴(yán)格正交，此時，成像CCD中形成一組干涉條紋。當(dāng)被測物體發(fā)生角擾動或平動時，由于光程差發(fā)生改變，成像CCD中的干涉條紋將發(fā)生移動，條紋的移動量與光程差Δ的變化存在對應(yīng)關(guān)系，亦即：

光程差Δ＝Nλ

式中：N表示干涉條紋的移動量；λ表示單色點光源的波長。

于是，通過監(jiān)測成像CCD中干涉條紋的移動量，可以計算出被測反射鏡產(chǎn)生的運動量。

2 基于干涉儀的穩(wěn)定精度測量方法

根據(jù)泰曼格林干涉儀的工作原理以及光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度的定義，提出采用泰曼格林干涉儀測量光電系統(tǒng)穩(wěn)定精度的方法，其測量原理如圖2所示。

圖2 利用泰曼干涉儀測量穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度原理示意圖Fig.2 Principle diagram for measuring stabilization precision of stabilized aiming system utilizing Twyman－Green interferometer

2.1 測試系統(tǒng)構(gòu)成與功能

穩(wěn)定精度測量系統(tǒng)由4個主要構(gòu)成單元：泰曼格林干涉儀、信息處理計算機、待測光電穩(wěn)定系統(tǒng)和振動平臺。圖2中，左側(cè)虛線表示泰曼格林干涉儀系統(tǒng)，其輸出進(jìn)入計算機進(jìn)行信息處理；右側(cè)的光電穩(wěn)定系統(tǒng)為被測物，放置于振動平臺上。

在光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的待測部件上安裝一平面反射鏡，安裝時通過光學(xué)校正裝置保證其法線與干涉儀平行光平行。為減少平動對干涉波的影響，一般可考慮將泰曼格林干涉儀放置在離被測系統(tǒng)2m以上的地方。

當(dāng)光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)工作在振動環(huán)境下時，導(dǎo)致光電系統(tǒng)的動不平衡［10］，使得穩(wěn)瞄系統(tǒng)相對干涉儀存在角運動和平動。這些運動信息通過干涉儀形成干涉波的運動，計算機通過干涉波運動的分析計算角運動信息，以此獲取系統(tǒng)穩(wěn)定精度。

2.2 測試系統(tǒng)測量原理

當(dāng)被測反射鏡由最初的垂直于參考反射鏡M發(fā)生微小的角運動和平動后，到達(dá)一個新的位置時，如圖2所示。一般考慮｜AB｜遠(yuǎn)大于r，則忽略平動r對測量結(jié)果的影響。設(shè)被測穩(wěn)瞄系統(tǒng)焦距為f，反射鏡長度為m，被測反射鏡偏轉(zhuǎn)角度θ，干涉儀將產(chǎn)生光程差：

由于光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)在振動環(huán)境下系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的微小振動量θ很小，因此可近似地將干涉儀的光程差表示為

當(dāng)干涉儀存在光程差時，干涉儀的干涉條紋將發(fā)生移動。根據(jù)干涉儀的工作原理有：

式中：N為移動的干涉條紋數(shù)；λ為所應(yīng)用光源的波長。

根據(jù)干涉條紋的移動量得到系統(tǒng)角運動與平動引起的被測平面鏡的移動量為H＝θm＝Nλ／2，則被測系統(tǒng)穩(wěn)定精度為w＝H／f。

2.3 測量圖形結(jié)果分析

圖3是采用泰曼格林干涉儀測量穩(wěn)瞄系統(tǒng)內(nèi)環(huán)俯仰方向穩(wěn)定精度的干涉圖結(jié)果。實驗采用的光源是波長為638.2nm 的單色激光［7－8］，圖像采集CCD的分辨率為600像素×800像素，單幀圖像的頻率為25Hz。采用Matlab軟件編寫程序，計算干涉圖像的干涉結(jié)果。

圖3 泰曼格林干涉儀測試圖Fig.3 Twyman－Green interference patterns

由程序計算可知，在圖3（a）、3（b）、3（c）、3（d）這4幅圖中，條紋依次移動半條，即ΔN＝，于是，反射鏡的變化量λ＝0.16μm。

當(dāng)干涉圖中的條紋移動量不是半條紋的整數(shù)倍時，計算機程序會計算條紋在成像CCD上移動的像素數(shù)，從而計算出反射鏡的偏移量。

3 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

構(gòu)建兩項實驗進(jìn)行驗證，其測試系統(tǒng)分別如圖4和5所示。圖4中試驗對象為FSM，F(xiàn)SM反射鏡的尺寸φ為25mm，精度為0.2μrad，帶寬為380Hz；圖5中試驗對象為某型光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品，試驗裝置采用波長為632.8nm的單色激光光源和ZYGO干涉儀。

圖4 系統(tǒng)驗證實驗原理圖Fig.4 Verified experiment principle diagram

3.1 快速反射鏡指向精度測試

圖4 中FSM接收計算機方波指令，幅值為1μrad，頻率為1.0Hz，干涉儀裝置中圖像采集系統(tǒng)的采樣頻率為1kHz，采樣時間為5s。通過監(jiān)控干涉儀回饋的角度信息，得到測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 系統(tǒng)驗證試驗實物圖Fig.5 Verified experiment physical graph

圖6 方位測試結(jié)果Fig.6 Azimuth test result

圖7 俯仰測試結(jié)果Fig.7 Pitch test result

由圖6可知，方位軸的運動中心位置在－0.5 μrad處，由圖7可知，俯仰軸的運動中心位置在0.4μrad處，因此兩軸的測量結(jié)果中心均不為0。同時可看到噪聲對應(yīng)的運動約為0.2μrad，這意味著該FSM最小可分辨運動角度應(yīng)不小于0.2μrad。

3.2 光電系統(tǒng)穩(wěn)定精度測試

按照原理圖2，將某型光電穩(wěn)定系統(tǒng)置于振動平臺上進(jìn)行穩(wěn)定精度測試。計算機采樣頻率為6 125Hz，采樣時間為2.6s，得到測試數(shù)據(jù)如圖8（a）所示。

對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析得到圖8（b）結(jié)果，可以看出角運動頻率主要集中在0～60Hz的低頻段和300Hz～400Hz的中頻段。

圖8 某型穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度分析圖Fig.8 Stabilization accuracy of stabilized sighting system

對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算得到穩(wěn)定精度：

式中：η代表系統(tǒng)穩(wěn)定精度；n代表采集的數(shù)據(jù)數(shù)量；Ai代表采集的第i個數(shù)據(jù)，i為整數(shù)；ˉA代表采集數(shù)據(jù)的平均值。

經(jīng)計算得到該被測穩(wěn)瞄系統(tǒng)的穩(wěn)定精度達(dá)10μrad。這一結(jié)果與產(chǎn)品定型測試結(jié)果高度一致，驗證了該測量方法的有效性。

5 結(jié)論

在分析泰曼格林干涉儀工作原理的基礎(chǔ)上，提出了基于干涉儀的穩(wěn)定精度測量方法，通過對FSM和光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品的實驗測量，驗證了測試系統(tǒng)對穩(wěn)定精度的測量精度達(dá)0.2μrad，并可實現(xiàn)穩(wěn)定精度為10μrad的穩(wěn)瞄產(chǎn)品的測試。

［1］ Xu Feifei，Ji Ming，Xie Jing，et al.Application of FSM in high accuracy line－of－sight stabilizartion system［J］.Journal of Applied Optics，2012，33（1）：10－13.

徐飛飛，紀(jì)明，解靜，等.FSM在高精度瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010，31（1）：19－22.

［2］ Xiang Shiming，Gao Jiaobo，Ji Ming，et al.Modern optic electro image technique［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2010，128－193.

向世明，高教波，焦明印，等.現(xiàn)代光電子成像技術(shù)概論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［3］ Ji Ming，Xu Peizhong，Xu Feifei.Development of optoelectroic system sforarmed［J］.Journal of Applied Optics，2010，31（1）：19－22.

紀(jì)明，許培忠，徐飛飛.武裝直升機光電系統(tǒng)發(fā)展與對策［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010，31（1）：19－22.

［4］ Ji Ming.Simulation and error analysis of the reflect mirror stabilization system［J］.Journal of Applied Optics，2000，21（5）：19－22.

紀(jì)明.反射鏡穩(wěn)定系統(tǒng)的仿真與誤差分析［J］.應(yīng)用光學(xué)，2000，21（5）：19－22.

［5］ Zhang Jingyue，JI Ming，Wang Huilin.Modeling and simulation of airborne stabilized sighting system［J］.Journal of Applied Optics，2006，27（6）：491－496.

張璟玥，紀(jì)明，王惠林.機載穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)模型及仿真分析［J］.應(yīng)用光學(xué)，2006，27（6）：491－496.

［6］ Fu Rongguo，Chang Benkang，Qian Yunsheng，et al.Optical axis collimation of the laser designation［J］.Optical Technique，2007，33（2）：41－43.

富容國，常本康，錢蕓生，等.激光指示器光軸調(diào)校技術(shù)［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33（2）：41－43.

［7］ Masten M，Hilkert J M.Electromechanical system configuration for pointing，tracking，and stabilization applications［J］.SPIE，1987，779：75－87.

［8］ Masten M.Inertially stabilized platforms for imaging optical systems［J］.IEEE CSM，2008，28：47－64.

［9］ Zhou Liwei，Liu Yuyan.Target detection and identify［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2002.

周立偉，劉玉巖.目標(biāo)探測與識別［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［10］Han Jun，Wang Jing，Chen Wenjian，et al.The study of the adjustment of the rotate multi－spectral multioptical axis［J］.Laser ＆ Infrared，2009，39（4）：415－416.

韓軍，王晶，陳文建，等.空間旋轉(zhuǎn)多光譜多光軸校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］.激光與紅外，2009，39（4）：415－416.