孫 煜，王學(xué)根，解英梅，賀永喜，姜 華

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在運(yùn)載火箭發(fā)射前，需按射向裝訂發(fā)射角，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)箭體或慣性器件，將制導(dǎo)系統(tǒng)中慣性器件的方位敏感軸調(diào)整到射向，通過(guò)精確測(cè)量，獲得慣性器件方位敏感軸與射向的偏差角，從而保證火箭發(fā)射后能按預(yù)定軌道精確飛行。但火箭在加注后或風(fēng)擺工況下，箭體會(huì)產(chǎn)生偏移，在瞄準(zhǔn)儀視場(chǎng)中觀察到目標(biāo)棱鏡偏移分劃板中心位置，或左右，或上下，準(zhǔn)直數(shù)據(jù)時(shí)常出現(xiàn)超過(guò)25″以上的數(shù)字跳變，偶爾還會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)據(jù)現(xiàn)象。這對(duì)于以準(zhǔn)直偏差角大小輸出準(zhǔn)直電流控制慣性器件轉(zhuǎn)動(dòng)的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)而言，會(huì)造成瞄準(zhǔn)精度超差或失控等較大風(fēng)險(xiǎn)。

CCD激光瞄準(zhǔn)儀作為運(yùn)載火箭瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主要設(shè)備，其瞄準(zhǔn)慣性器件上目標(biāo)棱鏡的準(zhǔn)直偏差角精度直接影響著火箭發(fā)射精度。目前所用CCD激光瞄準(zhǔn)儀，多采用半導(dǎo)體激光器作為準(zhǔn)直光源。半導(dǎo)體激光器具有單色性好、方向性好、高亮度、相對(duì)其它光源穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以及電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、可靠性高和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于光電測(cè)量領(lǐng)域[1]。但在以半導(dǎo)體激光器為準(zhǔn)直光源、CCD器件為接收器件的激光瞄準(zhǔn)儀實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)：在瞄準(zhǔn)準(zhǔn)直測(cè)量時(shí)，目標(biāo)方位未動(dòng)，但測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，時(shí)常出現(xiàn)超過(guò)5″以上的變化，而當(dāng)目標(biāo)棱鏡相對(duì)激光瞄準(zhǔn)儀平移（方位未發(fā)生變化）時(shí)，準(zhǔn)直偏差角度測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，影響系統(tǒng)準(zhǔn)直測(cè)量精度和功能。

本文將從通過(guò)對(duì)激光瞄準(zhǔn)儀準(zhǔn)直光束采取勻化措施從而提高系統(tǒng)準(zhǔn)直測(cè)量精度和對(duì)平移目標(biāo)的適應(yīng)性角度進(jìn)行分析和探討。

1 基于CCD的光電準(zhǔn)直原理

激光瞄準(zhǔn)儀選用 CCD器件作為準(zhǔn)直偏差角測(cè)量的光電轉(zhuǎn)換器件，以半導(dǎo)體激光器作為準(zhǔn)直光源，其光電準(zhǔn)直光路原理如圖1所示[2]。

圖1 CCD激光瞄準(zhǔn)儀光電準(zhǔn)直光路原理示意Fig.1 Light Prinicipe for the Collimation of the CCD Laser-Collimator A—反光鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；F—焦距；XL—光點(diǎn)移動(dòng)后的位置；X0—光點(diǎn)起始位置；L—光點(diǎn)移動(dòng)距離

由圖 1可以看出，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡成像在焦面上，經(jīng)分光棱鏡反射并通過(guò)物鏡變成一束擴(kuò)展的準(zhǔn)直光，如果平面反光鏡法線與主光軸平行，則其經(jīng)反光鏡后原路返回，匯聚在物鏡焦面上的CCD的X0處；當(dāng)平面反光鏡偏轉(zhuǎn)角度為A且A很小時(shí)，返回光點(diǎn)將匯聚在物鏡焦面上的CCD的 XL處，此時(shí)平面反光鏡的轉(zhuǎn)角 A可以用返回光點(diǎn)在物鏡焦面上的位移L來(lái)表示[3]。

計(jì)算公式為

式中 A為平面反光鏡偏轉(zhuǎn)角度；L為與轉(zhuǎn)角A相對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)在CCD上的偏移量，L = XL-X0，mm；f為物鏡焦距，mm。

CCD激光瞄準(zhǔn)儀是由多個(gè)等間隔的像感單元組成的光電陣列，如果知道單個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的角度值（通過(guò)預(yù)先設(shè)定得到），那么只要測(cè)量出光點(diǎn)移動(dòng)像感單元的數(shù)目就能精確計(jì)算出準(zhǔn)直偏差角，光點(diǎn)移動(dòng)量不足一個(gè)像感單元可采用細(xì)分計(jì)算。

半導(dǎo)體激光器出射的激光到達(dá)目標(biāo)棱鏡，經(jīng)棱鏡反射回到激光瞄準(zhǔn)儀，返回像點(diǎn)在CCD光敏面上形成一定寬度的光斑，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，形成如圖2所示的信號(hào)波形。

圖2 CCD輸出信號(hào)Fig.2 Output Signal of CCD

由于該波形占據(jù)一定的寬度且各像元對(duì)應(yīng)的電壓幅值不同，激光瞄準(zhǔn)儀通過(guò)計(jì)算光斑的重心位置完成光斑中心位置的確定，并采取一定的方法進(jìn)行細(xì)分處理，以得到較高精度的測(cè)量結(jié)果。計(jì)算公式為

式中 W為光斑重心在CCD上位置；I為AD轉(zhuǎn)換采集的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)序號(hào)，數(shù)據(jù)范圍為[1，N]；N為光斑覆蓋的CCD像元數(shù)；Vi為第i次AD轉(zhuǎn)換采集的視頻信號(hào)幅值；0V為噪聲幅值；0I為光斑在CCD像元的起始位置。

但在實(shí)際應(yīng)用中，CCD輸出信號(hào)不會(huì)如圖2所示，而是由于半導(dǎo)體激光器輸出光的發(fā)光點(diǎn)強(qiáng)弱不均，在通過(guò)外界光學(xué)元件變形加劇了返回光強(qiáng)的不均勻，導(dǎo)致CCD輸出信號(hào)如圖3所示，在主信號(hào)兩側(cè)存在毛刺。

圖3 以半導(dǎo)體激光器為準(zhǔn)直光源的CCD輸出信號(hào)波形Fig.3 Signal Figure of CCD Output with Collimation Light of Laser Diode

2 技術(shù)方案

2.1 激光準(zhǔn)直技術(shù)現(xiàn)狀分析

半導(dǎo)體激光器通常由多個(gè)半導(dǎo)體激光發(fā)光單元（Emmitter）通過(guò)陣列疊加而成[4]，由于半導(dǎo)體激光器采用非對(duì)稱(chēng)激活通道，其有源區(qū)在豎直方向和水平方向的孔徑約束大小不一樣，因衍射等原因?qū)е赂咚构馐臻g分布的不對(duì)稱(chēng)。在快軸方向上發(fā)散角一般在20～40°，光束質(zhì)量接近衍射極限，為基橫模高斯分布；在慢軸方向上，發(fā)散角一般在8～15°，為多模厄米-高斯分布型[5]，發(fā)光點(diǎn)在空間分布稀疏，輸出光能量不集中，光束質(zhì)量很差，光強(qiáng)分布不均，如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體激光器輸出光束能量分布示意Fig.4 Distributing of Light Beam Energy Exported by Laser Diode

激光瞄準(zhǔn)儀將半導(dǎo)體激光器輸出光束通過(guò)兩組正透鏡后，作為準(zhǔn)直光源，匯聚到焦平面處，光路如圖5所示，光斑呈橢圓高斯型，且光強(qiáng)不均，如圖6所示。

圖5 激光瞄準(zhǔn)儀準(zhǔn)直光源光路示意Fig.5 Collimation Light Path of the Laser-collimator

圖6 半導(dǎo)體激光器組件出射光束能量分布示意Fig.6 Light Beam Energy Distributing Exported by Laser Diode Subassembly

這樣的光斑經(jīng)激光瞄準(zhǔn)儀系統(tǒng)后，形成如圖7所示直徑為65 mm出射光束，肉眼可以清晰看出激光瞄準(zhǔn)儀出射光束分布不均勻。用照度計(jì)檢測(cè)光束上下左右光強(qiáng)分布，結(jié)果如圖8所示，邊緣最低光強(qiáng)僅為中心部位的23%左右。

圖7 經(jīng)整形后激光瞄準(zhǔn)儀出射光束能量分布示意Fig.7 Shaping Light Beam Energy Distributing Exported by Laser-collimator

圖8 激光瞄準(zhǔn)儀出射光束光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)（光強(qiáng)單位Lx）Fig.8 Data of the Light Beam Energy Distributing Exported by Laser-collimator (Light Power Unit Lx)

由于光強(qiáng)分布不均，激光光斑經(jīng)目標(biāo)棱鏡返回后，在CCD輸出信號(hào)波形上存在尖峰毛刺，如圖3所示。

但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因目標(biāo)棱鏡差異，當(dāng)不均勻的激光束經(jīng)目標(biāo)棱鏡返回到激光瞄準(zhǔn)儀后，CCD器件輸出信號(hào)波形如圖9所示；當(dāng)目標(biāo)棱鏡發(fā)生平移時(shí)，覆蓋在目標(biāo)棱鏡上的光強(qiáng)發(fā)生變化，CCD器件輸出信號(hào)幅值改變，如圖 10所示。激光瞄準(zhǔn)儀是通過(guò)計(jì)算 CCD上光斑的重心位置完成光斑中心位置的確定，輸出波形的改變，會(huì)造成測(cè)量誤差。

圖9 準(zhǔn)直偏差角跳變時(shí)的CCD輸出波形曲線Fig.9 Output Figure of CCD When the Collimation Angle Leaps

圖10 棱鏡平移時(shí)CCD輸出波形曲線Fig.10 Output Figure of CCD When the Prism Moves

由于光強(qiáng)不均勻?qū)е?CCD輸出信號(hào)波形上一直存在毛刺，為避免毛刺信號(hào)對(duì)有效信號(hào)的干擾，激光瞄準(zhǔn)儀采用通過(guò)控制準(zhǔn)直光源光強(qiáng)的方法來(lái)抑制毛刺幅值。但光強(qiáng)的控制強(qiáng)度不易把握——準(zhǔn)直光源出射光強(qiáng)低時(shí)，CCD輸出主信號(hào)低于閾值，系統(tǒng)無(wú)反應(yīng)；出射光強(qiáng)高時(shí)，CCD輸出呈雙峰或多峰，系統(tǒng)跳數(shù)或不能正常工作。只有在主信號(hào)有效、兩側(cè)的毛刺信號(hào)無(wú)效時(shí)，激光瞄準(zhǔn)儀才能正常工作。當(dāng)激光瞄準(zhǔn)儀出射激光光強(qiáng)只能局限在0.3～0.7 Lx之間，適應(yīng)光強(qiáng)范圍過(guò)窄時(shí)，這不僅對(duì)于激光瞄準(zhǔn)儀生產(chǎn)裝調(diào)時(shí)要求苛刻，而且即使按此要求完成裝調(diào)出廠，在面對(duì)棱鏡偏移等客觀因素影響時(shí)，激光瞄準(zhǔn)儀還可能會(huì)處于不能正常工作狀態(tài)。

通過(guò)分析，影響準(zhǔn)直測(cè)角精度和穩(wěn)定的原因在于CCD輸出信號(hào)存在毛刺，毛刺產(chǎn)生的原因在于激光瞄準(zhǔn)儀準(zhǔn)直光源光強(qiáng)的分布不均，而且光強(qiáng)分布不均還會(huì)在目標(biāo)棱鏡平移的工況下導(dǎo)致瞄準(zhǔn)系統(tǒng)控制功能失效，這是半導(dǎo)體激光器自身特性決定的。要解決上述問(wèn)題，需對(duì)激光瞄準(zhǔn)儀半導(dǎo)體激光器出射光束的光強(qiáng)進(jìn)行勻化。

2.2 激光光源勻光技術(shù)

激光整形技術(shù)可分為：?jiǎn)瓮哥R法、組合透鏡法、漸變折射率透鏡法、液體透鏡法、衍射法和反射法等[6]。

為實(shí)現(xiàn)激光瞄準(zhǔn)儀半導(dǎo)體激光器出射光束勻化的設(shè)計(jì)思想，歷經(jīng)玻片、柱面鏡、科勒照明等方案，最終選取性?xún)r(jià)比較好的正、負(fù)透鏡組合，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器出射光束能量分布相對(duì)均勻，提高了成像質(zhì)量，解決了準(zhǔn)直偏差角測(cè)角精度和穩(wěn)定問(wèn)題。

半導(dǎo)體激光器出射光束能量在靠近中心的區(qū)域較為均勻，而在邊緣，尤其是短軸方向，變化明顯。首先，考慮利用負(fù)透鏡擴(kuò)展原理，將半導(dǎo)體激光器出射光束放大，然后選用其中較為均勻的中間區(qū)域經(jīng)正透鏡組聚焦到焦平面。

正負(fù)透鏡整形的光學(xué)系統(tǒng)如圖11所示，準(zhǔn)直光源結(jié)構(gòu)示意如圖12所示。

圖11 正負(fù)透鏡勻化光強(qiáng)整形光源的光學(xué)系統(tǒng)Fig.11 Light System of the Even Energy Shaped by the Positive and Negative Lens

圖12 準(zhǔn)直光源結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Structure Figure of the Collimation Light 1—負(fù)透鏡；2—正透鏡一；3—正透鏡二；4—分劃板；5—安裝法蘭

由圖11、圖12可知，通過(guò)利用負(fù)透鏡將半導(dǎo)體激光器自身出光均勻性較好的中心部分光線進(jìn)行光學(xué)放大，再通過(guò)正透鏡一將局部放大的光線進(jìn)行平行收斂，最后通過(guò)正透鏡二將平行光束聚焦到處于焦平面的分劃板上，成為提供激光瞄準(zhǔn)儀的優(yōu)質(zhì)點(diǎn)光源。

負(fù)透鏡、正透鏡一、正透鏡二光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)是通過(guò)Zemax專(zhuān)業(yè)光學(xué)軟件設(shè)計(jì)完成。通過(guò)Zemax軟件的“REAY”函數(shù)控制光束的實(shí)際高度與理想高度盡量一致，再利用Aemax軟件自動(dòng)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出序號(hào)2、序號(hào)3鏡頭的優(yōu)質(zhì)準(zhǔn)直光路；最后通過(guò)整體設(shè)計(jì)序號(hào)1、序號(hào)2、序號(hào)3鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)像差，有效減小球差，改善了系統(tǒng)成像質(zhì)量，提高了準(zhǔn)直測(cè)量精度。光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 使用正負(fù)透鏡后光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of Light System Using Positive and Negative Lens

準(zhǔn)直光源出射光束如圖13所示，激光瞄準(zhǔn)儀出射 光束如圖14所示。由圖13、圖14中，采用正負(fù)透鏡后，目視出射激光均勻。用照度計(jì)檢測(cè)激光瞄準(zhǔn)儀出射準(zhǔn)直光斑光強(qiáng)均勻性結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出，激光瞄準(zhǔn)儀出射光束邊緣與中心光強(qiáng)差距約為 50%，能量分布對(duì)稱(chēng)，肉眼難以分辨差距，比未采用正負(fù)透鏡前光強(qiáng)均勻性提高很多。

圖13 正負(fù)透鏡勻化光強(qiáng)后激光器組件出射光束能量分布示意Fig.13 The Energy Distributing Exported by Laser Diode Subassembly with the Light Beam Evened by Positive and Negative Lens

圖14 采用正負(fù)透鏡提高勻化光強(qiáng)水平后激光瞄準(zhǔn)儀出射光束能量分布示意Fig.14 Energy Distributing Exported by Laser-collimator with Positive and Negative Lens to Even the Light Beam

圖15 使用正負(fù)透鏡后激光瞄準(zhǔn)儀出射光束光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)（光強(qiáng)單位Lx）Fig.15 Data of the Energy Distributing Exported by Lasercollimator with Positive and Negative Lens to Even the Light Beam (Light Power Unit Lx )

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 準(zhǔn)直偏差角精度測(cè)試

在激光瞄準(zhǔn)儀前方3 m處架設(shè)裝有直角棱鏡的經(jīng)緯儀，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)緯儀，每隔10″裝角一次，測(cè)量范圍±2＇，每次讀取準(zhǔn)直角度數(shù)據(jù)與經(jīng)緯儀裝訂角度比對(duì)，誤差值即為準(zhǔn)直偏差角測(cè)量精度。

在未勻化光強(qiáng)時(shí)，激光瞄準(zhǔn)儀在±2′的范圍內(nèi)準(zhǔn)直偏差角測(cè)量精度為7.8″，如表2所示。采用正負(fù)透鏡勻化光強(qiáng)后，±2′范圍內(nèi)的準(zhǔn)直偏差角測(cè)量精度為4.9″，測(cè)量精度有明顯提高，如表3所示，而且數(shù)顯穩(wěn)定，不再出現(xiàn)較大的跳動(dòng)。

表2 勻光前準(zhǔn)直測(cè)量精度Tab.2 Precision of Collimation Measuring without the Light Evened

表3 勻光后準(zhǔn)直測(cè)量精度Tab.3 Precision of Collimation Measuring with the Light Evened

3.2 平移工況測(cè)試

激光瞄準(zhǔn)儀瞄準(zhǔn)物鏡前方40 m處架設(shè)在精密導(dǎo)軌上的50 mm×30 mm（L×H）直角棱鏡中心，準(zhǔn)直后通過(guò)上、下、左、右平移棱鏡，每間隔一段距離讀取準(zhǔn)直零位變化，測(cè)量范圍垂直方向±25 mm，水平方向±35 mm。每次讀取準(zhǔn)直角度數(shù)據(jù)與初始零位比對(duì)，誤差值即為平移工況下準(zhǔn)直偏差角測(cè)量精度。分別在未采取勻化措施和采取勻化措施后進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 勻光前后棱鏡平移對(duì)準(zhǔn)直零位的影響Tab.4 Influence on Collimation Zero Caused by the Prism Moving with or with No Even Light

續(xù)表4

通過(guò)表 4可以看出：當(dāng)目標(biāo)棱鏡在垂直方向平移時(shí)，激光瞄準(zhǔn)儀準(zhǔn)直零位變化較大。在未勻化光強(qiáng)時(shí)，垂直方向平移15 mm準(zhǔn)直零位有超過(guò)20″的變化，隨著平移量的增加，甚至出現(xiàn)了沒(méi)有數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。觀察CCD輸出信號(hào)波形，可以看到信號(hào)幅值已低于閾值。水平方向平移時(shí)，準(zhǔn)直零位變化情況稍好，但也有20″左右變化。采用正負(fù)透鏡勻化光強(qiáng)后，在垂直方向±25 mm、水平方向±40 mm范圍內(nèi)平移，準(zhǔn)直零位變化不大于10″，穩(wěn)定性有明顯提高。

此外，勻化光強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用在提高準(zhǔn)直偏差角測(cè)量精度的同時(shí)，還提高了激光瞄準(zhǔn)儀自適應(yīng)性能：勻化光強(qiáng)弱化了因外界光學(xué)元件變形導(dǎo)致成像質(zhì)量下降從而引起的CCD輸出信號(hào)上產(chǎn)生的毛刺，降低了毛刺信號(hào)對(duì)準(zhǔn)直偏差角有效性的干擾，將激光瞄準(zhǔn)儀光強(qiáng)適應(yīng)范圍從勻化光強(qiáng)前的 0.3～0.7 Lx擴(kuò)大到 0.2～14 Lx，減少了光強(qiáng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，提高了設(shè)備測(cè)量可靠性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)半導(dǎo)體激光器出射光束強(qiáng)度分布不均對(duì)以CCD為光電轉(zhuǎn)換器件的激光瞄準(zhǔn)儀準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性以及適應(yīng)目標(biāo)棱鏡平移工況所帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)了一種以正負(fù)透鏡組合勻化光強(qiáng)的光學(xué)系統(tǒng)，在室內(nèi)外試驗(yàn)驗(yàn)證以及運(yùn)載火箭全系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，可以有效改善激光瞄準(zhǔn)儀光學(xué)系統(tǒng)輸入像質(zhì)，提高準(zhǔn)直偏差角的測(cè)量精度及穩(wěn)定性，對(duì)因加注或風(fēng)擺造成的慣性器件上目標(biāo)棱鏡平移的工況，也有很好的適應(yīng)性。