張文博，鄭建平

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

在一復(fù)雜光路系統(tǒng)中，需將多臺(tái)激光器發(fā)出的光束快速、高效耦合成一束同軸傳輸光束，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)合成光束中各子光束之間相對(duì)位置的變化情況，對(duì)光軸、光瞳的變化進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，確保系統(tǒng)工作過程中，各光束光軸、光瞳的變化在要求的范圍內(nèi)。

本文的研究，就是通過對(duì)多光束光軸耦合對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、光束光軸和光瞳實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)、光束光軸和光瞳位置控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，探索能夠?qū)崿F(xiàn)多光束光軸自動(dòng)準(zhǔn)直并具有自動(dòng)調(diào)整和修復(fù)能力的智能化多光束耦合技術(shù)途徑的可行性。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由光束狀態(tài)檢測(cè)器和控制動(dòng)作實(shí)施機(jī)構(gòu)組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。每束光分別有一臺(tái)CCD用于監(jiān)測(cè)光束發(fā)散角、光軸和光瞳位置，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果去控制相應(yīng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)和電動(dòng)鏡架。CCD輸出信號(hào)接口為千兆網(wǎng)線，各CCD輸出接口經(jīng)交換機(jī)連接到一根網(wǎng)線，傳輸?shù)焦た貦C(jī)。

圖1 耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Principle schematic diagrams for coupling control system structure

1.2 數(shù)據(jù)采集、顯示、處理與控制

用一臺(tái)工控機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、處理和反饋控制的工作。各 CCD數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理結(jié)果對(duì)各電動(dòng)鏡架進(jìn)行控制。系統(tǒng)中有5個(gè)CCD、6個(gè)電動(dòng)鏡架、3個(gè)調(diào)焦平移臺(tái)，還有5個(gè)電動(dòng)濾光片盤。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本文中所需軟件包含圖像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)組織和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的處理、殘差計(jì)算、反饋控制、光瞳和光軸控制的解耦、意外事件的處理、信息的顯示傳輸和記錄等。軟件的總體開發(fā)策略考慮如下：

a.軟件運(yùn)行環(huán)境為windowsXP。采用VC++6.0作為基本開發(fā)工具。部份數(shù)據(jù)處理算法如有必要，可用matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)。b.軟件的總體設(shè)計(jì)方面，要明確軟件的功能、模塊劃分，形成文檔。c.以C++的類為程序基本模塊，除了輸入和輸出接口外，類中的成員盡可能設(shè)置為private屬性。對(duì)類中數(shù)據(jù)的訪問和修改，利用 setXX(var)、getXX(var)等函數(shù)進(jìn)行，而不是直接訪問類中成員變量(避免如 C.XX=10)；在 setXX(var)等接口函數(shù)中，應(yīng)進(jìn)行接口參數(shù)的取值范圍、指針是否溢出等防錯(cuò)檢查。d.各函數(shù)名、變量名可以由2 3個(gè)單詞組成，應(yīng)盡量表示出該過程或變量的物理名稱或意義；此外，應(yīng)按照匈牙利命名法，表示出變量的類型。

2 關(guān)鍵部件機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多光束耦合調(diào)光系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。系統(tǒng)中包括高精度電動(dòng)反射鏡、數(shù)控調(diào)焦裝置、數(shù)控濾光片切換轉(zhuǎn)盤、各類鏡架、擴(kuò)束器等等。

在多光束耦合系統(tǒng)中，為了調(diào)節(jié)三路光束光瞳、光軸，專門設(shè)計(jì)研制了計(jì)算機(jī)控制高精度電動(dòng)反射鏡，如圖2所示。該電動(dòng)反射鏡使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有兩個(gè)自由度(繞水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn))，可提供約3°的動(dòng)態(tài)范圍，并有限位保護(hù)。電動(dòng)鏡架的直流電機(jī)選用A-max16(110045)伺服電機(jī)，減速器選用GS16V(235076)，編碼器選用MR-M(201940)，控制器選用EPOS24/1(280937)，其光軸控制精度達(dá)到亞微弧度量級(jí)。光路中共有6套電動(dòng)調(diào)整鏡，通過CAN總線和控制系統(tǒng)集成控制，電路接口全部實(shí)現(xiàn)模塊化。

圖2 數(shù)控電動(dòng)鏡架組裝圖Fig.2 Numerical control motor-driven mirror bracket assembly diagrams

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)安裝調(diào)試

圖3 電動(dòng)調(diào)焦擴(kuò)束器組裝圖Fig.3 Motor-driven focusing beam expansion device assembly diagrams

首先以632.8nm激光光源的光軸作為全系統(tǒng)的光軸基準(zhǔn)，通過一對(duì)632.8電動(dòng)鏡架將光軸和近場(chǎng)光斑中心調(diào)節(jié)至遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)CCD和近場(chǎng)探測(cè)CCD視場(chǎng)中心，并控制632.8調(diào)焦電機(jī)，使632.8H-SCCD探測(cè)的波面離焦殘差項(xiàng)為最小(此時(shí)在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)CCD上的光斑為最小)，在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)CCD和近場(chǎng)探測(cè) CCD像面上標(biāo)記光軸和近場(chǎng)光斑中心位置，作為多光束光軸和光瞳位置的調(diào)整基準(zhǔn)點(diǎn)。同時(shí)記錄保存632.8 H-S CCD探測(cè)的波面離焦殘差和光軸位置信息，作為系統(tǒng)閉環(huán)校正控制的零點(diǎn)。

圖4 二級(jí)擴(kuò)束器組裝圖Fig.4 Second beam expansion device assembly diagram

完成全系統(tǒng)基準(zhǔn)光軸調(diào)整后，按照上述步驟，分別調(diào)整一對(duì)532電動(dòng)鏡架和一對(duì)1064電動(dòng)鏡架將532nm和1064nm激光光源的光軸和近場(chǎng)光斑中心調(diào)節(jié)至在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)CCD和近場(chǎng)探測(cè)CCD視場(chǎng)中與基準(zhǔn)光軸相重合的位置(遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)心偏差量小于1，近場(chǎng)光斑中心偏差量小于0.08mm)，并控制532調(diào)焦電機(jī)和1064調(diào)焦電機(jī)，使532 H-S CCD和1064 H-S CCD探測(cè)的波面離焦殘差項(xiàng)為最小，在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)CCD和近場(chǎng)探測(cè)CCD像面上標(biāo)記光軸和近場(chǎng)光斑中心位置，作為光軸和光瞳位置的閉環(huán)調(diào)整零點(diǎn)。同時(shí)記錄保存632.8 H-S CCD探測(cè)的波面離焦殘差和光軸位置信息，作為系統(tǒng)閉環(huán)校正控制的零點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)

主要測(cè)試了探測(cè)系統(tǒng)的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：光軸探測(cè)精度、相對(duì)光軸誤差和光瞳誤差。測(cè)試光路如圖5所示。

3.2.1 光軸探測(cè)精度檢測(cè)

分別用光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x和本系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng) CCD探測(cè)器獲得同一光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑位置(多次同時(shí)采集，取平均值)，該光束的光軸改變后，比較二者計(jì)算獲得的光軸變化量，以光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x作基準(zhǔn)，獲得本探測(cè)器的光軸探測(cè)誤差。

圖5 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)光路布局示意圖Fig.5 Schematic diagrams for optical path layout of detection on system key technical requirements

檢測(cè)結(jié)果如表1所示。取三次測(cè)量中，本系統(tǒng)探測(cè)器與光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x的光軸探測(cè)誤差的平均值(在口徑上)為光軸探測(cè)精度。

表1 光軸探測(cè)精度檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Measuring results for optical axis detection accuracy

3.2.2 光軸相對(duì)誤差檢測(cè)

用本系統(tǒng)對(duì)532nm和1064nm兩束光的光瞳和光軸自動(dòng)閉環(huán)后，用光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x探測(cè)兩束光的光軸偏移(在60mm口徑上)。

檢測(cè)結(jié)果如表2所示。三次測(cè)量中1064nm和532nm兩束激光相對(duì)光軸誤差的平均值為5.86rad(在60mm口徑上)。

表2 光軸相對(duì)誤差檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Detection results for optical relative error

三次測(cè)量中兩束光的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像如圖6和圖7所示。

圖6 光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x三次測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像--532nmFig.6 Far-field image by beam quality measuring instrument for three-times measurement—532nm

圖7 光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x三次測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像--1064nmFig.7 Near-field image by beam quality measuring instrument for three-times measurement—1064nm

3.2.3 光瞳誤差檢測(cè)

將光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)換成專用的光瞳位置測(cè)量?jī)x，用本系統(tǒng)對(duì)532nm和1064nm兩束光的光瞳和光軸自動(dòng)閉環(huán)后，用光瞳位置測(cè)量?jī)x測(cè)量?jī)晒馐g的光瞳誤差。檢測(cè)結(jié)果光瞳誤差<2mm(光束直徑60mm)，圖8是光瞳探測(cè)的近場(chǎng)光斑圖像，圖9是H-S探測(cè)器探測(cè)的哈特曼光斑。

圖8 532nm(左)和1064nm(右)近場(chǎng)光斑Fig.8 532nm(left)和 1064nm(right)near-field centroid

圖9 532nm(左)和1064nm(右)哈特曼光斑Fig.9 532nm(left)和 1064nm(right)far-field centroid

3.3 遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)驗(yàn)

用1km靶目標(biāo)(帶有光斑質(zhì)心探測(cè)功能的測(cè)量靶)對(duì)三束光光軸一致性進(jìn)行了驗(yàn)證。打靶過程中，用口徑為480mm的發(fā)射系統(tǒng)，多光束耦合系統(tǒng)全系統(tǒng)閉環(huán)控制各光束的光軸、光瞳位置和光束抖動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各光束間的光軸偏差 PV值小于1"。光軸一致性數(shù)據(jù)見表3，光軸抖動(dòng)數(shù)據(jù)見表4。

表3 遠(yuǎn)距離傳輸光軸重合度測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measuring results for optical axis contact ratio of the remote transmission

表4 光軸抖動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Optical axis intension data statistics

圖10 1064nm光軸抖動(dòng)曲線(左為x方向，右為y方向)Fig.10 1064nm optical axis intension curve(The left refers to x direction while the right refers to y direction)

圖11 532nm光軸抖動(dòng)曲線(左為x方向，右為y方向)Fig.11 532nm optical axis intension curve(The left refers to x direction while the right refers to y direction)

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足總體設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)系統(tǒng)初調(diào)到位后，通過總控系統(tǒng)發(fā)出指令，可以在2分鐘之內(nèi)，自動(dòng)完成全系統(tǒng)光路精調(diào)，并在激光發(fā)射過程中實(shí)時(shí)控制各光束的光軸指向、光瞳位置、光束準(zhǔn)直狀態(tài)和光束抖動(dòng)，充分驗(yàn)證了本技術(shù)路線的可行性。

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