洪華杰,周 遠(yuǎn)，陶 忠，范大鵬，范世珣

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073;2. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

1 光電偵察領(lǐng)域中的光學(xué)平臺(tái)技術(shù)

光電偵察技術(shù)利用光源在目標(biāo)和背景上的反射或目標(biāo)、背景本身輻射電磁波的差異來探測(cè)、識(shí)別目標(biāo)，成為繼雷達(dá)技術(shù)之后的另一種非常有效的戰(zhàn)場(chǎng)偵察手段。近年來，微光、激光、紅外等光學(xué)成像技術(shù)不斷更新，各式新型的光電器件日新月異，配以形形色色的光學(xué)平臺(tái)，光電偵察的手段越來越豐富。

光學(xué)平臺(tái)技術(shù)一般可分為平臺(tái)式和指向鏡式。平臺(tái)式[1-5]是圖像或瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定的一種成熟技術(shù)，一般將探測(cè)器和慣性器件集成于一個(gè)多軸萬向架上，通過控制探測(cè)器平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束或視軸的空間運(yùn)動(dòng)，獲取穩(wěn)定的圖像或視軸。這種萬向架平臺(tái)技術(shù)在過去幾十年內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，著名的阿帕奇武裝直升機(jī)上的光電觀瞄裝置就是采用這種方式。但是平臺(tái)式需要將探測(cè)器與慣性器件暴露于掩體外，戰(zhàn)場(chǎng)上易受攻擊，同時(shí)由于慣量較大，整體穩(wěn)定的快速性能受影響，平臺(tái)式的動(dòng)靜態(tài)性能似乎已接近極限，這已逐步不能滿足高速高精度光電偵察領(lǐng)域的需求?，F(xiàn)代光學(xué)平臺(tái)技術(shù)的研究關(guān)注點(diǎn)正投向各類指向鏡式的光學(xué)平臺(tái)技術(shù)[6-8]，反射鏡穩(wěn)定技術(shù)、快速反射鏡技術(shù)、新型楔鏡光束調(diào)整技術(shù)等，都是在光學(xué)通道中置入某類型的光學(xué)器件，通過控制該光學(xué)器件的姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)光束或視軸的空間運(yùn)動(dòng)。

反射鏡穩(wěn)定技術(shù)是把光學(xué)傳感器安裝在萬向架中的固定位置，將反射鏡安裝在光學(xué)傳感器光路中，光軸的方向可以由受控反射鏡的姿態(tài)變化來改變。世界各國(guó)坦克車輛中的光電偵察裝置大都采取這種方式。文獻(xiàn)[9-12]較為全面地論述了反射鏡穩(wěn)定的多種技術(shù)手段，剖析了從傳統(tǒng)的二比一機(jī)制、到摒棄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿捷聯(lián)式機(jī)制下視軸穩(wěn)定的系統(tǒng)構(gòu)成與數(shù)學(xué)原理，并分析了各種穩(wěn)定機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)。二比一機(jī)構(gòu)和捷聯(lián)方式均為系統(tǒng)引入了更多的誤差源，致使反射鏡機(jī)制下的系統(tǒng)穩(wěn)定性能難以超越平臺(tái)式。盡管在近一二十年內(nèi)其應(yīng)用研究日趨減少，但是反射鏡穩(wěn)定方式下的系統(tǒng)輕量化、配置靈活的優(yōu)勢(shì)使得其始終是軍用光電偵察領(lǐng)域中的一種有效手段。

快速反射鏡是指轉(zhuǎn)角范圍在毫弧度量級(jí)，分辨率和重復(fù)定位精度在亞微弧度或微弧度量級(jí)，位置伺服帶寬達(dá)到100 Hz以上的光軸控制機(jī)構(gòu)?？焖俜瓷溏R屬于典型的定位系統(tǒng)，主要應(yīng)用于光電平臺(tái)二級(jí)穩(wěn)定以及精密光束指向控制系統(tǒng)中，與粗級(jí)光學(xué)平臺(tái)或反射鏡穩(wěn)定平臺(tái)一起構(gòu)成粗精復(fù)合穩(wěn)定系統(tǒng)[13-17]。根據(jù)致動(dòng)器類型，用于精密光路調(diào)整和穩(wěn)定的快速反射鏡機(jī)構(gòu)可分為6大類：壓電陶瓷致動(dòng)器(piezoelectric transition , PZT)、音圈電機(jī)(voice coil actuator， VCA)、磁致伸縮致動(dòng)器、形狀記憶合金致動(dòng)器、電致伸縮致動(dòng)器、靜電微致動(dòng)器。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明，目前用于角度快速調(diào)整的精瞄偏轉(zhuǎn)微定位機(jī)構(gòu)，以壓電陶瓷致動(dòng)和音圈電機(jī)致動(dòng)為主。國(guó)外開展快速反射鏡的研究和產(chǎn)品開發(fā)較早，目前技術(shù)水平領(lǐng)先的有德國(guó)PI公司、美國(guó)洛克希德-馬丁空間系統(tǒng)公司、英國(guó)Queensgate設(shè)備公司、德國(guó)的MRC Systems股份有限公司、BAE SYSTEM公司、美國(guó)Ball Aerospace & Technology公司和日本NEC公司等[14]。國(guó)內(nèi)開展此類研究相對(duì)較晚，但進(jìn)展較大，目前中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)等多家單位正在進(jìn)行精密光路調(diào)整機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究。

棱鏡利用了光學(xué)折射原理，人們通過各種光學(xué)組合來控制光束的指向。近些年來，以棱鏡為基礎(chǔ)的光學(xué)技術(shù)已逐步應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，成為光學(xué)戰(zhàn)場(chǎng)偵察的一種有效手段。本文就Risley棱鏡為對(duì)象，描述了其組成、工作原理、工程實(shí)現(xiàn)問題及其應(yīng)用等現(xiàn)狀，為其進(jìn)一步應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)，也可供同行參考。

2 Risley棱鏡的工作原理

Risley棱鏡系統(tǒng)通過兩棱鏡的共軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)改變光的傳播方向，可實(shí)現(xiàn)光束或視軸的指向調(diào)整[5]。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，Risley棱鏡光束指向控制系統(tǒng)的核心由一對(duì)共軸相鄰排列的折射棱鏡組成，該棱鏡組在軸承的支撐下由各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞共同的軸旋轉(zhuǎn)，一般配有測(cè)量棱鏡實(shí)時(shí)位置的測(cè)角元件，有時(shí)還配置測(cè)速元件等。

文獻(xiàn)調(diào)研表明，一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)中兩棱鏡的頂角和材料相同，可采用面對(duì)面或背靠背式的配置方式，兩棱鏡盡可能貼近以減小光軸平移誤差[18]。同時(shí)兩棱鏡一般配置在機(jī)架的軸端，以減小外側(cè)光線的遮擋。

圖1 Risley棱鏡光束控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Structure of beam control system for Rislay prism

2.2 Risley棱鏡光束控制工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2所示。光束平行系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸入射，兩棱鏡將通過折射改變光束傳播方向。通過改變兩棱鏡的轉(zhuǎn)角θ1、θ2，可使出射光束在一定偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意指向調(diào)整。尋求兩棱鏡的方位與出射光束指向位置之間的內(nèi)在聯(lián)系是Risley棱鏡光束調(diào)整系統(tǒng)應(yīng)用的中心問題[19]。當(dāng)平行光線射入棱鏡系統(tǒng)，已知兩棱鏡的位置求取出射光線的偏轉(zhuǎn)角度是Risley棱鏡光束調(diào)整系統(tǒng)的正求解問題。當(dāng)已知所要求的出射光束偏轉(zhuǎn)角度求取兩棱鏡的角度是Risley棱鏡的反求解問題[20-21]。

1) 正求解問題

解決正求解問題的傳統(tǒng)方法是一級(jí)近軸近似方法，將兩棱鏡都看作楔角很小的光楔，光束在棱鏡主截面內(nèi)偏轉(zhuǎn)恒定的角度，雙棱鏡系統(tǒng)對(duì)光束總的偏轉(zhuǎn)角度就是兩棱鏡偏轉(zhuǎn)角度的矢量和[22-24]。該方法是近軸條件下的薄棱鏡近似，只適用于偏轉(zhuǎn)角較小的雙棱鏡系統(tǒng)。近期Yang 和 Li 采用光線追跡方法分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)的雙棱鏡系統(tǒng)推導(dǎo)了光束指向隨雙棱鏡角度位置變化的解析關(guān)系式，為雙棱鏡系統(tǒng)的大角度偏轉(zhuǎn)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和方法導(dǎo)引[19,21]。

圖2 Risley棱鏡光束控制示意圖Fig.2 Beam controlling diagram of Rislay prism

圖3 光束偏轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)薄棱鏡近似分析方法Fig.3 Approximate analysis of beam deflection far-field thin prism

依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)薄棱鏡近似分析方法，由圖3可知，經(jīng)過2個(gè)棱鏡后的光束在2個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)角度分量分別為

Φx=δ1sin(θ1+θ10)-δ2sin(θ2+θ20)
Φy=-δ1cos(θ1+θ10)+δ2cos(θ2+θ20)

(1)

式中：每個(gè)棱鏡的光束偏轉(zhuǎn)角大小分別為δ1=α1(n1-1)；δ2=α2(n2-1)；θ1、θ2分別為前后2個(gè)棱鏡y軸繞z軸的轉(zhuǎn)角，θ10、θ20分別為兩轉(zhuǎn)角的初始值。

當(dāng)棱鏡轉(zhuǎn)角的初始值、實(shí)時(shí)值以及δ1、δ2已知后，可以確定光束的偏轉(zhuǎn)角度。

2) 反求解問題

在給定光束目標(biāo)指向位置的偏轉(zhuǎn)角Φ和方位角Θ時(shí)，可利用中心算法求反向的方法，推導(dǎo)兩棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度θ1和θ2，其計(jì)算原理如圖4所示。

圖4 中心算法求反解問題的近似解析解Fig.4 Approximate analytical solution of inverse solution with center algorithm

由幾何關(guān)系容易求得三角形兩內(nèi)角α和β為

(2)

兩套解分別為

(3)

2.3 Risley棱鏡應(yīng)用技術(shù)

2.3.1 利用反求解的視軸步進(jìn)成像控制技術(shù)

在傳統(tǒng)的光電成像偵察技術(shù)中，存在大視場(chǎng)和高分辨率的不可調(diào)和的矛盾，一直是影響光電偵察效率的一個(gè)重要因素之一。目前一般是采用雙視場(chǎng)的探測(cè)器來解決這個(gè)矛盾，一個(gè)低分辨率寬視場(chǎng)用于戰(zhàn)場(chǎng)的大范圍觀察，一個(gè)高分辨率窄視場(chǎng)用于目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤。2個(gè)視場(chǎng)可以形成互補(bǔ)，但是2個(gè)視場(chǎng)之間的切換時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用受限。

利用Risley棱鏡反求解的視軸步進(jìn)成像技術(shù)，窄視場(chǎng)通過視軸的高速步進(jìn)掃描拼接成大視場(chǎng)圖像，圖像中保留了窄視場(chǎng)的高分辨率的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[25]給出了圖5所示的步進(jìn)掃描成像的簡(jiǎn)單思路：① 確定棱鏡的初始姿態(tài)，完成圖像A采集；② 建立鑲嵌圖，擦除之前的圖；③ 估計(jì)下一位置，改變棱鏡姿態(tài)角；④ 以此類推，通過多次循環(huán)，通過圖像鑲嵌拼接獲取圖像B。

圖5 視軸步進(jìn)成像技術(shù)示意圖Fig.5 Diagram of optical axes step imaging technology

但是文獻(xiàn)[26]中指出，單次捕獲的圖像A不能直接鑲嵌至大圖像中，因?yàn)樵诔上襁^程中，目標(biāo)區(qū)域A所成圖像會(huì)有畸變，這個(gè)畸變是影響成像質(zhì)量的重要因素之一。為此，文獻(xiàn)[26]按照?qǐng)D6從理論上研究了單楔鏡成像時(shí)的畸變規(guī)律，得出了實(shí)際成像時(shí)的位置偏差結(jié)果符合公式(4)的規(guī)律：

圖6 圖像畸變效果的計(jì)算示意圖Fig.6 Calculation schematic diagram of image distortion effect

(4)

式中：I為入射光軸與光楔第一面的法線間夾角；光楔的出射光軸相對(duì)于入射光軸偏轉(zhuǎn)δ角；光楔的頂角為α；折射率為L(zhǎng)。

圖7 圖像畸變結(jié)果圖Fig.7 Result of image distortion

由(4)式可以看出，實(shí)物平面上不同坐標(biāo)處所成像素的偏差大小與其坐標(biāo)值大小有關(guān)，這很好解釋了部分文獻(xiàn)中所描述的“實(shí)物平面中的正方向成像后看到的是側(cè)邊凹(凸)的鐘形”[26]。利用公式(4)生成的圖7展示了驗(yàn)證圖像畸變效果，圖中十字線為理想成像點(diǎn)，原點(diǎn)為實(shí)際成像點(diǎn)。因此消除圖像畸變是步進(jìn)成像的關(guān)鍵任務(wù)之一。

2.3.2 利用正求解的光束掃描控制技術(shù)

利用Risley棱鏡的正求解特性，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的光束快速覆蓋。一般設(shè)計(jì)中2個(gè)棱鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，當(dāng)初始角均為π/2，則公式(1)演變?yōu)?/p>

Φx=δcosθ1-δcosθ2
Φy=δsinθ1-δsinθ2

(5)

當(dāng)2個(gè)棱鏡的轉(zhuǎn)角相等時(shí)，公式(5)可以看出2個(gè)偏轉(zhuǎn)角始終為0，能夠保證通過棱鏡的光束不改變方向。

當(dāng)改變2個(gè)轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速方向和大小比例時(shí)，光束則按照一定的規(guī)則覆蓋一定的區(qū)域。設(shè)轉(zhuǎn)鏡1轉(zhuǎn)速為ω，轉(zhuǎn)鏡2轉(zhuǎn)速為kω(k可為正負(fù))，則有：

(6)

當(dāng)轉(zhuǎn)速系數(shù)k為負(fù)數(shù)時(shí)軌跡計(jì)算結(jié)果如圖8所示，光束掃描線為梅花瓣?duì)睿ò甑拇笮‰S著系數(shù)絕對(duì)值的增加而變大。當(dāng)轉(zhuǎn)速系數(shù)k為正時(shí)的軌跡計(jì)算結(jié)果如圖9所示，此時(shí)光束掃描線呈現(xiàn)類螺旋線。

圖8 速度系數(shù)為負(fù)時(shí)的光束掃描軌跡Fig.8 Beam scanning trace with negative velocity coefficient

圖9 速度系數(shù)為正時(shí)的光束掃描軌跡Fig.9 Beam scanning trace with positive velocity coefficient

由于棱鏡組運(yùn)動(dòng)速度較快，能夠使得一個(gè)光束在很短時(shí)間內(nèi)按照既定的軌跡覆蓋一定的區(qū)域，形成光束擴(kuò)散效應(yīng)，因此可在激光雷達(dá)、醫(yī)療探測(cè)等方面得到應(yīng)用。

3 Risley棱鏡系統(tǒng)面臨的主要工程技術(shù)問題

從原理上Risley棱鏡可以實(shí)現(xiàn)光束步進(jìn)成像和光束掃描等技術(shù)應(yīng)用，但是從工程角度而言，基于棱鏡的大角度光束偏轉(zhuǎn)指向仍存在一些機(jī)械、控制及光學(xué)方面的工程技術(shù)問題，還有待深入探討[27]。

3.1 棱鏡加工與裝配誤差

理論上當(dāng)兩棱鏡的頂角、折射系數(shù)完全相同且理想裝配時(shí)，棱鏡系統(tǒng)才可實(shí)現(xiàn)光束指向的全區(qū)域覆蓋。但是由于加工誤差、裝配誤差及熱學(xué)性能等因素的影響，兩棱鏡光束偏轉(zhuǎn)角難以完全抵消，會(huì)產(chǎn)生指向盲區(qū)。盲區(qū)大小取決于棱鏡的加工精度和裝配精度，中心軸附近的盲區(qū)大小可達(dá)幾到幾百微弧度。高精度光束指向系統(tǒng)要求具有較高的加工和安裝精度并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮和減弱環(huán)境的影響。

3.2 光機(jī)電綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化與協(xié)同控制

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)涉及光學(xué)、機(jī)械、控制、傳感、圖像信息處理等多學(xué)科，為達(dá)到最優(yōu)性能，需要多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)和協(xié)同控制。在光束指向應(yīng)用中，需要結(jié)合光束傳輸、機(jī)械動(dòng)態(tài)特性、伺服機(jī)構(gòu)性能、控制性能來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。在成像應(yīng)用中，除考慮上述因素外，還需考慮成像性能需求、圖像信息的傳輸與處理等。

在遠(yuǎn)離中心軸的光束指向區(qū)域，存在非線性的伺服控制問題。與傳統(tǒng)的萬向架或指向鏡系統(tǒng)不同，雙棱鏡系統(tǒng)對(duì)光束的最終轉(zhuǎn)向角度與棱鏡旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系是非線性的，導(dǎo)致棱鏡旋轉(zhuǎn)控制方程的非線性。目前實(shí)現(xiàn)非線性控制的基本思路是利用查表法或局部線性算法逆解控制方程求解，獲得棱鏡旋轉(zhuǎn)方位。光束偏轉(zhuǎn)角與棱鏡旋轉(zhuǎn)角的非線性關(guān)系加大了系統(tǒng)控制難度，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法以滿足應(yīng)用中光束轉(zhuǎn)向需求。

3.3 棱鏡的光學(xué)成像特性

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)必須解決的一個(gè)重要光學(xué)設(shè)計(jì)問題是色差校正。光束轉(zhuǎn)向應(yīng)用中，由于操作對(duì)象大多為激光光束，其單色性較好，色差影響較小。但在步進(jìn)成像應(yīng)用中，成像光的波段寬，棱鏡導(dǎo)致的色差將明顯降低成像像質(zhì)，必須以特殊結(jié)構(gòu)的棱鏡實(shí)現(xiàn)色差校正。而該系統(tǒng)的色差校正面臨4個(gè)方面的問題：大角度光束偏轉(zhuǎn)、寬波段覆蓋、系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)緊湊性、材料選擇及加工可行性。光束偏轉(zhuǎn)角越大，消色差波段越寬，色差校正的難度越大。傳統(tǒng)組合棱鏡方法雖能有效實(shí)現(xiàn)色差校正，但也增加了系統(tǒng)體積和質(zhì)量，系統(tǒng)的緊湊性和輕便性受到影響，限制了其實(shí)際應(yīng)用，這在可見和近紅外波段表現(xiàn)尤其明顯。衍射光學(xué)元件方法僅在棱鏡表面蝕刻光柵結(jié)構(gòu)，能有效減小系統(tǒng)體積和質(zhì)量，但同時(shí)也增大了加工難度。

在成像應(yīng)用中，大角度視軸偏轉(zhuǎn)下的成像畸變現(xiàn)象嚴(yán)重。為獲取完整大視場(chǎng)、高分辨率的圖像，必須采用適合方法對(duì)成像畸變予以校正。

熱穩(wěn)定性能也是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)需要關(guān)注的問題。在溫度變化的環(huán)境下，系統(tǒng)對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角隨環(huán)境溫度改變，光束指向的穩(wěn)定性受到影響。

4 Risley棱鏡樣機(jī)的研制

4.1 國(guó)外典型產(chǎn)品與應(yīng)用

自Rosell于1960年首次提出利用兩塊棱鏡實(shí)現(xiàn)光束掃描以來，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡逐漸被作為指向裝置應(yīng)用在不同領(lǐng)域，面向不同應(yīng)用需求的產(chǎn)品逐漸問世。美國(guó)已有多家研究機(jī)構(gòu)針對(duì)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡大角度光束指向展開了研究，開發(fā)了面向紅外對(duì)抗、機(jī)載激光通信、掃描與跟蹤等應(yīng)用的裝置。這些裝置主要的應(yīng)用領(lǐng)域也是集中于步進(jìn)成像和光束掃描2個(gè)方面。

圖10 國(guó)外Risley棱鏡方面的產(chǎn)品Fig.10 Foreign Rislay prism products

加拿大國(guó)防技術(shù)研究與發(fā)展中心利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構(gòu)建了步進(jìn)-凝視成像系統(tǒng)，形成了一種新型的多視場(chǎng)圖像采集方法。圖11展示了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向機(jī)構(gòu)外觀圖。系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡改變成像光軸，在較大角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)視軸掃描。通過合理設(shè)置成像視軸的空間指向角度和窄視場(chǎng)分塊成像，獲得系列高分辨率窄視場(chǎng)圖像，通過窄視場(chǎng)圖像的校正和拼接，最終獲得具有大視場(chǎng)和高分辨率特點(diǎn)的合成圖像。該系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構(gòu)造光機(jī)指向機(jī)構(gòu)，用于成像視軸的轉(zhuǎn)向和掃描。通過融合窄視場(chǎng)成像，兼顧了大視場(chǎng)和高分辨率的成像需求，為大范圍目標(biāo)搜索和高準(zhǔn)確度目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用提供了一種新概念圖像采集方法。

圖11 步進(jìn)凝視圖像采集方法及旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向機(jī)構(gòu)Fig.11 Step staring imaging collection method and rotating biprism pointing structure

1981年美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA將一對(duì)鍺光楔作為激光光束掃描器用于激光雷達(dá)系統(tǒng)中，原理如圖12所示。飛行測(cè)試表明該雷達(dá)能在20°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束掃描，其指向誤差小于0.1°。同年美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，作為激光光束掃描器以擴(kuò)大觀測(cè)場(chǎng)。該掃描器使雷達(dá)能在10.8°的觀測(cè)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率三維成像。美國(guó)Sigma空間公司研制的三維成像激光雷達(dá)將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用作光束掃描器，其重復(fù)掃描精度達(dá)到0.000 5°。近來還有專利報(bào)道了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡在機(jī)載光收發(fā)機(jī)構(gòu)中的具體應(yīng)用。

圖12 激光雷達(dá)中的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描器Fig.12 Rotating biprism scanner in Ladar

4.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)應(yīng)用開發(fā)情況

4.2.1 整體情況

國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究起步也不晚，對(duì)旋轉(zhuǎn)折射棱鏡組的研究集中在旋轉(zhuǎn)光楔對(duì)的折光特性、控制模型及其應(yīng)用分析上。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的劉立人研究員為首的研究組針對(duì)星間激光通信應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了光束掃描機(jī)構(gòu)(如圖13)，研究了棱鏡回轉(zhuǎn)控制模型并測(cè)試了其目標(biāo)捕獲、跟蹤、指向及激光通信性能。同濟(jì)大學(xué)的李安虎博士探討了雙光楔光束偏轉(zhuǎn)及控制方法并改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了激光光束的粗精復(fù)合掃描。南京航空航天大學(xué)的林有義教授研究了旋轉(zhuǎn)雙光楔在全息成像中的應(yīng)用。華南師范大學(xué)的韋中超探討了旋轉(zhuǎn)雙光楔的二維掃描軌跡。上海激光技術(shù)研究所的潘涌研究了旋轉(zhuǎn)雙光楔在激光微孔加工中的應(yīng)用。北京理工大學(xué)的李巖等探討了利用Risley棱鏡補(bǔ)償成像誤差的基本理論。以上國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究大都是以掃描成像為目的，針對(duì)光束小偏轉(zhuǎn)角的應(yīng)用，而利用旋轉(zhuǎn)棱鏡組實(shí)現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)角調(diào)整方面的研究偏少。

圖13 用于星間激光通信的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束掃描機(jī)構(gòu)Fig.13 Rotating biprism beam scanning device used for inter-satellite laser communication

4.2.2 國(guó)防科技大學(xué)的研究情況

國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院一直跟蹤雙旋轉(zhuǎn)棱鏡系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，在2010年研制出一臺(tái)雙旋轉(zhuǎn)棱鏡樣機(jī)，如圖14所示。

圖14 國(guó)防科技大學(xué)研制的雙旋轉(zhuǎn)棱鏡樣機(jī)Fig.14 Risley prism prototype developed by national university of defense technology

該樣機(jī)口徑為70 mm，光束偏轉(zhuǎn)角為10°，具備兩種工作模式：步進(jìn)成像和光束掃描。樣機(jī)完成了兩項(xiàng)功能實(shí)驗(yàn)，步進(jìn)成像結(jié)果如圖15所示，光束掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖15 視軸步進(jìn)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.15 Experiment result of optic axes step imaging

圖15中的大圖是步進(jìn)鑲嵌圖像，其上方的小圖是大圖中的一格。通過步進(jìn)成像不失分辨率地獲得了所關(guān)心的大區(qū)域圖像。圖16中激光器從樣機(jī)后方射入，光點(diǎn)照射在地圖上。當(dāng)樣機(jī)高速掃描時(shí)，光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形成的軌跡被相機(jī)所捕獲，瞬時(shí)圖像如圖16(b)所示。

圖16 光束掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.16 Experiment result of beam scanning

當(dāng)然作為一個(gè)樣機(jī)，系統(tǒng)仍然存在不完善的地方。如圖像采集頻率受限、棱鏡表面精度不高等，都會(huì)影響成像質(zhì)量和掃描效果。

5 結(jié)束語

基于Risley棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)已不是一個(gè)新生事物，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛，近年來Risley棱鏡在軍事上的應(yīng)用尤其引人關(guān)注。論文闡述了Risley棱鏡的兩種工作原理，并給出了仿真計(jì)算結(jié)果，從宏觀上歸納了其工程實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，介紹了國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用情況，特別是介紹了國(guó)防科技大學(xué)的工程樣機(jī)研制情況，給出了2種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

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