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)，其輸出進入計算機進行信息處理；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，到達一個新的位置時，如圖2所示。一般考慮｜AB｜遠大于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0.2μrad，并可實現(xiàn)穩(wěn)定精度為10μrad的穩(wěn)瞄產(chǎn)品的測試。

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