摘要:采用半导体激光器作光源、线阵CCD作光电传感器研制了一台全新的、适于野外使用的半导体激光经纬仪。CCD光电自准直测角零位及当量的标定,直接关系到仪器的精度,我们采用一种简便、易实现的方法对CCD自准直测角零位及当量进行了标定,并给出了标定结果。
引 言
自准直方法在科研、工业生产和国防建设等领域有着广泛的应用,如光学测量、直线性测量及大型运载火箭发射前的初始方位对准等都要采用自准直方法。传统的光电自准直仪是根据光电转换器件(如光电池)接收光能量的差异来反映准直方位的偏离,由于光电特性曲线的非线性,一般工作在零位时才能获得最佳精度,因此其测量精度总是受到光源能量波动、大气抖动及光电器件不对称性的影响(双探测器系统),不适宜于野外工作。CCD器件及半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长等优点,我们使用CCD作光电传感器、红光半导体激光二极管作光源,研制了一台新型半导体激光经纬仪,本文讨论激光经纬仪光电自准直测角当量的标定方法,并给出了标定结果。
1 仪器工作原理
半导体激光经纬仪由红光半导体激光器及发射系统、光学经纬仪系统和CCD摄象测量系统组成。经纬仪提供望远镜视轴(也是CCD摄象测量系统及激光束光轴)指向的方位角,半导体激光器提供可见光波段的准直光源,CCD摄象系统摄取反程光束,进行光电自准直测角。半导体激光经纬仪具备2″经纬仪的全部功能。半导体激光经纬仪的望远镜及自准直测角光学系统如图1所示。其中,Laser Diode为半导体激光器;M1,M2,M3,M4为反射镜;P1,P2为分划板;BS1,BS2为分光棱镜;L1为物镜,L2为调焦镜,L3为目镜,L4为聚光镜,L5为成象负透镜。半导体激光器(Laser Diode)发出的红光经聚光镜L4、反射镜M1,M2照亮分划板P1上的透光狭缝(狭缝长度方向平行于y轴),狭缝位于物镜L1的焦平面上,因此成平行光射出,照在反射镜M4上返回,若反射镜M4与出射光轴垂直,则返回光束光轴与经纬仪轴重合,经物镜L1、分光棱镜BS2、成象负透镜L5及反射镜M3在线阵CCD靶面上成象(线阵CCD象元排列方向平行于x轴),以此代表光束自准直后的象点原点位置。当反射镜M4绕z轴转过一个角度α时,返回的狭缝象在线阵CCD靶面上与原点距离为x之处,则角α可以表示为
在进行CCD光电自准直测角的同时,通过目镜L3可以在分划板P2上看到狭缝象,进行光学目视自准直。本仪器在目标为12米远处可保证±3′范围内测角精度±3″。
2 CCD自准直测角当量的标定
所谓CCD光电自准直测角当量就是指CCD一个象元所对应的被测角度值。按照(2)式,只要知道了焦距f′及相对原点的距离x就可以得到α角,但实际上焦距的理论值与装配后的实际值有差异,而且整机装配完成后,实测焦距也很困难,因此需要采用新的方法对当量进行标定。由于光学镜头的畸变,CCD装配中产生的象面离焦及CCD和光轴的不垂直等因素,使得CCD象元位置与对应的被测角度值成非线性关系,因此广义的当量应理解为CCD某个象元位置对应的被测角度值,下面的分析表明,由于半导体激光经纬仪测角范围很小(只有±3′),CCD象元位置与其对应的角度值成良好的线性关系。
在进行当量标定前,必须确定CCD自准直测角的零位。采用三面直角棱镜(立方角锥棱镜)[1]可以方便地实现零位的标定。这种棱镜的形状相当于一个立方体切下来的一个角,是一个四面体,三个等腰直角三角形相互垂直,为反射面,而底面是一等边三角形。从底面以任意方向入射于棱镜的光线,经三个反射面顺序反射以后,出射光线以与入射光线平行的方向射出,即出射光线相对于入射光线旋转了180°。利用这一特性就可以进行CCD自准直测角的零位标定。实际上三面直角棱镜三个反射面之间的夹角不可能严格等于90°,这样就使后向反射光线与入射光线间存在一微小偏角Δ。设三个直角面之间的直角误差分别为δ12,δ13,δ23,玻璃的折射率为n,则偏角Δ为[2]
若δ12=δ23=δ13=δ,则上式变为
对高精度三面直角棱镜,δ可保证在0.5″左右,取δ=0.5″,n=1.5163,则Δ=2.48″,换算为被测角极限误差:0.5×2.48″=1.24″,可以满足零位标定的精度要求。
如同普通光电经纬仪自动探测跟踪系统测角当量的标定,半导体激光经纬仪的测角当量也可以用自准直法进行标定。自准直法标定测角当量的原理如图2所示,将反射镜置于转台之上,半导体激光经纬仪(Laser diode theodolite)对准反射镜1(M1),同时用一台自准直仪(Au-to-collimator)与反射镜2(M2)自准直,转动转台给出不同的角度,由半导体激光经纬仪读出CCD象元位置,同时由自准直仪读出对应的标准角,然后进行计算处理,就可以求出测角当量。
针对半导体激光经纬仪的具体情况,我们采用了一种更简单、方便的测角当量标定方法,如图3所示。将半导体激光经纬仪调平,对准前方的直角棱镜(DⅡ-180°)(Right-angleprism),直角棱镜的安放要求是:棱镜宽度方向的棱线与水平面平行。旋转经纬仪的水平微动旋钮,使经纬仪微动一个角度α,这就相当于直角棱镜在方位上有α角的变化,微动经纬仪给出不同的角度,由经纬仪的方位测角系统读出标准角,同时由CCD读数部分得到象元位置,即完成了测角当量标定的测量工作。
由方程组(13)可求出系数b1,…,bm,再由(12)及(9)式可求得系数b0。
表1是实际标定的数据,用最小二乘法处理的结果:当量值为2.423″。我们选择多项式的拟合次数最高为6次,但其一次项系数变化无几。由于被测角度值很小,被测角度值与CCD象元数成很好的线性关系。
结束语
我们采用一种简单、方便的方法对半导体激光经纬仪的测角当量进行了标定,并用最小二乘法进行了数据处理。整个标定过程实际上是对仪器自准直测角的综合误差进行了修正,因此这一方法对其它光测仪器也具有普遍性。
参考文献:
[1] 张以谟主编.应用光学[M].北京:机械工业出版社,1988.91-93
[2] 中国矿业学院测量教研室编.激光测距仪[M].北京:煤炭工业出版社,1980.48-50
[3] 徐士良编.C常用算法程序集[M].北京:清华大学出版社,1994.360-365
作者简介:李庆辉(1969-),男(汉族),河北人,博士,副教授,从事光电成象及光电检测技术的研究。
