摘要:采用3套7路CCD光电探测器,对被测物体的空间6维运动通过贴附在物体上的3个互相垂直的靶标,进行非接触多路并行动态实时测量。通过7个测量值的不同组合,解算出物体的6维运动参量(αx,αy,αz,X,Y,Z)。
引 言
固体火箭发动机为柔性单喷管发动机,火箭飞行姿态是由伺服控制系统控制柔性喷管的摆动而改变火箭推力方向达到的,因此对火箭推力向量控制系统的工作特性进行室内动态仿真试验,是很重要的环节。仿真试验中要对柔性喷管轴线的动态摆角变化和摆心的动态位移进行实时测量,并成为伺服控制系统闭环控制的检测单元。
柔性喷管动态光电实时测量系统,它用多路非接触光电测量方法测量固体火箭发动机柔性喷管的摆动角等6个参数,以检测伺服控制系统的工作特性。7路光学系统组成3套光电测量头,各光学系统有严格的位置关系。各光电测量头有安装调整基准和目视系统,使光电测量头相互垂直并通过喷管轴线。为满足高的测量精度和动态实时测量要求,系统有高的采样频率和物距变化等参量的修正。系统技术参数如下:
1 测量原理和系统结构
测量系统采用非接触多路光电测量方法,以喷管轴线与水平面交点的铅垂线构成的直角坐标系为测量基准,测量出固定于喷管外壁上互相垂直的3条铅垂光标线在喷管运动时的位移量来解算出喷管6维运动参数。(测量原理见图1)
1.1 系统原理如图1。
1.2 3套7路光电测量头的结构确定
根据测量系统的经济和技术指标要求等综合考虑,光学系统采用有限距离的成象系统,光学倍率采用1/6和1/3两种。为使结构紧凑美观而且又能满足测量系统视场精度等要求,测量头选择了图2的结构布局。
2 结构特征与工艺技术的实现
2.1 光电测量头的结构
测量系统要求3路光标板的光标线相互平行,光标线所在平面通过喷管轴线。3套光电测量头的光轴相互垂直并通过光标线,为此各测量头有安装调整基准——自准直光管和目视系统。
3路光学系统组成3套光电测量头,X1-2光电测量头包括有X1,X2,Z光电测量头系统和调整对准自准直光管;X3-4光电测量头包括有X3,X4光电测量头系统和调整对准自准直光管;Y1-2光电测量头包括有Y1,Y2光电测量头系统和调整对准自准直光管。为使结构紧凑,X1(X3,Y1)测量头的光路进行两次转折。X1(X3,Y1)测量头和X2(X4,Y2)测量头之间的距离H=380mm,Z测量头和X2测量头之间的距离120mm。
光电测量头的结构如图3。光电测量头安装在支承架的平台上,支承平台架可上下移动±150mm,测头在平台上可前后左右移动±20mm,测量头也可绕支承架旋转360°以便实现测量头对柔性喷管的对准调整。
2.2 各光学系统物镜焦点位置的确定
根据系统测量要求，光电测量头的各光学系统要共物面，各光轴要相匀_平行并共面，线阵CCD器件的光敏面在线列方向相互平行并通过光学系统光轴。
各光学摄影物镜系统分别装调好后,用内调焦望远镜测量出各光学系统物方焦点至镜壳外端面距离Li(镜壳外端面贴细张丝),如图4。
平行光管1照明物镜,内调焦望远镜3穿各透镜球心,然后调焦到物方焦点F处读一数,再调焦到镜壳外端张丝2处读一数,两数值之差即为Li值。
2.3 各光路光轴平行和共物面的调整如图5所示。
在平行平板直尺上贴铅垂细丝和水平细丝,它们相互垂直(大型工具显微镜上进行)。水平细丝之间的距离应等于各镜头之间要求的距离。
如图3所示,在测量头物面(光标线)处放一玻璃平行平板直尺2,平尺与测量头的自准直光管8垂直,然后分别对各镜头进行调整。平行光管5照明物镜,内调焦望远镜1垂直平尺A面然后对物镜及镜壳外端面细张丝穿心(同时也通过平尺上细丝)。这样光学系统光轴就垂直平尺A面,并通过A面细丝。平尺A面到镜壳外端面的距离等于各光学系统的理论物距值减去焦距值再加上测量出的Li值。
2.4 多路CCD探测器正确位置的调整
平尺和各物镜固定后,在内调焦望远镜处安放轴向显微镜,调整CCD接收器,使CCD光敏面的象面在平尺A面并与水平细丝线重合。这样各光学系统就共物面,各光轴相互平行且共面,CCD器件的光敏面在线列方向也相互平行。
3 测量系统精度
为达到系统测量精度指标,主要采取了以下措施:光学系统畸变及非对称性象差倍率色差达到最小(约万分之八,此为系统误差可校正);采用高分辨率CCD线列探测器和光缝边沿对称中心定位确定测点位置;信号提取采用饱和放大二值化浮动阈值电平及低通滤波等技术;在测量中各光学系统物距的变化,利用7路光电测量系统的数据进行校正;为保证实时性,采用高频CCD器件(高的采样频率),并用前一临近采样计算出的数据进行物距变化的校正。测量系统用专用检具进行了检测,角度用2″自准直经纬仪进行定标。验收检测结果如下:
系统在柔性喷管伺服控制系统室内仿真实验中进行了使用,对不同条件下的喷管动态特性进行了测试,其结果达到了设计技术指标要求,满足了柔性喷管伺服控制系统实物仿真实验要求。
结束语
在柔性喷管动态光电实时测量设备的研制中,解决了多项技术问题,如光学系统的装调测试、光电信号的处理、精度的保证及检测,成功地完成了系统研究。柔性喷管动态光电实时测量系统经使用,能实时测量出火箭发动机柔性喷管的静动态特性,并参加发动机柔性喷管伺服控制系统的控制回路工作,满足火箭姿态控制系统仿真实验要求。“喷管6自由度光电实时测量系统”获1994年中科院科技进步奖三等奖和实用新型专利。摆动物体的运动参数动态测量方法1993年由国家专利局授予发明专利。
致谢：此项工作由朱耆祥、李永运、兰荣清、何上封、刘小惠、高晓东及作者等共同完成,并得到光电所三室及工厂有关人员的帮助,在此深表感谢。
参考文献
1 朱耆祥.光电摆角动态测量原理及其测量系统[J].光电工程,1993,20(1):56-64
2 朱耆祥.CCD探测器在多维动态测量中的应用[J].光电工程,1994,21(3):9-15
3 王之江等.光学技术手册[Z].北京:机械工业出版社,1987
作者简介:毛羽国(1940-),男(汉族),四川开江人,中国科学院光电技术研究所研究员,从事光学仪器研究。
