摘 要: 设计了精密动态测角实验系统,该系统利用扩束镜正向和逆向不同的光学变换性质,将共孔径双向传输的倍增式角敏光学系统与光电精密位置传感器(PSD)相结合,并从理论上分析了高灵敏光学测角的基本原理,给出了被测角与传感器信号的关系。为消除光电噪声对探测分辨率的影响,信号处理引入了相关检测模式。通过压缩系统噪声信号的等效带宽,从频域中滤除干扰信号的频率成分,实现了从噪声中提取高分辨角度信息。
光学平台是承载激光发射装置的基础结构,由于光学系统对环境振动极为敏感,刚性平台在3个转动自由度上的振动干扰会对发射光束的精确定向产生较为严重的破坏作用,直接影响到光束定向辐射的有效性[1-4]。为获取平台微角扰动信息,寻求可行有效的探测手段一直是光学系统稳定性研究关注的重点之一。微角运动参数测量需要高精密的探测系统,然而现有机电传感器的性能往往难以满足μrad级角度的宽带振动探测,许多领域涉及到的超精超微超快探测常常要借助于光电子技术。虽有多种光电测角方法,但探测系统性能高低与所选择的技术途径、光路设计以及采用何种传感器等均有密切关系[5-10]。本文设计了具备照明激光的扩束式共孔径双向传输的准直探测光路,并与具有μm至亚μm级空间分辨率和μs至亚μs级时间分辨率的光电位置传感器(PSD)有机结合[11],构成一种精密动态角敏光学系统。它与目前国内普遍采用CCD或4QD(fourquadrant detector)作为准直误差探测的常规光学系统相比,在几何精度和响应速度上有着明显优势。
1 基本原理
角敏光学系统分为基准和被测两部分。基准部分是一个共孔径发射与接收光束的高灵敏动态微角移光学探测器,它由激光光源、传感器、分束镜、扩束镜等部件组成;被测部分是设置在平台上的平面反射靶标,其作用是将平台微角振动信息通过反射光束传回基准部分[12]。
角敏光学系统原理结构如图1所示。从图1可以看出,准直平行光束从参考面A正向出发,经过由透镜L1和L2构成的扩束镜做正向变换后入射至平面反射靶标F上;由于平台角振动耦合到与之刚性连接的靶标,致使反射光束按照反射定律随之产生偏转抖动;携带角振动信息的反射光束返回扩束镜,产生逆向变换后穿过分束镜BS到达参考面B,该面接收到的远场光束经过透镜L3聚焦于焦平面C上的传感器探测面。
设正向出射参考面A对应的光线矢量为[rA,θA],反向出射参考面B对应的光线矢量为[rB,θB],则光线从A面出发到返回B面时所经历的光学路径满足以下变换关系[13]
式中:M为扩束镜正向变换矩阵;M-1为扩束镜逆向变换矩阵;F为靶标反射变换矩阵;Θ为靶标镜面法线角振动向量。矩阵元素中,MT=-f1/f2为扩束镜倍率;θ(t)为平台角振动向量。角敏光路中,由于透镜L3对参考面B入射光束在焦平面C(探测面)上的聚焦位置只与入射光线方向θB有关,光束位置rB发生的变化并不影响聚焦位置。通过调节使光线初始角θA=0,则实际探测角θB=2MTθ(t)。
图2为靶标振动角借助光线的偏转得到放大的示意图。当靶标无转动时,反射光轴与入射光轴重合,聚焦光点位于探测面坐标原点;当靶标发生θ(t)偏转时,反射光轴不再与入射光轴重合,最终到达参考面B的光线转角被放大了2MT倍,这样,对角度θ(t)的探测转化为对探测面上光点线位移f3tan[2MTθ(t)]的探测。
根据平面反射镜的原理,当镜面沿3个直线自由度做平动以及绕镜面法线做转动时,均不能改变入射光线的方向,所以反射靶标只能为入射光线传递平台提供2个转动自由度的振动信息,在反射效果上去除了平台其它4个自由度的振动信息。由此,本文建立了以聚焦光点位置随平台角振动而线性变化的高灵敏2维动态信息元探测面。
图3为表面分流改进型PSD原理结构。设置于探测面的PSD在x,y两个正交方向的探测输出各有一对电极(x1,x2;y1,y2),各电极输出光电流的大小按照光敏面坐标位置进行线性分配,由该4路光电流共同解算出光点在探测面的位置坐标(x,y)。根据PSD电流与位置的关系[14],可得出其4路光电流与被测平台2维振动角的线性转换关系
式中:ix1,ix2为PSD水平探测方向两个电极输出的光电流对;iy1,iy2为PSD垂直探测方向两个电极输出的电流对;I0为每对电流之和,即PSD单维输出总光电流,则2维PSD的总光电流为2I0(当在恒定激光功率照射下,2I0始终为一恒定量);f3为光敏面光点聚焦透镜L3的焦距,也是角敏系统实际测角距离;L为PSD正四边形光敏面中心点到四边的距离,并且L f3,探测面聚焦光点的位置坐标(x,y)与被测角满足近似关系:x/f3≈2MTθx,y/f3≈2MTθy。
2 噪声抑制
尽管PSD具有很高的位置分辨率,但作为半导体光电器件必然要受到背景辐射、温度、暗电流及其固有噪声特性的影响,一般PSD上位置每变化1μm,各电极输出的光电流变化量约为10 nA。如此小的电流导致光点位置的微小变化信息极容易被引入的各种噪声所湮没,足以让PSD应有的高分辨性能无法得到正常发挥。探测高分辨率的提高对于相同敏感面积意味着扩大了探测动态范围。
测角分辨率表现为探测系统能够精确分辨出角度微小变化量的能力,角敏系统分辨性能可用测角分辨信噪比来描述,其对数形式有
式中:Δθ为应达到的测角分辨率;θn(t)为测角系统本底随机起伏的噪声信号幅值;T为统计平均的时间周期;σn为测角系统本底随机起伏噪声信号的均方根值。图4为不同分辨率下信噪比与噪声均方根值的关系曲线。由图4可以看出,Δθ越小,(Rsn)ΔdB>0的σn取值范围就越窄,即要求的噪声就越小。因而噪声能否得到有效抑制是实现高分辨测角的一个关键因素。
运用相关检测方式,通过压缩系统噪声信号的等效带宽,在频域中滤除其它非被测信号的频率成分,以获得更纯净的被测信号。PSD具有数百kHz带宽频响资源,可支持比测振带宽fB高数十倍的调制频率f0作相关检测模式。干扰信号通常集中在低频段,升高调制频率f0可远离低频干扰信号,有利于噪声抑制以及提高系统的信号解调精度。
PSD既是一个光强传感器又是一个空间位置调制运算器,含有光强载波信息和空间角偏转信息的光束在传感器上产生与位置成线性关系的调幅波信号。经过同步解调处理得到PSD4路信号通道的输出信号,其中x1通道的解调输出电压为(其余x2,y1,y2通道输出电压以此类推)式4式中:R为PSD电流-电压转换电阻;Pe为PSD敏感面上光束辐射功率;kI(λ)为PSD电流光谱响应度;kv为信号调理系统电压增益;kx1[x(t)]为随照射敏感面的光点位置坐标x(t)变化而变化的4个分流比函数之一,它决定PSD光电流I0在电极x1输出的分配比例关系;c(t)为调制和解调的载波信号;ω0为载波信号角频率;φ为载波信号初相;hLPF(t)为具有被测信号带宽的低通滤波器冲击响应函数。将公式(2)中的电流量转换成以公式(4)类推出对应的电压量,则可导出2维转角值θx(t)和θy(t)。
图5为分别采用调制模式和非调制模式对相同角振动探测得到的两个波形。从图5可以看出,非调制模式探测信号中不但含有宽带交流噪声成分,还含有由温漂、暗电流和背景光产生的直流噪声;而调制模式探测信号的噪声得到了充分抑制,呈现出更高的分辨率。由两种检测模式输出本底噪声的统计值比较可知,非调制模式的本底均值(14.65μrad)和均方根值(10.85μrad)相对较大;调制模式的本底均值(0.28μrad)和均方根值(0·37μrad)则明显较小。均值表现为信号本底随着环境条件变化而变化的缓变噪声分量,其大小影响到测角的准确度;均方根值表现为信号本底在均值附近随机起伏的噪声分量,其大小将影响到测角的不确定度。当测角分辨率为1μrad时,由(3)式可得出非调制模式下的分辨信噪比(8.6 dB)和调制模式下的分辨信噪比(-20.7 dB)。显然,在非调制模式下测角信号的分辨信息完全被噪声湮没。
3 探测实验
基于HAMAMATSU公司传感器S2044给出的宽谱(320~1 060 nm)响应特性、光敏面积(4.7 mm×4.7mm,即L=2.35 mm)、响应时间(0.3μs)和位置分辨率(0.6μm)等参数,设计得出满足测振性能要求的实验系统基本参数,如表1所示。其中:Φ为光束扩束直径;f3为透镜L3焦距;d为探测面上聚焦光斑直径;λ为探测激光波长;kλ为传感器电流光谱响应度;Q为到达光敏面激光辐射功率;η为被测平台角移与光敏面光斑线移之间的转换系数;DY为测角线性动态范围;D为探测范围所使用的光敏面中心部位圆形线性区直径;fB为系统测振带宽;f0为光源调制及同步解调信号频率(取f0=30fB)。
图6为微角振动探测实验系统信号流程图。
图7为平台3维微角振动探测实验布局示意图。由图7可知,被测光学平台长度方向设定为x方向,宽度方向设定为y方向,台面法线方向设定为z方向。平台3维空间角振动探测实验系统由两套相同的光学探测装置组成,设置于2个正交探测方向上,并为探测系统的基准部分配套有良好性能(隔振性能小于-60 dB)的隔振装置。两套装置的探测面分别平行于参考系的xoz和yoz坐标面,覆盖了空间3个转动自由度。两套角敏装置输出的8路探测信号由一台微机系统同步采集,经过对探测数据的处理可获得被测平台的3维空间动态角位移分向量及它们合成向量信息。图8为光学平台3维角振动探测实验得到的一组信号时域波形及频谱图。
根据研究需要,探测数据可借助计算机完成有关时域、频域和统计等多种振动分析,进而获得对平台结构低阶转动模态、振动传递特性、发射光束抖动分布等的定量分析结果。
4 结 论
本文设计的激光测角系统利用扩束镜正向和逆向不同的光学变换性质,在设计上探测光束的发射和反射光束的接收使用一个共孔径扩束准直光路,这样不仅使携带角振动信息的反射光束偏转量实现了高倍增益,也简化了探测光路结构。由于光源从输出到返回两次经过分束镜,光源功率的利用效率相对较低。相关检测方式是抑制噪声的有效手段,有助于增强探测系统对环境光线、气流和温度等变化的适应性,但增加了调制解调环节,信号处理比非调制方式复杂。PSD具有的快速响应能力使其可用于较高调制频率下的相关检测模式,而噪声的抑制反过来又能更好地发挥其应有的高分辨性能。根据参考系不同选择,该探测方法可应用于平台与地基之间、平台与载体之间、平台与平台之间相对角振动的测量。
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本文作者：王 雁, 赵忠杰, 马 社
