一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统技术方案

本发明专利技术属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统。所述系统包括激光测距系统和设置于所述激光测距系统上的导星系统及光学逆向装置。引入导星系统，扩大了系统监测视场。结合激光衰减技术、距离门技术，利用光学逆向反射装置在发射光截取极少部分光作为参考光对视场中心位置进行调校，同时利用目标跟踪闭环法实现系统收发光轴平行性的实时自动检校。在单次激光测距过程中兼顾了自动调校系统的收发光轴功能，有效改善了激光测距系统的指向精度，提高了系统回波率及工作效率，对激光测距技术迈向全自动时代具有重要意义。

A Method and System for Verifying Parallelism of Transceiver and Receiver Optical Axis in Laser Ranging System

【技术实现步骤摘要】
一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统
本专利技术属于激光测距
，具体涉及一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统。
技术介绍
利用激光测距系统实现的空间探测技术是由激光、光电探测、自动控制、电子通信、天文测量、卫星轨道等技术结合而成的多学科综合技术。与其他大地空间测量技术不同，激光测距系统采用高重频、高峰值功率、窄脉冲激光器，解决了传统雷达系统测距精度低、测程短、稳定性差、设备庞大等一系列难题，突破了超声波测距及其他光学测距技术的局限，提供了一种具有全天候、高精度、抗干扰、小型化等先进的空间探测手段。近年来，高性能激光测距系统的研究逐渐从实验室走向现场试验，在空间探测和航天航空等工程领域中得到了广泛的应用，展现出诱人的实用化前景。在远距离激光测距过程中，地面观测站根据观测目标预报引导望远镜跟踪目标后，激光器发射激光脉冲至观测目标，并由观测目标表面反射回波光子至地面观测站，同时利用接收望远镜将回波信号输送至时间测量分系统，最后通过测出激光脉冲往返地球与观测目标间的时间Δt，获得地球与观测目标间的距离R。根据观测目标的不同，激光测距系统分为卫星激光测距系统(SLR)、空间碎片激光测距系统(DLR)，月球激光测距系统(LLR)等。常规的激光测距系统主要包括：(1)激光器及发射系统。激光器产生激光脉冲，脉冲经过折轴发射系统的反射和准直。(2)望远镜伺服跟踪系统，主要包括发射镜、接收镜和CCD三部分，分别完成发射激光、接收激光和监视卫星跟踪状态等功能。(3)光子探测系统，主要由接收望远镜、可变接收光阑、窄带干涉滤波片、光电接收器件、鉴别器、时间间隔测量等装置组成。激光脉冲回波被接收望远镜聚焦后，经过接收光阑、干涉滤光片、进入光电接收器件。经光电器件产生电脉冲，通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间间隔计数器。(4)时间频率系统，提供系统运转的绝对时间坐标，其功能之一是接收GPS卫星系统的秒脉冲和UTC时间，将其输入到控制计算机中；其功能之二是提供给一个高稳定的10MHz信号。(5)计算机控制系统，主要功能如下：根据预报计算观测目标的实时位置；通过点火信号控制激光器发射脉冲；通过开门信号精确控制距离门；通过轴角编码器和伺服控制机架和望远镜运转；通过计算机结构采集观测数据；进行仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理和形成标准点数据文件。激光测距的光学系统主要采用收发分离光路和共光路两种方式。相比于收发分离光路的激光测距系统，采用共光路的系统对激光发射频率具有一定限制，并对系统中采用的光学元件，如光学转镜等性能提出了更高的要求。目前，国际上大多数测站采用收发分离光学系统，一般利用小于300mm小口径望远镜作为发射激光望远镜，使用另一台较大口径的望远镜作为接收回波望远镜。对于发射和接收光路分离的激光测距系统，激光收发光轴的平行性对系统测距性能的发挥和测距精度的实现具有重要影响。为了保证系统收发光轴具有较高的平行性，每隔一段时间将对系统进行调校与维护。然而随着时间的推移，系统的收发光轴将受到温度、重力、风扰动等各种因素影响而发生不同程度的变化。特别对于白天激光测距来说，由于昼夜温差较大，库德光路和激光光束将发生严重偏移，系统收发光轴的平行性超出系统光轴平行性的允许范围，导致激光测距系统测量范围和测距精度急剧下降。在激光测距系统的日常维护中，系统收发光轴平行性的检校方法主要包括投影靶法，大口径平行光管法、小口径平行光管法、激光光轴仪法、五棱镜法，以及分光路投射法等。尽管上述实验方法较为成熟，但实际操作十分困难复杂，无法在测距过程中实现，不能适应外场测量时的各种环境变化，无法满足常规测距过程中测试与检验的需要。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统，引入导星系统，扩大了系统监测视场。结合激光衰减技术、距离门技术，利用光学逆向反射装置在发射光截取极少部分光作为参考光对视场中心位置进行调校，同时利用目标跟踪闭环法实现系统收发光轴平行性的实时自动检校。在单次激光测距过程中兼顾了自动调校系统的收发光轴功能，有效改善了激光测距系统的指向精度，提高了系统回波率及工作效率，对激光测距技术迈向全自动时代具有重要意义。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法，所述方法执行以下步骤：步骤1：进行收发光轴平行性的调校；步骤2：根据轨道预报，先跟踪目标，再捕获目标；步骤3：激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过主波取样电路形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；步骤3：将激光脉冲发送至观测目标；步骤4：使用光学逆向装置从激光脉冲中截取部分光作为参考光；参考光返回接收系统，利用激光衰减技术进行衰减后，成像至微光电视摄像机；步骤5：控制计算机实时获取参考光成像位置(A1，E1)，与理想位置(A0，E0)进行照准差计算后获得参考光位置偏移量(ΔA，ΔE)，并发送至伺服系统修正参考光位置，完成视场中心位置的调校；步骤6：微光电视摄像机对观测目标进行图像采集，控制计算机实时将观测目标位置偏差转换成测站坐标系下的实际脱靶量；送到伺服系统修正位置偏差，确保观测目标、激光光尖和视场中心位置在测距过程中保持重合，实现目标跟踪闭合，进而完成系统收发光轴的实时检校；步骤7：光电探测器接收反射回来的回波光子，转换成电信号传送至事件计时器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。进一步的，所述步骤1中，进行收发光轴平行性的调校的方法执行以下步骤：利用平行光管法，获取系统视场中心位置及参考光位置(A0，E0)，完成系统初始的接收光轴平行性的调校。进一步的，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收系统；可以是角锥、光纤和/或转镜中的一种或几种。进一步的，所述激光衰减技术，可以是滤波技术、中性密度滤波片进行滤波和/或偏振片滤波中的一种或几种。进一步的，所述激光器可以是1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器和/或其他波长激光器；其重复频率范围为几Hz到上千Hz；能量大小的范围为为几mJ到上百mJ。一种激光测距系统收发光轴平行性检校系统，所述系统包括激光测距系统和设置于所述激光测距系统上的导星系统和光学逆向装置。进一步的，所述激光测距系统包括：激光器；所述激光器产生激光脉冲；发射望远镜，用于发射激光脉冲；接收望远镜，用于接收反射激光脉冲；微光电视摄像机，用于对观测目标进行图像采集；主波取样电路，用于将激光脉冲进行处理，形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；光电探测器，用于接收反射回来的回波光子；时间频率系统，用于提供系统运转的绝对时间坐标，将接收GPS卫星系统的秒脉冲和UTC时间输入至控制计算机中，并提供给一个10MHz信号；控制计算机，用于根据预报计算观测目标的实时位置，产生点火信号控制激光器发射脉冲，产生开门信号精确控制距离门，控制轴角编码本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：步骤1：进行收发光轴平行性的调校；步骤2：根据轨道预报，先跟踪目标，再捕获目标；步骤3：激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过主波取样电路形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain—pulse；步骤3：将激光脉冲发送至观测目标；步骤4：使用光学逆向装置从激光脉冲中截取部分光作为参考光；参考光返回接收系统，利用激光衰减技术进行衰减后，成像至微光电视摄像机；步骤5：控制计算机实时获取参考光成像位置(A1，E1)，与理想位置(A0，E0)进行照准差计算后获得参考光位置偏移量(ΔA，ΔE)，并发送至伺服系统修正参考光位置，完成视场中心位置的调校；步骤6：微光电视摄像机对观测目标进行图像采集，控制计算机实时将观测目标位置偏差转换成测站坐标系下的实际脱靶量；送到伺服系统修正位置偏差，确保观测目标、激光光尖和视场中心位置在测距过程中保持重合，实现目标跟踪闭合，进而完成系统收发光轴的实时检校；步骤7：光电探测器接收反射回来的回波光子，转换成电信号传送至事件计时器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。...

【技术特征摘要】
1.一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：步骤1：进行收发光轴平行性的调校；步骤2：根据轨道预报，先跟踪目标，再捕获目标；步骤3：激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过主波取样电路形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain—pulse；步骤3：将激光脉冲发送至观测目标；步骤4：使用光学逆向装置从激光脉冲中截取部分光作为参考光；参考光返回接收系统，利用激光衰减技术进行衰减后，成像至微光电视摄像机；步骤5：控制计算机实时获取参考光成像位置(A1，E1)，与理想位置(A0，E0)进行照准差计算后获得参考光位置偏移量(ΔA，ΔE)，并发送至伺服系统修正参考光位置，完成视场中心位置的调校；步骤6：微光电视摄像机对观测目标进行图像采集，控制计算机实时将观测目标位置偏差转换成测站坐标系下的实际脱靶量；送到伺服系统修正位置偏差，确保观测目标、激光光尖和视场中心位置在测距过程中保持重合，实现目标跟踪闭合，进而完成系统收发光轴的实时检校；步骤7：光电探测器接收反射回来的回波光子，转换成电信号传送至事件计时器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，进行收发光轴平行性的调校的方法执行以下步骤：利用平行光管法，获取系统视场中心位置及参考光位置(A0，E0)，完成系统初始的接收光轴平行性的调校。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收系统；可以是角锥、光纤和/或转镜中的一种或几种。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光衰减技术，可...

【专利技术属性】
技术研发人员：安宁，刘承志，范存波，董雪，宋清丽，梁智鹏，温冠宇，马磊，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站，
类型：发明
国别省市：吉林,22