專利名稱：一種非接觸式掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種非接觸式掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
星載超光譜成像儀是基于天基平臺(tái)的新一代探測設(shè)備，它兼有成像和光譜探測的優(yōu)點(diǎn)，因此在遙感和其他科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。超光譜成像儀對(duì)地面目標(biāo)推掃成 像時(shí)，由于飛行器飛行速度很高，探測器上每個(gè)像元接收地面目標(biāo)輻射的時(shí)間(積分時(shí)間)很短，當(dāng)?shù)孛婺繕?biāo)較暗時(shí)，探測器的信噪比將很低，為了降低對(duì)探測器高幀頻的要求，增加儀器對(duì)某些特定暗目標(biāo)的觀測能力，可在超光譜成像儀上設(shè)置一掃描鏡使其逆飛行方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，以增加目標(biāo)在探測器上的積分時(shí)間。掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)直接影響超光譜成像儀的成像質(zhì)量，如果掃描鏡的轉(zhuǎn)速波動(dòng)超出了容許的誤差范圍，滿足不了指定的性能指標(biāo)，將極大地降低超光譜成像儀的成像質(zhì)量，導(dǎo)致分辨率下降和圖像變形、扭曲等現(xiàn)象。要保證超光譜成像儀的成像質(zhì)量，務(wù)必要使掃描鏡的轉(zhuǎn)速波動(dòng)滿足性能指標(biāo)要求，由于飛行器位置的變化、掃描鏡指向角度的變化等，導(dǎo)致掃描鏡補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，要檢測掃描鏡轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，就要求有一套高精度的檢測系統(tǒng)能對(duì)掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行精確檢測。長春光機(jī)所用于檢測掃描鏡轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)是應(yīng)用光電軸角編碼器進(jìn)行檢測，這種接觸式測量對(duì)于編碼器精度要求很高，價(jià)格昂貴，且存在接觸式測量無法克服的一些缺點(diǎn)。與本發(fā)明最為接近的已有技術(shù)是長春理工大學(xué)張國玉等人在《光學(xué)學(xué)報(bào)》2007年27卷第五期875-881頁發(fā)表的“紅外地球敏感器掃描鏡擺角激光動(dòng)態(tài)測試方法”，如圖I所不，該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器I、柱面鏡2、掃描接收光學(xué)系統(tǒng)3、濾光片4、CCD接收器件5、處理電路6、計(jì)算機(jī)7、紅外地球星敏感器掃描鏡8、驅(qū)動(dòng)電機(jī)9、紅外地球星敏感器掃描鏡轉(zhuǎn)軸10。該系統(tǒng)的工作原理是從半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的激光經(jīng)由柱面鏡2后，形成一長條形細(xì)光束入射到掃描鏡8上，由掃描鏡8反射后的光線經(jīng)掃描接收光學(xué)系統(tǒng)3和濾光片4入射到CCD接收器件5的光敏面上，當(dāng)掃描鏡8在驅(qū)動(dòng)電機(jī)9的驅(qū)動(dòng)下擺動(dòng)時(shí)，其像點(diǎn)在CXD接收器件5上的位置也隨之變化，該位置信息經(jīng)CXD處理電路6處理后，送入計(jì)算機(jī)7數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可得到被測信息的位置與能量參量值。將其代入建立好的數(shù)學(xué)模型，關(guān)系式為$=l/2arctan (h/f)，其中$為被檢測掃描鏡8的擺角，是時(shí)間t的函數(shù)；h為CCD接收器件5光敏面上光斑中心相對(duì)于CCD中心的高度；f為掃描接收光學(xué)系統(tǒng)3的焦距。對(duì)時(shí)間t設(shè)定采樣時(shí)間間隔，則測出一系列h值，就可給出相應(yīng)的角度，從而完成角位移的測量，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件可得到掃描鏡擺角與時(shí)間的坐標(biāo)曲線。該系統(tǒng)的擺角測量分辨率和動(dòng)靜態(tài)測量精度較低，無法滿足超光譜成像儀掃描鏡對(duì)于檢測系統(tǒng)的分辨率和精度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于要保證超光譜成像儀的成像質(zhì)量和精度要求，特設(shè)計(jì)一種用于檢測超光譜成像儀掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的檢測系統(tǒng)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種非接觸式掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)。解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如圖2所示，包括半導(dǎo)體激光器11、半導(dǎo)體激光器可調(diào)支座12、濾光片支架13、濾光片14、陣列平面反射鏡15、陣列平面反射鏡基座16、CCD接收器件17、CCD接收器件基座18、檢測系統(tǒng)基板19、CCD處理電路20、計(jì)算機(jī)21、被檢測掃描鏡22、被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸23、驅(qū)動(dòng)電機(jī)24 ;其中，陣列平面反射鏡15的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括第一平面反射鏡25、第二平面反射鏡26、第三平面反射鏡27、第四平面反射鏡28和第五平面反射鏡29 ;(XD處理電路20的結(jié)構(gòu)如圖4，包括(XD接收器件17、驅(qū)動(dòng)模塊30、視頻處理器31、控制單元32、配置配置可編程只讀存儲(chǔ)器33、晶振34、差分芯片35、RS-422串行通信接口 36、電源37和二次電源模塊38。被檢測的掃描鏡22安裝在檢測系統(tǒng)基板19上，使被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸23垂直于檢 測系統(tǒng)基板19，被檢測掃描鏡22能繞掃描鏡轉(zhuǎn)軸23轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)24和掃描鏡轉(zhuǎn)軸23同軸固連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)24帶動(dòng)被檢測掃描鏡22轉(zhuǎn)動(dòng)；半導(dǎo)體激光器可調(diào)支座12安裝在檢測系統(tǒng)基板19上，半導(dǎo)體激光器11安裝在可調(diào)基座12上，使半導(dǎo)體激光器11發(fā)射激光束的光軸平行于檢測系統(tǒng)基板19的工作面，垂直入射到濾光片14上，激光束經(jīng)過濾光片14指向被檢測掃描鏡22的反射面；濾光片14安裝在濾光片支架13上，濾光片支架13安裝在檢測系統(tǒng)基板19上，濾光片14的工作面垂直于檢測系統(tǒng)基板19 ;陣列平面反射鏡15從右至左依次為第一平面反射鏡25、第二平面反射鏡26、第三平面反射鏡27、第四平面反射鏡28和第五平面反射鏡29，構(gòu)成一字形排列的陣列，它們的后表面在同一平面上，安裝在陣列平面反射鏡基座16上，陣列平面反射鏡15的工作反射面都為平面；陣列平面反射鏡基座16安裝在檢測系統(tǒng)基板19上，使陣列平面反射鏡15的反射面與被檢測掃描鏡22的反射面相對(duì)；CCD接收器件基座18安裝在檢測系統(tǒng)基板19上，CCD接收器件17安裝在CCD接收器件基座18上，使CCD接收器件17的光敏面與陣列平面反射鏡15的反射面相對(duì)安裝；同時(shí)，要使半導(dǎo)體激光器11發(fā)射激光束的光軸、濾光片14工作平面的水平中線、被檢測掃描鏡22的反射面水平中線、陣列平面反射鏡15的反射面水平中線、CCD接收器件17的光敏面水平中線在同一高度的水平面上，在這個(gè)水平面上設(shè)有直角坐標(biāo)系xoy面，xoy面與檢測系統(tǒng)基板19是相互平行的；陣列平面反射鏡15中的第一平面反射鏡25、第二平面反射鏡26、第三平面反射鏡27、第四平面反射鏡28和第五平面反射鏡29的反射面在xoy面上的投影是同一個(gè)橢圓的一系列切線段，兩兩相接，五塊平面反射鏡通過陣列平面反射鏡固定基座16固定在一起，被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸23的回轉(zhuǎn)中心和CCD接收器件17的豎直中心線分別位于xoy面內(nèi)與陣列平面反射鏡相切橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)F1、F2處；(XD處理電路20通過CXD接收器件17的接口和CXD接收器件17相連。CXD處理電路20的工作原理電源37經(jīng)過二次電源模塊38轉(zhuǎn)換成CCD處理電路20中各個(gè)模塊的工作電壓，晶振34為控制單元32提供所需要的時(shí)鐘頻率，控制單元32上電后通過配置可編程只讀存儲(chǔ)器33讀取控制程序。計(jì)算機(jī)21通過RS-422串行通信接口 36發(fā)送工作指令給控制單元32，控制單元32收到指令后，通過驅(qū)動(dòng)模塊30發(fā)送驅(qū)動(dòng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)CCD接收器件17，CCD接收器件17采集的視頻信號(hào)經(jīng)視頻處理器31處理后發(fā)送給控制單元32，控制單元32將并行數(shù)據(jù)通過差分芯片35轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)后發(fā)送給計(jì)算機(jī)21。本發(fā)明的工作原理該測試系統(tǒng)是將掃描鏡轉(zhuǎn)過角度對(duì)時(shí)間進(jìn)行差商，首先測量掃描鏡轉(zhuǎn)角，然后間接求掃描鏡的轉(zhuǎn)速。根據(jù)橢圓的一個(gè)特殊性質(zhì)從橢圓一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)橢圓面上一點(diǎn)反射后反射至橢圓另一個(gè)焦點(diǎn)。原理圖如圖5所示，在一個(gè)直角坐標(biāo)系xoy中，以原點(diǎn)為中心畫一個(gè)參考橢圓39，陣列平面反射鏡15中的第一平面反射鏡25、第二平面反射鏡26、第三平面反射鏡27、第四平面反射鏡28和第五平面反射鏡29分別和參考橢圓39相切，兩兩相接。被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸23的回轉(zhuǎn)中心和CCD接收器件17的豎直中心線分別在橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)FI、F2處，當(dāng)被檢測掃描鏡22在位置a時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)被檢測掃描鏡22與X軸的夾角為小I，由半導(dǎo)體激光器11發(fā)出的激光束垂直入射到濾光片14上，經(jīng)過濾光片14透射后入射到被檢測掃描鏡22上，激光束經(jīng)被檢測掃描鏡22反射后至第一平面反射鏡24的右端點(diǎn)Kl，再經(jīng)第一平面反射鏡24反射的光束在CCD接收器件17的光敏面上Q2點(diǎn)成像；當(dāng)被檢測掃描鏡22由驅(qū)動(dòng)電機(jī)24帶動(dòng)繞轉(zhuǎn)軸23轉(zhuǎn)動(dòng)至位置b時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)被檢測掃描鏡22的轉(zhuǎn)角為1，激光光束經(jīng)過濾光片14后經(jīng)被檢測掃描鏡22反射后，反射至第一平面反射鏡24與橢圓的切點(diǎn)K'，由橢圓的性質(zhì)，激光束在CCD接收器件17上的像點(diǎn)為橢圓的左焦點(diǎn)F2 ；當(dāng)被檢測掃描鏡22繞轉(zhuǎn)軸23轉(zhuǎn)動(dòng)至位置c時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)被檢測 掃描鏡22的轉(zhuǎn)角為￠2，激光束經(jīng)第一平面反射鏡25的左端點(diǎn)K2反射后在CCD接收器件17上的像點(diǎn)移動(dòng)至Ql點(diǎn)。被檢測掃描鏡22繞轉(zhuǎn)軸23繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，光束將會(huì)反射至第二平面反射鏡26的右端點(diǎn)K2 (與第一平面反射鏡25左端點(diǎn)重合，對(duì)應(yīng)掃描鏡22還在位置C)，這時(shí)由于第二平面反射鏡26相對(duì)于第一平面反射鏡25角度位置的變化，CXD接收器件17上的像點(diǎn)將會(huì)重新移動(dòng)至Q2點(diǎn)，在被檢測掃描鏡22繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至位置d(對(duì)應(yīng)掃描鏡轉(zhuǎn)角為￠3)的過程中，CXD接收器件17上的像點(diǎn)會(huì)繼續(xù)向Ql點(diǎn)移動(dòng)，被檢測掃描鏡22繞掃描鏡轉(zhuǎn)軸23連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中光束經(jīng)過第三平面反射鏡27、第四平面反射鏡28及第五平面反射鏡29時(shí)原理同上。通過此種方式，采用五塊平面反射鏡構(gòu)成的陣列平面反射鏡15，可以對(duì)所測角度進(jìn)行分段連續(xù)測量，利用橢圓的特殊性質(zhì)設(shè)計(jì)各片平面反射鏡間的位置和角度關(guān)系，在CCD接收器件17光敏面長度一定的情況下，擴(kuò)大了測角范圍，同時(shí)又不降低精度。通過CCD處理電路20和計(jì)算機(jī)21對(duì)CCD接收器件17接收的激光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，即可計(jì)算被檢測掃描鏡22轉(zhuǎn)動(dòng)角度與CCD接收器件17上像點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)CCD接收器件17的積分時(shí)間作出被檢測掃描鏡22轉(zhuǎn)角和時(shí)間的關(guān)系曲線，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)超光譜成像儀掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)連續(xù)測量。本發(fā)明的有益效果a)、本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，成本低，精度高，測角范圍大，實(shí)現(xiàn)大范圍高精度對(duì)掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的連續(xù)測量；b)、采用光斑為一字線的半導(dǎo)體激光器，解決了圓形激光光斑由于裝調(diào)和加工誤差致使線陣CCD無法接收到光斑或光斑位置波動(dòng)導(dǎo)致測量精度降低的問題；C)、利用橢圓性質(zhì)設(shè)計(jì)的陣列平面反射鏡轉(zhuǎn)折光線，達(dá)到了利用一片線陣CCD循環(huán)反復(fù)成像擴(kuò)大測角范圍的效果；d)、非接觸式測量方式，避免了接觸式測量的阻力矩干擾，提高了低速掃描鏡轉(zhuǎn)速測量的準(zhǔn)確度；


圖I是已有技術(shù)的測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的測試系統(tǒng)的陣列平面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的測試系統(tǒng)的(XD處理電路原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的測試系統(tǒng)的工作原理說明示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明按圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)實(shí)施，其中半導(dǎo)體激光器11采用光斑為一字線的半導(dǎo)體激光器，波長為635nm ;半導(dǎo)體激光器可調(diào)支座12為與半導(dǎo)體激光器11配套購買的高低可調(diào)調(diào)整座；陣列平面反射鏡15中的第一平面反射鏡25、第二平面反射鏡26、第三平面反射鏡27、第四平面反射鏡28和第五平面反射鏡29采用光學(xué)穩(wěn)定性較好的K4玻璃加工，工作反射面鍍鋁膜，五塊反射鏡通過環(huán)氧樹脂膠將背面粘在陣列平面反射鏡固定基座16上，構(gòu)成陣列平面反射鏡15 ;陣列平面反射鏡固定座16是采用Al加工的固定座；CCD接收器件17采用柯達(dá)公司的線陣CCD ；CCD接收器件固定座18按照CCD外殼尺寸設(shè)計(jì)、用Al加工的固定座；被檢測掃描鏡22的材質(zhì)采用SiC，反射面鍍銀膜，反射率不低于98%，掃描鏡22繞掃描鏡轉(zhuǎn)軸23的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.2 0. 4° /s，轉(zhuǎn)角范圍為22. 5°，要求其轉(zhuǎn)動(dòng)速度絕對(duì)誤差不大于±0. 017° /s，通過調(diào)整陣列平面反射鏡15中平面反射鏡數(shù)量可以改變本系統(tǒng)測角范圍，測角范圍可達(dá)30°。系統(tǒng)的分辨率(O )由CCD接收器件的像元尺寸(U )和光線傳播的距離2a，即參考橢圓軌跡的長軸二倍決定，O /2a，所以在確定了線陣CCD之后，設(shè)計(jì)參考橢圓的長軸(即光線的傳播距離)就可以確定系統(tǒng)的分辨率。
權(quán)利要求
1 .一種非接觸式掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng),包括半導(dǎo)體激光器(11)、濾光片(14)、CXD接收器件(17 )、CXD處理電路(20 )、計(jì)算機(jī)(21)、掃描鏡(22 )、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(24 );其特征在于還包括半導(dǎo)體激光器可調(diào)支座(12)、濾光片支架(13)、陣列平面反射鏡(15)、陣列平面反射鏡基座(16)、CXD接收器件基座(18)、檢測系統(tǒng)基板(19)、被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸(23);其中，陣列平面反射鏡(15)包括第一平面反射鏡(25)、第二平面反射鏡(26)、第三平面反射鏡(27 )、第四平面反射鏡(28 )和第五平面反射鏡(29 ) ;(XD處理電路(20 )包括(XD接收器件(17)、驅(qū)動(dòng)模塊(30)、視頻處理器(31)、控制單元(32)、配置可編程只讀存儲(chǔ)器(33)、晶振(34)、差分芯片(35)、RS-422串行通信接口(36)、電源(37)和二次電源模塊(38);被檢測的掃描鏡(22)安裝在檢測系統(tǒng)基板(19)上，使被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸(23)垂直于檢測系統(tǒng)基板(19)，被檢測掃描鏡(22)能繞掃描鏡轉(zhuǎn)軸(23)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)(24)和掃描鏡轉(zhuǎn)軸(23)同軸固連；半導(dǎo)體激光器可調(diào)支座(12)安裝在檢測系統(tǒng)基板(19)上，半導(dǎo)體激光器(11)安裝在可調(diào)基座(12)上，使半導(dǎo)體激光器(11)發(fā)射激光束的光軸平行于檢測系統(tǒng)基板(19)的工作面，垂直入射到濾光片(14)上，激光束經(jīng)過濾光片(14)指向被檢測掃描鏡(22)的反射面；濾光片(14)安裝在濾光片支架(13)上，濾光片支架(13)安裝在檢測系統(tǒng)基板(19)上，濾光片(14)的工作面垂直于檢測系統(tǒng)基板(19);陣列平面反射鏡(15)從右至左依次為第一平面反射鏡(25)、第二平面反射鏡(23)、第三平面反射鏡(27)、第四平面反射鏡(28)和第五平面反射鏡(29)，構(gòu)成一字形排列的陣列，它們的后表面在同一平面上，安裝在陣列平面反射鏡基座(16)上，陣列平面反射鏡(15)的工作反射面都為平面；陣列平面反射鏡基座(16)安裝在檢測系統(tǒng)基板(19)上，使陣列平面反射鏡(15)的反射面與被檢測掃描鏡(22)的反射面相對(duì)；CCD接收器件基座(18)安裝在檢測系統(tǒng)基板(19)上，C⑶接收器件(17)安裝在CXD接收器件基座(18)上，使C⑶接收器件(17)的光敏面與陣列平面反射鏡(15)的反射面相對(duì)安裝；同時(shí)，要使半導(dǎo)體激光器(11)發(fā)射激光束的光軸、濾光片(14)工作平面的水平中線、被檢測掃描鏡(22)的反射面水平中線、陣列平面反射鏡(15)的反射面水平中線、CCD接收器件(17)的光敏面水平中線在同一高度的水平面上，在這個(gè)水平面上設(shè)有直角坐標(biāo)系xoy面，xoy面與檢測系統(tǒng)基板(19)是相互平行的；陣列平面反射鏡(15)中的第一平面反射鏡(25)、第二平面反射鏡(26)、第三平面反射鏡(27)、第四平面反射鏡(28)和第五平面反射鏡(29)的反射面在xoy面上的投影是同一個(gè)橢圓的一系列切線段，兩兩相接，五塊平面反射鏡通過陣列平面反射鏡固定基座(16)固定在一起，被檢測掃描鏡轉(zhuǎn)軸(23)的回轉(zhuǎn)中心和CCD接收器件(17)的豎直中心線分別位于xoy面內(nèi)與陣列平面反射鏡相切橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)FI、F2處；(XD處理電路(20)通過CXD接收器件(17)的接口和CCD接收器件(17)相連。
全文摘要
一種非接觸式掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng),屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域中涉及的非接觸式測試系統(tǒng)。要解決的技術(shù)問題提供一種非接觸式掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)。解決的技術(shù)方案包括半導(dǎo)體激光器、濾光片、陣列平面反射鏡、CCD接收器件、檢測系統(tǒng)基板、CCD處理電路、計(jì)算機(jī)、被檢測掃描鏡等。半導(dǎo)體激光器、濾光片、被檢測的掃描鏡、陣列平面反射鏡和CCD接收器件都安裝在檢測系統(tǒng)基板上，陣列平面反射鏡和被檢測的掃描鏡相對(duì)安裝，陣列平面反射鏡和CCD接收器件相對(duì)安裝，四者的工作面水平中線在同一高度的平面上。該測試系統(tǒng)，精度高，測角范圍大，避免了接觸式測量的阻力矩干擾，提高了低速掃描鏡轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測量的準(zhǔn)確度。
文檔編號(hào)G01P3/36GK102778219SQ20121026828
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者王洋, 顏昌翔 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所