一种多距离点激光三维近景成像模拟器及模拟方法

摘要

本发明涉及一种成像式激光体制敏感器模拟器及模拟方法，特别涉及一种多距离点激光三维近景成像模拟器及模拟方法，属于航天产品地面验证技术领域。本发明能够实现成像式激光体制敏感器的全物理激励信号的输出，大大提高了该类敏感器功能、性能验证测试的有效性。该设计方法还具有安装调试简单、安全性高、移动运输便捷的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种成像式激光体制敏感器模拟器及模拟方法，特别涉及一种多距离点激光三维近景成像模拟器及模拟方法，属于航天产品地面验证技术领域。

背景技术

月球着陆器的飞行任务目标是利用制导、导航与控制技术实现在月球表面软着陆。在动力下降过程中，月球着陆器利用成像式激光体制敏感器对着陆区进行成像可得到三维高程图像数据，再由图像处理模块对三维图像数据进行运算和处理，得到当前着陆区域的着陆点信息，从而确保月球着陆器着陆在安全、平坦的区域。因此成像式激光体制敏感器作为着陆器的重要单机，需要在地面测试阶段进行充分的试验验证。在单机生产研制阶段，成像式激光体制敏感器可通过利用直升机挂飞对地面成像的方式验证，也可在空旷场地上对远处预设景物进行成像验证。在分系统和探测器总装测试环境下，无法通过上述方法进行验证。如果不进行成像测试，则无法全面的对成像式激光体制敏感器进行验证，在轨飞行时一旦发生问题可能会危及动力下降过程中安全着陆点的获取，严重时甚至存在整个任务失败的风险。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种多距离点激光三维近景成像模拟器，该成像模拟器能够解决分系统和探测器总装阶段无法对成像式激光体制敏感器进行有效验证的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种多距离点激光三维近景成像模拟器，该成像模拟器包括嵌入式镜头组、二维调整机构、轮式承载架和一体化光纤组；

所述的嵌入式镜头组包括对准工装、倾斜衰减片、镜头组外罩、耦合镜、耦合镜台体和激光器准直系统；

所述的对准工装为一无底无盖的空心长方体，即长方体带有内腔，长方体的每个棱的左侧和右侧各有一个小长方体凸块；

所述的倾斜衰减片为一长方形薄片，长方形薄片的长边与所述的对准工装内腔的长边长度一致，长方形薄片的短边与所述的对准工装内腔的高宽形成的侧面的对角线长度一致，所述的倾斜衰减片放置到所述的对准工装的长方体内；

所述的镜头组外罩也为一无底无盖的空心长方体，即长方体带有内腔，该长方体顶端两侧的宽边各向外延伸出一个支耳；

所述的对准工装放置到所述的镜头组外罩上方，且对准工装固定连接在所述的镜头组外罩的支耳上；

所述的耦合镜台体为带有倾斜角度的通孔的平板，通孔内固定安装耦合镜，倾斜角度数值的确定方法为：使得被测敏感器激光发射光路与耦合镜的接收面垂直；

所述的耦合镜插入所述的耦合镜台体上的带有倾斜角度的通孔中，耦合镜台体固定连接在所述的镜头组外罩的下方；

所述的激光器准直系统固定连接在耦合镜台体上；

所述的二维调整机构用于对所述的嵌入式镜头组进行支撑并用于对所述的嵌入式镜头组在垂直方向和水平方向进行位置的调节；

所述的轮式承载架用于承载所述的二维调整机构和一体化光纤组，并能够带动所述的二维调整机构和一体化光纤组在地面上移动；

所述的二维调整机构和一体化光纤组在所述的轮式承载架上放置的位置关系的确定方法为：使得所述的二维调整机构能够带动所述的嵌入式镜头组在垂直方向和水平方向进行位置调节；且所述的二维调整机构和一体化光纤组两者在轮式承载架的位置关系可使得所述的轮式承载架能够保持平衡；

所述的一体化光纤组包括多组不同长度的光纤盘和用于封装多组光纤盘的壳体；用于封装光纤盘的壳体顶端带有光纤引出孔，所述的多组光纤盘上的光纤均通过该光纤引出孔引出。

所述的多组光纤盘内的光纤相关参数的选择方法为：

考虑到模拟器镜头与被测敏感器出光口对准的便利性，应选择大芯径的传能光纤。根据所选光纤对应被测敏感器激光波长的折射率S和衰减系数α，以及模拟器需要模拟的距离H，可根据下式计算出光纤长度L和功率衰减比P_out/P_in(输出端功率/输入端功率)。

L＝H/S (公式1)

P_out/P_in＝e^-(α×L)>

所述的耦合镜相关参数的选择方法为：

耦合镜参数在进行选择时应保证与所选光纤参数匹配。在光纤芯径确定的情况下，耦合镜焦距越小，能接受视场角越大，同时，焦距越小的耦合镜的有效口径越小。被测敏感器激光发射端口到模拟器耦合镜的距离为D，被测敏感器激光发散角度为β，则按下式可计算得到耦合镜接收面激光条带宽度W。

W＝D×tanβ (公式3)

选择视场与激光发散角接近、通光孔径与条带宽度接近的耦合镜型号。

所述的对准工装相关参数的选择方法为：

对准工装口面尺寸应略小于被测敏感器出光口尺寸，设计原则为对准工装与被测敏感器出光口对接之后，对准凸块卡在被测敏感器出光口面，以保证对准工装的口面边缘与被测敏感器出光口内壁不能有接触。

所述的激光器准直系统：

激光器准直系统安装在嵌入式镜头组底座侧边，设计原则为激光器准直系统的出光孔中心、被测敏感器的光学准直镜十字刻线中心、激光器准直系统的靶板中心三点一线。

所述的二维调整机构：

二维调整机构由底座、升降机构和多自由度调整台组成。根据被测敏感器出光口相对测试场地地面的垂直高度范围，选择调节范围参数满足要求的标准滚珠丝杠升降机构。由于模拟器在水平向没有大范围调节的需求，因此仅考虑模拟器由测试人员摆放在被测敏感器出光口下方时的水平向位置误差即可，选择满足要求的标准多自由度调整台。底座包括与升降机构配套的滚珠丝杠和滑轨。

所述的一体化光纤组：

将不同距离的光纤盘，通过螺钉紧固在光纤组壳体内。在光纤组壳体上表面设计光纤引出孔，将光纤通过光纤引出孔穿出与嵌入式镜头组的耦合镜相连。

所述的轮式承载架：

轮式承载架为定制的L形铝合金桁架结构，在L形桁架结构水平部分的底部加装标准的带锁紧机构的移动轮。

一种多距离点激光三维近景成像模拟方法，该方法的步骤包括：

(1)由测试人员将多距离点激光三维近景成像模拟器移动到被测敏感器出光口下方位置，锁定移动轮；

(2)接通所述的嵌入式镜头组的激光器准直系统电源，激光器发出准直光信号，准直光信号通过被测敏感器自带的光学准直镜反射到所述的激光器准直系统的靶板上，形成光斑；

(3)手动调节所述的二维调整机构，使得光斑中心与靶板十字中心对准；对准后关闭激光器准直系统电源；

(4)手动调节所述的二维调整机构，使得所述的二维调整机构的对准工装嵌入到被测敏感器的出光口内，同时使对准工装上的起限位作用的凸块运动到刚好与被测敏感器出光口口面接触上的位置；

(5)测试人员确定模拟器位置已调节到位后，锁定升降机构位置；

(6)被测敏感器发射激光，激光信号进入所述的嵌入式镜头组中的耦合镜，通过与耦合镜后端连接的光纤传输到一体化光纤组中不同距离的光纤盘中进行距离延迟；

(7)完成距离延迟的光程传输后，激光回光信号再通过与耦合镜后端连接的光纤返回到所述的嵌入式镜头组的耦合镜中，耦合镜将激光回光信号发射到被测敏感器出光口内；

(8)被测敏感器接收到激光回光信号并进行数据处理，得到所述的一体化光纤组中不同距离光纤盘模拟的三维高程图像。

有益效果

(1)本发明的对准工装的凸块起到限位和对准的作用；在对准工装内部放置倾斜的衰减片，用于衰减被测敏感器激光能量，防止全反射时有过大能量的激光信号返回被测敏感器造成其损伤；五个耦合镜以插入方式安装在耦合镜台体底部的安装孔上，根据被测敏感器激光发射角度不同，在机械加工时保证每个耦合镜插孔的倾斜角度可使激光信号与耦合镜接收面接近垂直；

(2)本发明的激光器准直系统通过可见红光激光器发出准直光信号，准直光路通过半透明反光片折射在被测敏感器自带的光学准直镜上，反射回的光路通过半透明反光片照射在反光片下方的靶板上，形成光斑；通过调节二维调整机构将光斑中心与靶板中心对准，可使得嵌入式镜头组与被测敏感器出光口水平向相对位置精确的对准；

(3)对准工装四壁底面通过螺钉与镜头组外罩安装耳片连接；镜头组外罩四壁底面通过螺钉与耦合镜台体连接，组装为嵌入式镜头组；嵌入式镜头组部分嵌入被测敏感器出光口内，可有效减小激光传播距离、形成物理屏蔽封闭激光辐射空间，有效降低测试人员人身受伤害的风险；

(4)所述的二维调整机构包括升降机构、多自由度调整台，用于调整嵌入式镜头组与被测敏感器出光口的相对位置；所述的轮式承载架为高强度铝合金型材组装而成的桁架结构，支架底部安装四个带锁紧固定装置的移动轮，可使得该模拟器便捷的移动；

(5)所述的一体化光纤组，是将多组不同距离的光纤盘通过机械方式固定在光纤组箱体内；光纤通过光纤组箱体上表面的光纤引出孔穿出与嵌入式镜头组的耦合镜相连接；利用光纤在激光传播距离上与实际景物距离的等效性，模拟探测目标点，通过设置不同长度的光纤模拟不同景物距离，以此提高物理特征距离点的识别度。将不同长度光纤封装为一体化光纤组，避免了光纤易损坏的问题；

(6)被测敏感器对本发明进行激光三维成像测试，通过测试可验证被测敏感器对不同距离点的高程信息测量准确性；可验证被测敏感器敏感器成像视场的覆盖性；可验证被测敏感器对目标成像获得的三维图像信息的准确性；

(7)本发明针对成像式激光体制敏感器室内验证困难、测试安全性差、测试环境适应性差的问题，提出了一种多距离点的激光三维近景成像模拟器设计方法。该设计方法是从航天领域工程实际应用的角度出发，结合背景型号任务的现实需求，充分考虑了测试安全性、测试环境约束等问题，实现了成像式激光体制敏感器的全物理激励信号的输出，大大提高了该类敏感器功能、性能验证测试的有效性。该设计方法还具有安装调试简单、安全性高、移动运输便捷的特点。

附图说明

图1为嵌入式镜头组1的结构示意图；

图2为二维调整机构2的结构示意图；

图3为轮式承载架3的结构示意图；

图4为一体化光纤组4的结构示意图；

图5为嵌入式镜头组1各部分连接示意图；

图6为嵌入式镜头组1与铝合金支架安装示意图；

图7为模拟器安装使用示意图；

图8为耦合镜14安装倾斜角度示意图。

具体实施方式

一种多距离点激光三维近景成像模拟器，包括：嵌入式镜头组1、二维调整机构2、轮式承载架3、一体化光纤组4，如图7所示。

嵌入式镜头组1

1)光纤参数选择。考虑到模拟器镜头与被测敏感器出光口对准的便利性，应选择大芯径的传能光纤。根据所选光纤对应被测敏感器激光波长的折射率S和衰减系数α，以及模拟器需要模拟的距离H，可根据下式计算出光纤长度L和功率衰减比P_out/P_in(输出端功率/输入端功率)。

L＝H/S (公式1)

P_out/P_in＝e^-(α×L)>

2)耦合镜14参数选择。耦合镜14参数在进行选择时应保证与所选光纤参数匹配。在光纤芯径确定的情况下，耦合镜14焦距越小，能接受视场角越大，同时，焦距越小的耦合镜14的有效口径越小。被测敏感器激光发射端口到模拟器耦合镜14的距离为D，被测敏感器激光发散角度为β，则按下式可计算得到耦合镜14接收面激光条带宽度W。

W＝D×tanβ (公式3)

选择视场与激光发散角接近、通光孔径与条带宽度接近的耦合镜14型号。

3)对准工装11接口设计

对准工装11口面尺寸应略小于被测敏感器出光口尺寸，设计原则为对准工装11与被测敏感器出光口对接之后，对准凸起卡在被测敏感器出光口面，对准工装11的口面边缘与被测敏感器出光口内壁不能有接触。

4)激光器准直系统16设计

激光器准直系统16安装在嵌入式镜头组1的耦合镜台体15侧边，其出光孔中心、被测敏感器的光学准直镜十字刻线中心、靶板中心三点一线。

二维调整机构2

二维调整机构2由底座21、升降机构22、多自由度调整台23组成。根据模拟器实际的使用环境即被测敏感器出光口相对测试场地地面的垂直高度范围，选择调节范围参数满足要求的标准滚珠丝杠升降机构22。由于模拟器在水平向没有大范围调节的需求，因此仅考虑模拟器由测试人员摆放在被测敏感器出光口下方的位置误差即可，选择满足要求的标准多自由度调整台23。

一体化光纤组4

将不同距离的光纤盘，固定通过螺钉紧固在一体化光纤组4箱体内。在一体化光纤组4箱体上表面设计光纤引出孔，将光纤与嵌入式镜头组1内的耦合镜14相连。

轮式承载架3

轮式承载架3为定制的L形铝合金桁架结构31，如图3所示。在桁架底部加装标准的带锁紧机构的移动轮32。

实施例

一种多距离点激光三维近景成像模拟器包括嵌入式镜头组1、二维调整机构2、轮式承载架3、一体化光纤组4，如图7所示。

如图1所示，所述的嵌入式镜头组1包括对准工装11、倾斜衰减片12、镜头组外罩13、耦合镜14、耦合镜台体15和激光器准直系统16；

所述的对准工装11为一无底无盖的空心长方体，即长方体带有内腔，长方体的每个棱的左侧和右侧各有一个小长方体凸块；

所述的倾斜衰减片12为一长方形薄片，长方形薄片的长边与所述的对准工装11内腔的长边长度一致，长方形薄片的短边与所述的对准工装11内腔的高宽形成的侧面的对角线长度一致，所述的倾斜衰减片12放置到所述的对准工装11的长方体内；

所述的镜头组外罩13也为一无底无盖的长方体，该长方体上口面两侧的宽边各向外延伸出一个支耳；

所述的对准工装11放置到所述的镜头组外罩13上方，且对准工装11固定连接在所述的镜头组外罩13的支耳上；

所述的耦合镜14参数选择时，根据本实例中模拟器工作平面到被测敏感器出射端口的距离为100mm～200mm，敏感器出射激光发散角度为33mrad，采用公式3进行计算，得到激光条带宽度为12.1mm～15.4mm。根据上述计算结果，选择视场为1.88°、通光孔径为10mm的耦合镜14。

所述的耦合镜台体15为带有倾斜角度的通孔的平板，通孔内固定安装耦合镜14，倾斜角度的确定方法为：使得被测敏感器激光发射光路与耦合镜14的接收面垂直；本实例中的耦合镜14安装孔倾斜角度如图8所示；如图5所示，所述的耦合镜14固定连接在耦合镜台体15上，耦合镜台体15固定连接在所述的镜头组外罩13的下方；

如图5所示，所述的激光器准直系统16固定连接在耦合镜台体15的侧边上。

如图2所示，所述的二维调整机构2包括底座21、升降机构22和多自由度调整台23；所述的底座21上带有丝杠和滑轨；所述的二维调整机构2用于对所述的嵌入式镜头组1进行支撑并用于对所述的嵌入式镜头组1在垂直方向和水平方向进行位置的调节；所述的升降机构22和多自由度调整台23均固定安装在底座21上，所述的升降机构22用于对所述的嵌入式镜头组1在垂直方向上进行位置的调节，所述的多自由度调整台23用于对所述的嵌入式镜头组1在水平方向上进行位置的调节；根据该模拟器在分系统和探测器总装测试环境下的实际使用需求，选择升降机构22的垂向位置最大调节范围为500mm，多自由度调整台23水平向最大调节范围为150mm的产品。

如图3所示，所述的轮式承载架3用于承载所述的二维调整机构2和一体化光纤组4，并能够带动所述的二维调整机构2和一体化光纤组4在地面上移动；轮式承载架3采用L型的铝合金型材桁架结构31，L型结构的水平部分底部四角各安装一个带锁紧装置的移动轮32；

如图7所示，所述的二维调整机构2通过螺钉安装在L形轮式承载架3竖直部分的桁架结构31外侧；所述的一体化光纤组4通过螺钉安装在L形轮式承载架3水平部分的桁架结构31上；

如图4所示，所述的一体化光纤组4包括五组光纤盘和用于封装五组光纤盘的壳体，壳体上方设置光纤引出孔；每盘光纤所模拟的距离不同，分别为60m、80m、100m、120m、130m；根据本实例中被测敏感器发射激光的波长为1064nm±5nm范围，可选择光纤芯径为600μm的传能光纤，所选光纤数值孔径为0.37±0.02，光纤纤芯材料为石英，在1064nm处折射率约为1.45，根据公式1可计算得到不同模拟距离所需的光纤长度。所选光纤在1064nm处的衰减约为10dB/km，根据公式2可粗略计算光波在光纤中往返的功率衰减比。得到所需光纤的长度和功率衰减比如表1所示：

表1为光纤的长度和功率衰减比

模拟距离60m80m100m120m130m光纤长度41m55m69m83m89m单程Pout/Pin0.660.570.50.430.41往返Pout/Pin0.440.330.250.190.17

如图6所示，考虑模拟器实际使用时的最低高度，将所述的嵌入式镜头组1通过两根长度为600mm的铝合金支柱与所述的二维调整机构2的多自由度调整台23连接，使嵌入式镜头组1垂向位置调节范围为900mm～1400mm。

一种多距离点激光三维近景成像模拟方法，该方法的步骤包括：

(1)由测试人员将多距离点激光三维近景成像模拟器移动到被测敏感器出光口下方位置，锁定移动轮32；

(2)接通所述的激光器准直系统16电源，激光器发出准直光信号，准直光信号通过被测敏感器自带的光学准直镜反射到所述的激光器准直系统16的靶板上，形成光斑；

(3)手动调节所述的二维调整机构2的多自由度调整台23，使得光斑中心与激光器准直系统16的靶板十字中心对准；对准后关闭激光器准直系统16电源；

(4)手动调节所述的二维调整机构2的升降机构22，使得所述的二维调整机构2的对准工装11嵌入到被测敏感器的出光口内，同时使对准工装11上的起限位作用的凸块运动到刚好与被测敏感器出光口口面接触上的位置；

(5)测试人员确定模拟器位置已调节到位后，锁定升降机构22的位置；

(6)被测敏感器发射激光，激光信号进入所述的嵌入式镜头组1中的耦合镜14，通过与耦合镜14后端连接的光纤传输到一体化光纤组4中不同距离的光纤盘中进行距离延迟；

(7)完成距离延迟的光程传输后，激光回光信号再通过与耦合镜14后端连接的光纤返回到所述的嵌入式镜头组1的耦合镜14中，耦合镜14将激光回光信号发射到被测敏感器出光口内；

(8)被测敏感器接收到激光回光信号并进行数据处理，得到所述的一体化光纤组4中五组距离光纤盘模拟的三维高程图像。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。