水平式激光发射系统光轴平行度误差分析

　　0 引 言

　　激光发射系统采用传统的光电经纬仪跟瞄系统，用于激光光束的馈送及光束质量的控制，利用电视跟踪系统精密跟踪目标，并将激光束准确地投射到目标体上，以实现对目标的准确测量。 因此，激光轴与电视光轴的平行度是保证系统指向精度的关键。

　　传统的激光发射系统大多采用地平式跟瞄系统，激光有效作用距离通常为几至几十千米，对光轴平行度的要求不高，通常为十几至几十秒，光轴平行度由光机结构的装调精度即可保证。对于作用距离更远的激光发射系统， 为保证其具有非常高的跟踪瞄准精度， 往往要求发射光学系统与跟踪光学系统共光路，但共光路系统则会带来光机结构复杂、成本昂贵等问题[1-5]。

　　水平式激光发射系统采用水平式光电经纬仪跟瞄系统。 该系统的作用距离为几百千米，仅靠装调方法难以保证光轴平行度， 而采用共光路系统必然使研发成本成倍增加，因此，深入分析光轴平行度误差对于提高系统指向精度具有重要意义。

　　对于传统的水平式光电经纬仪，激光器与电视跟踪系统同时安装于纬轴框架内(地平式为俯仰轴框架)， 激光轴与电视光轴的平行度误差为静态误差，不随轴系的旋转而变化，光轴平行度的检测与校正比较容易实现。文中的激光发射系统将激光器固定于基座上， 激光束通过轴系内各反射镜导出，激光发射系统的轴系误差、激光发射光路装调误差已耦合在一起。 在轴系旋转过程中，上述误差将导致激光轴偏离理想轴线并绕理想轴线晃动， 因此，激光轴与电视光轴的平行度误差为动态误差，传统的检校方法已不能校正该系统光轴平行度误差。

　　文中借鉴经纬仪光轴指向模型的建立方法———基本参数法、坐标变换法的思想[6-8]，根据水平式激光发射系统光机结构自身的特点， 建立了经轴坐标系、纬轴坐标系和 CCD 像面坐标系， 借助矢量旋转与坐标变换， 求得激光轴与电视光轴平行度误差模型，并由置于发射窗口处的折返镜将激光束导入电视跟踪系统， 由电视跟踪系统标定两光轴平行度误差值，最后采用最小二乘法拟合得到误差模型中各待定系数，并对拟合后的光轴平行度进行了精度分析。

　　1 系统结构及误差源分析

　　水平式激光发射系统的机械结构和光学结构分别如图 1、图 2 所示。 激光器发射激光后，光束进入激光发射光路，最后经扩束系统射出。

　　由系统的光机结构可知，产生平行度误差的主要误差源为轴系误差、激光发射光路装调误差、电视光轴指向误差，具体分为：(1) 激光器安装误差引起的激光束 (经反射镜 1 前的光束) 与经轴的偏角误差;(2)反射镜 1～3 安装误差引起的激光束 R3( 经反射镜 3后的光束) 与纬轴的偏角误差;(3) 反射镜 4～6 安装误差引起的激光束 R6( 激光轴 ) 的指向差 ， 即照准差 ;(4) 经轴倾斜带来的误差 ;(5) 纬轴与经轴不垂直带来的误差;(6) 电视光轴的指向误差。