提高运载火箭CCD激光瞄准仪准直精度及稳定性技术研究

孙 煜，王学根，解英梅，贺永喜，姜 华

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

瞄准系统在运载火箭发射前，需按射向装订发射角，并通过转动箭体或惯性器件，将制导系统中惯性器件的方位敏感轴调整到射向，通过精确测量，获得惯性器件方位敏感轴与射向的偏差角，从而保证火箭发射后能按预定轨道精确飞行。但火箭在加注后或风摆工况下，箭体会产生偏移，在瞄准仪视场中观察到目标棱镜偏移分划板中心位置，或左右，或上下，准直数据时常出现超过25″以上的数字跳变，偶尔还会出现无数据现象。这对于以准直偏差角大小输出准直电流控制惯性器件转动的瞄准系统而言，会造成瞄准精度超差或失控等较大风险。

CCD激光瞄准仪作为运载火箭瞄准系统主要设备，其瞄准惯性器件上目标棱镜的准直偏差角精度直接影响着火箭发射精度。目前所用CCD激光瞄准仪，多采用半导体激光器作为准直光源。半导体激光器具有单色性好、方向性好、高亮度、相对其它光源穿透能力强的特点，以及电光转换效率高、体积小、驱动电路简单、寿命长、可靠性高和价格低等优点，被广泛用于光电测量领域[1]。但在以半导体激光器为准直光源、CCD器件为接收器件的激光瞄准仪实际使用中发现：在瞄准准直测量时，目标方位未动，但测量数据不稳定，时常出现超过5″以上的变化，而当目标棱镜相对激光瞄准仪平移（方位未发生变化）时，准直偏差角度测量数据出现较大误差，影响系统准直测量精度和功能。

本文将从通过对激光瞄准仪准直光束采取匀化措施从而提高系统准直测量精度和对平移目标的适应性角度进行分析和探讨。

1 基于CCD的光电准直原理

激光瞄准仪选用 CCD器件作为准直偏差角测量的光电转换器件，以半导体激光器作为准直光源，其光电准直光路原理如图1所示[2]。

图1 CCD激光瞄准仪光电准直光路原理示意Fig.1 Light Prinicipe for the Collimation of the CCD Laser-Collimator A—反光镜转动的角度；F—焦距；XL—光点移动后的位置；X0—光点起始位置；L—光点移动距离

由图 1可以看出，半导体激光器发出的光束经聚光镜成像在焦面上，经分光棱镜反射并通过物镜变成一束扩展的准直光，如果平面反光镜法线与主光轴平行，则其经反光镜后原路返回，汇聚在物镜焦面上的CCD的X0处；当平面反光镜偏转角度为A且A很小时，返回光点将汇聚在物镜焦面上的CCD的 XL处，此时平面反光镜的转角 A可以用返回光点在物镜焦面上的位移L来表示[3]。

计算公式为

式中 A为平面反光镜偏转角度；L为与转角A相对应的光点在CCD上的偏移量，L = XL-X0，mm；f为物镜焦距，mm。

CCD激光瞄准仪是由多个等间隔的像感单元组成的光电阵列，如果知道单个像元所对应的角度值（通过预先设定得到），那么只要测量出光点移动像感单元的数目就能精确计算出准直偏差角，光点移动量不足一个像感单元可采用细分计算。

半导体激光器出射的激光到达目标棱镜，经棱镜反射回到激光瞄准仪，返回像点在CCD光敏面上形成一定宽度的光斑，经光电转换后，形成如图2所示的信号波形。

图2 CCD输出信号Fig.2 Output Signal of CCD

由于该波形占据一定的宽度且各像元对应的电压幅值不同，激光瞄准仪通过计算光斑的重心位置完成光斑中心位置的确定，并采取一定的方法进行细分处理，以得到较高精度的测量结果。计算公式为

式中 W为光斑重心在CCD上位置；I为AD转换采集的视频信号数据序号，数据范围为[1，N]；N为光斑覆盖的CCD像元数；Vi为第i次AD转换采集的视频信号幅值；0V为噪声幅值；0I为光斑在CCD像元的起始位置。

但在实际应用中，CCD输出信号不会如图2所示，而是由于半导体激光器输出光的发光点强弱不均，在通过外界光学元件变形加剧了返回光强的不均匀，导致CCD输出信号如图3所示，在主信号两侧存在毛刺。

图3 以半导体激光器为准直光源的CCD输出信号波形Fig.3 Signal Figure of CCD Output with Collimation Light of Laser Diode

2 技术方案

2.1 激光准直技术现状分析

半导体激光器通常由多个半导体激光发光单元（Emmitter）通过阵列叠加而成[4]，由于半导体激光器采用非对称激活通道，其有源区在竖直方向和水平方向的孔径约束大小不一样，因衍射等原因导致高斯光束空间分布的不对称。在快轴方向上发散角一般在20～40°，光束质量接近衍射极限，为基横模高斯分布；在慢轴方向上，发散角一般在8～15°，为多模厄米-高斯分布型[5]，发光点在空间分布稀疏，输出光能量不集中，光束质量很差，光强分布不均，如图4所示。

图4 半导体激光器输出光束能量分布示意Fig.4 Distributing of Light Beam Energy Exported by Laser Diode

激光瞄准仪将半导体激光器输出光束通过两组正透镜后，作为准直光源，汇聚到焦平面处，光路如图5所示，光斑呈椭圆高斯型，且光强不均，如图6所示。

图5 激光瞄准仪准直光源光路示意Fig.5 Collimation Light Path of the Laser-collimator

图6 半导体激光器组件出射光束能量分布示意Fig.6 Light Beam Energy Distributing Exported by Laser Diode Subassembly

这样的光斑经激光瞄准仪系统后，形成如图7所示直径为65 mm出射光束，肉眼可以清晰看出激光瞄准仪出射光束分布不均匀。用照度计检测光束上下左右光强分布，结果如图8所示，边缘最低光强仅为中心部位的23%左右。

图7 经整形后激光瞄准仪出射光束能量分布示意Fig.7 Shaping Light Beam Energy Distributing Exported by Laser-collimator

图8 激光瞄准仪出射光束光强分布数据（光强单位Lx）Fig.8 Data of the Light Beam Energy Distributing Exported by Laser-collimator (Light Power Unit Lx)

由于光强分布不均，激光光斑经目标棱镜返回后，在CCD输出信号波形上存在尖峰毛刺，如图3所示。

但实际应用时，因目标棱镜差异，当不均匀的激光束经目标棱镜返回到激光瞄准仪后，CCD器件输出信号波形如图9所示；当目标棱镜发生平移时，覆盖在目标棱镜上的光强发生变化，CCD器件输出信号幅值改变，如图 10所示。激光瞄准仪是通过计算 CCD上光斑的重心位置完成光斑中心位置的确定，输出波形的改变，会造成测量误差。

图9 准直偏差角跳变时的CCD输出波形曲线Fig.9 Output Figure of CCD When the Collimation Angle Leaps

图10 棱镜平移时CCD输出波形曲线Fig.10 Output Figure of CCD When the Prism Moves

由于光强不均匀导致 CCD输出信号波形上一直存在毛刺，为避免毛刺信号对有效信号的干扰，激光瞄准仪采用通过控制准直光源光强的方法来抑制毛刺幅值。但光强的控制强度不易把握——准直光源出射光强低时，CCD输出主信号低于阈值，系统无反应；出射光强高时，CCD输出呈双峰或多峰，系统跳数或不能正常工作。只有在主信号有效、两侧的毛刺信号无效时，激光瞄准仪才能正常工作。当激光瞄准仪出射激光光强只能局限在0.3～0.7 Lx之间，适应光强范围过窄时，这不仅对于激光瞄准仪生产装调时要求苛刻，而且即使按此要求完成装调出厂，在面对棱镜偏移等客观因素影响时，激光瞄准仪还可能会处于不能正常工作状态。

通过分析，影响准直测角精度和稳定的原因在于CCD输出信号存在毛刺，毛刺产生的原因在于激光瞄准仪准直光源光强的分布不均，而且光强分布不均还会在目标棱镜平移的工况下导致瞄准系统控制功能失效，这是半导体激光器自身特性决定的。要解决上述问题，需对激光瞄准仪半导体激光器出射光束的光强进行匀化。

2.2 激光光源匀光技术

激光整形技术可分为：单透镜法、组合透镜法、渐变折射率透镜法、液体透镜法、衍射法和反射法等[6]。

为实现激光瞄准仪半导体激光器出射光束匀化的设计思想，历经玻片、柱面镜、科勒照明等方案，最终选取性价比较好的正、负透镜组合，实现了半导体激光器出射光束能量分布相对均匀，提高了成像质量，解决了准直偏差角测角精度和稳定问题。

半导体激光器出射光束能量在靠近中心的区域较为均匀，而在边缘，尤其是短轴方向，变化明显。首先，考虑利用负透镜扩展原理，将半导体激光器出射光束放大，然后选用其中较为均匀的中间区域经正透镜组聚焦到焦平面。

正负透镜整形的光学系统如图11所示，准直光源结构示意如图12所示。

图11 正负透镜匀化光强整形光源的光学系统Fig.11 Light System of the Even Energy Shaped by the Positive and Negative Lens

图12 准直光源结构示意Fig.12 Structure Figure of the Collimation Light 1—负透镜；2—正透镜一；3—正透镜二；4—分划板；5—安装法兰

由图11、图12可知，通过利用负透镜将半导体激光器自身出光均匀性较好的中心部分光线进行光学放大，再通过正透镜一将局部放大的光线进行平行收敛，最后通过正透镜二将平行光束聚焦到处于焦平面的分划板上，成为提供激光瞄准仪的优质点光源。

负透镜、正透镜一、正透镜二光学镜头的设计是通过Zemax专业光学软件设计完成。通过Zemax软件的“REAY”函数控制光束的实际高度与理想高度尽量一致，再利用Aemax软件自动优化，设计出序号2、序号3镜头的优质准直光路；最后通过整体设计序号1、序号2、序号3镜头的光学系统像差，有效减小球差，改善了系统成像质量，提高了准直测量精度。光学设计参数如表1所示。

表1 使用正负透镜后光学系统参数Tab.1 Parameters of Light System Using Positive and Negative Lens

准直光源出射光束如图13所示，激光瞄准仪出射 光束如图14所示。由图13、图14中，采用正负透镜后，目视出射激光均匀。用照度计检测激光瞄准仪出射准直光斑光强均匀性结果如图15所示。从图15可以看出，激光瞄准仪出射光束边缘与中心光强差距约为 50%，能量分布对称，肉眼难以分辨差距，比未采用正负透镜前光强均匀性提高很多。

图13 正负透镜匀化光强后激光器组件出射光束能量分布示意Fig.13 The Energy Distributing Exported by Laser Diode Subassembly with the Light Beam Evened by Positive and Negative Lens

图14 采用正负透镜提高匀化光强水平后激光瞄准仪出射光束能量分布示意Fig.14 Energy Distributing Exported by Laser-collimator with Positive and Negative Lens to Even the Light Beam

图15 使用正负透镜后激光瞄准仪出射光束光强分布数据（光强单位Lx）Fig.15 Data of the Energy Distributing Exported by Lasercollimator with Positive and Negative Lens to Even the Light Beam (Light Power Unit Lx )

3 试验验证

3.1 准直偏差角精度测试

在激光瞄准仪前方3 m处架设装有直角棱镜的经纬仪，通过转动经纬仪，每隔10″装角一次，测量范围±2＇，每次读取准直角度数据与经纬仪装订角度比对，误差值即为准直偏差角测量精度。

在未匀化光强时，激光瞄准仪在±2′的范围内准直偏差角测量精度为7.8″，如表2所示。采用正负透镜匀化光强后，±2′范围内的准直偏差角测量精度为4.9″，测量精度有明显提高，如表3所示，而且数显稳定，不再出现较大的跳动。

表2 匀光前准直测量精度Tab.2 Precision of Collimation Measuring without the Light Evened

表3 匀光后准直测量精度Tab.3 Precision of Collimation Measuring with the Light Evened

3.2 平移工况测试

激光瞄准仪瞄准物镜前方40 m处架设在精密导轨上的50 mm×30 mm（L×H）直角棱镜中心，准直后通过上、下、左、右平移棱镜，每间隔一段距离读取准直零位变化，测量范围垂直方向±25 mm，水平方向±35 mm。每次读取准直角度数据与初始零位比对，误差值即为平移工况下准直偏差角测量精度。分别在未采取匀化措施和采取匀化措施后进行对比，结果如表4所示。

表4 匀光前后棱镜平移对准直零位的影响Tab.4 Influence on Collimation Zero Caused by the Prism Moving with or with No Even Light

续表4

通过表 4可以看出：当目标棱镜在垂直方向平移时，激光瞄准仪准直零位变化较大。在未匀化光强时，垂直方向平移15 mm准直零位有超过20″的变化，随着平移量的增加，甚至出现了没有数据的现象。观察CCD输出信号波形，可以看到信号幅值已低于阈值。水平方向平移时，准直零位变化情况稍好，但也有20″左右变化。采用正负透镜匀化光强后，在垂直方向±25 mm、水平方向±40 mm范围内平移，准直零位变化不大于10″，稳定性有明显提高。

此外，匀化光强技术的应用在提高准直偏差角测量精度的同时，还提高了激光瞄准仪自适应性能：匀化光强弱化了因外界光学元件变形导致成像质量下降从而引起的CCD输出信号上产生的毛刺，降低了毛刺信号对准直偏差角有效性的干扰，将激光瞄准仪光强适应范围从匀化光强前的 0.3～0.7 Lx扩大到 0.2～14 Lx，减少了光强调节环节，提高了设备测量可靠性和实用性。

4 结束语

针对半导体激光器出射光束强度分布不均对以CCD为光电转换器件的激光瞄准仪准直测量系统精度、稳定性以及适应目标棱镜平移工况所带来的影响，设计了一种以正负透镜组合匀化光强的光学系统，在室内外试验验证以及运载火箭全系统试验结果表明，可以有效改善激光瞄准仪光学系统输入像质，提高准直偏差角的测量精度及稳定性，对因加注或风摆造成的惯性器件上目标棱镜平移的工况，也有很好的适应性。