申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所;中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

申请日：2019-05-15

公开（公告）日：2024-05-10

公开（公告）号：CN110207932B

主分类号：G01M9/06

分类号：G01M9/06;G01M9/04;G05B11/42

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.10#授权;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.06#公开

摘要：本发明公开了一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震方法及系统，包括基于PSD位置传感器的激光焦斑坐标数据采集系统和基于PID控制算法的二维快速摆镜控制系统。本发明通过高精度的数据采集系统采集焦斑坐标位置，振镜控制器控制振镜振动修正光线的脱靶量，使得标定激光始终入射到PSD位置敏感探测器的中心，设计脱靶量参数自校正PID控制算法，在系统每次上电后，都可自动校准参数，确定系统稳定的条件并保存，系统上电即可自动校准运行，无需人工干预。解决高速风洞工况下纹影仪的图像稳定问题，保障了在恶劣工况引起的复杂环境振动中，纹影图像的稳定性。

主权项：1.一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：沿光路依次设置第一分光镜3、第一主反射镜4、振镜7、摆镜9及第二分光镜10；还包括用于控制振镜转动的振镜控制器6、用于控制摆镜摆动的摆镜控制器8及分别设置在第一分光镜3两个入射光路中的标定激光器1及可见光光源2、分别设置在第二分光镜10两个出射光路中的可见光相机15及光斑位置采集处理系统；所述光斑位置采集处理系统包括沿光路依次设置的PSD位置敏感探测器12及中央处理器13；所述中央处理器13与摆镜控制器8连接；标定激光器1发射的标定激光及可见光光源2发射的可见光经第一分光镜3合束后入射到第一主反射镜4，光束依次经第一主反射镜4、振镜7、摆镜9反射至第二分光镜10，第二分光镜10将光线分为标定激光和可见光两路；第二分光镜3分出的标定激光入射到PSD位置敏感探测器12，PSD位置敏感探测器12感应光信号，并将光斑的位置信息以光电流的形式输入到中央处理器13，中央处理器13对PSD位置敏感探测器12输出信号进行解算，解算出光斑在PSD位置敏感探测器12上的位置坐标，得出脱靶量数据，并将脱靶量数据反馈至摆镜控制器8，摆镜控制器8控制摆镜9转动，使得标定激光一直处于PSD位置敏感探测器12的中心位置；第二分光镜10分出的可见光光线入射到可见光相机15，可见光相机15对可见光光线曝光成像；PSD位置敏感探测器12输出四路光电流信号IX+、IX-、IY+、IY-；中央处理器13解算公式如下： 式中L为PSD位置敏感探测器正方形光敏面的边长。

全文数据：一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震方法及系统技术领域本发明涉及光斑监测控制技术领域，具体为一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震方法及系统。背景技术由于振动干扰的复杂性，传统的无源隔震技术很难有效的隔离精密设备工作平台的超低频振动信号，因为无源隔振元件的刚度有限，隔振器参数也不能实时调节，有源隔振系统在隔离超低频振动方面相比无源要成效显著些，但是工程实用化都还有一定的距离。在高速风洞纹影仪系统中，风洞开启和关闭的瞬间，强气流冲击造成的环境振动和气流扰动造成的光路偏转，会对纹影光路产生非常大的影响。发明内容为了解决高速风洞工况下纹影仪的图像稳定问题，本发明提供了一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震装置及方法。针对远距离传输中光束指向不稳定造成的到达目标的光斑漂移、抖晃问题，本发明以快速摆镜和位置敏感探测器为主要功能模块，设计跟踪系统，建立快速摆镜的控制系统，从而获取反射镜所需转动的角度值，补偿振动引起的光路失调，达到光路稳定、减小光路抖动、降低振动的目的。本发明的技术解决方案为提供一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震方法，将标定激光及可见光合束后依次反射至振镜与摆镜；对经摆镜反射后的光束进行分束；其中对分束后的标定激光进行位置探测，获得标定激光光斑的位置信息，根据获得的标定激光的位置信息控制摆镜运动，使得标定激光光斑脱靶量为零；分束后的可见光入射至可见光相机。本发明还提供一种实现上述方法的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特殊之处在于：沿光路依次设置第一分光镜、第一主反射镜、振镜、摆镜及第二分光镜；还包括用于控制振镜转动的振镜控制器、用于控制摆镜摆动的摆镜控制器及分别设置在第一分光镜两个入射光路中的标定激光器及可见光光源、分别设置在第二分光镜两个出射光路中的可见光相机及光斑位置采集处理系统；上述光斑位置采集处理系统包括沿光路依次设置的PSD位置敏感探测器及中央处理器；上述中央处理器与摆镜控制器连接；标定激光器发射的标定激光及可见光光源发射的可见光经第一分光镜合束后入射到第一主反射镜，光束依次经第一主反射镜、振镜、摆镜反射至第二分光镜，第二分光镜将光线分为标定激光和可见光两路；第二分光镜分出的标定激光入射到PSD位置敏感探测器，PSD位置敏感探测器感应光信号，并将光斑的位置信息以光电流的形式输入到中央处理器，中央处理器对PSD位置敏感探测器输出信号进行解算，解算出光斑在PSD位置敏感探测器上的位置坐标，得出脱靶量数据，并将脱靶量数据反馈至摆镜控制器，摆镜控制器控制摆镜转动，使得标定激光一直处于PSD位置敏感探测器的中心位置；第二分光镜分出的可见光光线入射到可见光相机，可见光相机对可见光光线曝光成像。进一步地，为了提高光束入射角度，上述光斑位置采集处理系统还包括设置在PSD位置敏感探测器之前的聚焦透镜组，聚焦透镜组将标定激光聚焦至PSD位置敏感探测器。进一步地，为了进一步提高系统稳定性，还包括位于第一主反射镜与振镜之间的第二主反射镜。且两个反射镜均为大口径反射镜。振镜快速振动将导致引起振镜反射光的振动，这将对分光镜出射的激光造成影响，从而导致系统的不稳定性上升，设置2个反射镜，避免振镜和光源系统直连，提高系统的稳定性。进一步地，上述标定激光器波长为905nm，属于红外激光波段，不参与可见光成像，只作为标定光路光源；上述的可见光光源为可见光波段的宽光谱光源。如LED等。进一步地，PSD位置敏感探测器输出四路光电流信号IX+、IX-、IY+、IY-。进一步地，中央处理器解算公式如下：式中L为PSD位置敏感探测器正方形光敏面的边长。进一步地，还包括位于第二分光镜与可见光相机之间的光阑。本发明还提提供一种利用上述系统实现高速风洞纹影仪焦斑监测减震的方法，包括以下步骤：步骤一：系统上电；步骤二：控制标定激光器及可见光光源同时发射标定激光及可见光；步骤三：标定激光及可见光经第一分光镜合束后入射到第一主反射镜，光束依次经第一主反射镜、第二主反射镜、振镜、摆镜反射至第二分光镜，第二分光镜将光线分为标定激光和可见光两路；步骤四：第二分光镜分出的标定激光入射到PSD位置敏感探测器，PSD位置敏感探测器感应光信号，并将光斑的位置信息以光电流的形式输入到中央处理器，中央处理器对PSD位置敏感探测器输出信号进行解算，解算出光斑在PSD位置敏感探测器上的位置坐标，得出脱靶量数据，并将脱靶量数据反馈至摆镜控制器，摆镜控制器控制摆镜转动，使得接收到的脱靶量数据为零；第二分光镜分出的可见光光线通过光阑入射到可见光相机，可见光相机对可见光光线曝光成像。进一步地，步骤四中，摆镜控制器存储接收到的脱靶量数据为零时的控制参数。本发明的有益效果是：1、在恶劣工况下工作，风洞开启后会引起很高的环境振动，本发明基于高精度和高速度的PSD位置传感器激光焦斑坐标数据采集系统、PID控制算法的二维快速摆镜控制系统，实现了对装置脱靶量的快速准确校正，提高了光束稳定控制的精度和带宽，保障了在恶劣工况引起的复杂环境振动中，纹影图像的稳定性；2、本发明设置有光束聚焦装置，能够提高光束的摄入角准确度，缩小光路末端焦斑直径，提高焦斑位置采集精度，进而使射入纹影图像采集相机的光束更加稳定；3、本发明根据几何光学理论及PID控制算法，确定光束稳定的条件，控制方便易于实现；4、安装了大口径的平面反射镜，并能保证摆镜的闭环控制精度和控制带宽。5、依靠自校正算法，在本纹影仪焦斑监测减震装置每次上电后，都可自动校准参数，确定系统稳定的条件并保存，系统上电即可自动校准运行，无需人工干预。附图说明图1为本发明系统示意图。图中：1-标定激光器，2-可见光光源，3-第一分光镜，4-第一主反射镜，5-第二主反射镜，6-振镜控制器，7-振镜，8-摆镜控制器，9-摆镜，10-第二分光镜，11-聚焦透镜组，12-PSD位置敏感探测器，13-中央处理器，14-光阑，15-可见光相机。具体实施方式下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步描述：本发明将标定激光及可见光合束后依次反射至振镜与摆镜；对经摆镜反射后的光束进行分束；其中对分束后的标定激光进行位置探测，获得标定激光光斑的位置信息，根据获得的标定激光的位置信息控制摆镜运动，使得标定激光光斑脱靶量为零；分束后的可见光入射至可见光相机。本实施例中通过图1所示的系统实现上述方法：从图1可以看出，本实施例系统包括标定激光器1，可见光光源2，第一分光镜3，第一主反射镜4，第二主反射镜5，振镜控制器6，振镜7，摆镜控制器8，摆镜9，第二分光镜10，聚焦透镜组11，PSD位置敏感探测器12，中央处理器13，光阑14，可见光相机15。振镜7作为纹影仪焦斑监测减震装置的扰动装置。振镜控制器6控制振镜7对光路实施扰动，稳定整个装置光路。摆镜9模拟高速风洞环境中气流对装置光路的干扰，使得整个装置的光路发生晃动。标定激光器1发射波长为905nm的标定激光到第一分光镜3，可见光光源2发射宽谱可见光到第一分光镜3，第一分光镜3将标定激光和可见光合束后入射到第一主反射镜4，第一主反射镜4将光束反射到第二主反射镜5，第二主反射镜5将光线反射到振镜7，振镜7将光线反射到摆镜9，摆镜控制器8控制摆镜9高速摆动模拟高速气洞的干扰，摆镜9将光线反射到第二分光镜10，第二分光镜10将光线分为标定激光和可见光两路，标定激光入射到聚焦透镜组11，聚焦透镜组11将标定激光聚焦到PSD位置敏感探测器12，PSD位置敏感探测器12感应其上的标定激光光信号，PSD位置敏感探测器12将标定激光光信号位置信息以光电流IX+、IX-、IY+、IY-输入到中央处理器13，中央处理器13对PSD位置敏感探测器12输出信号进行解算，解算出脱靶量数据，光斑位置解算公式如下：其中L为PSD位置敏感探测器正方形光敏面的边长，中央处理器13将解算出的光斑位置信息反馈给摆镜控制器8，摆镜控制器8控制摆镜9摆动修正光线的脱靶量，使得标定激光始终入射到PSD位置敏感探测器的中心。第二分光镜10分出的可见光光线通过光阑14入射到可见光相机15，可见光相机15对可见光光线曝光成像。本发明设计脱靶量参数自校正PID控制算法，在系统每次上电后，都可自动校准参数，确定系统稳定的条件并保存，系统上电即可自动校准运行，无需人工干预。

权利要求：1.一种高速风洞纹影仪焦斑监测减震方法，其特征在于：将标定激光及可见光合束后依次反射至振镜与摆镜；对经摆镜反射后的光束进行分束；其中对分束后的标定激光进行位置探测，获得标定激光光斑的位置信息，根据获得的标定激光的位置信息控制摆镜运动，使得标定激光光斑脱靶量为零；分束后的可见光入射至可见光相机。2.一种实现权利要求1所述方法的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：沿光路依次设置第一分光镜3、第一主反射镜4、振镜7、摆镜9及第二分光镜10；还包括用于控制振镜转动的振镜控制器6、用于控制摆镜摆动的摆镜控制器8及分别设置在第一分光镜3两个入射光路中的标定激光器1及可见光光源2、分别设置在第二分光镜10两个出射光路中的可见光相机15及光斑位置采集处理系统；所述光斑位置采集处理系统包括沿光路依次设置的PSD位置敏感探测器12及中央处理器13；所述中央处理器13与摆镜控制器8连接；标定激光器1发射的标定激光及可见光光源2发射的可见光经第一分光镜3合束后入射到第一主反射镜4，光束依次经第一主反射镜4、振镜7、摆镜9反射至第二分光镜10，第二分光镜10将光线分为标定激光和可见光两路；第二分光镜3分出的标定激光入射到PSD位置敏感探测器12，PSD位置敏感探测器12感应光信号，并将光斑的位置信息以光电流的形式输入到中央处理器13，中央处理器13对PSD位置敏感探测器12输出信号进行解算，解算出光斑在PSD位置敏感探测器12上的位置坐标，得出脱靶量数据，并将脱靶量数据反馈至摆镜控制器8，摆镜控制器8控制摆镜9转动，使得标定激光一直处于PSD位置敏感探测器12的中心位置；第二分光镜10分出的可见光光线入射到可见光相机15，可见光相机15对可见光光线曝光成像。3.根据权利要求2所述的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：所述光斑位置采集处理系统还包括设置在PSD位置敏感探测器12之前的聚焦透镜组11，聚焦透镜组11将标定激光聚焦至PSD位置敏感探测器12。4.根据权利要求3所述的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：还包括位于第一主反射镜4与振镜7之间的第二主反射镜5；所述第一主反射镜4与第二主反射镜5均为大口径反射镜。5.根据权利要求4所述的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：所述标定激光器1波长为905nm；所述的可见光光源2为可见光波段的宽光谱光源。6.根据权利要求2所述的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：PSD位置敏感探测器12输出四路光电流信号IX+、IX-、IY+、IY-。7.根据权利要求6所述的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：中央处理器13解算公式如下：式中L为PSD位置敏感探测器正方形光敏面的边长。8.根据权利要求2所述的高速风洞纹影仪焦斑监测减震系统，其特征在于：还包括位于第二分光镜10与可见光相机15之间的光阑。9.一种利用权利要求4-8任一所述系统实现高速风洞纹影仪焦斑监测减震的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：系统上电；步骤二：控制标定激光器及可见光光源同时发射标定激光及可见光；步骤三：标定激光及可见光经第一分光镜合束后入射到第一主反射镜，光束依次经第一主反射镜、第二主反射镜、振镜、摆镜反射至第二分光镜，第二分光镜将光线分为标定激光和可见光两路；步骤四：第二分光镜分出的标定激光入射到PSD位置敏感探测器，PSD位置敏感探测器感应光信号，并将光斑的位置信息以光电流的形式输入到中央处理器，中央处理器对PSD位置敏感探测器输出信号进行解算，解算出光斑在PSD位置敏感探测器上的位置坐标，得出脱靶量数据，并将脱靶量数据反馈至摆镜控制器，摆镜控制器控制摆镜转动，使得接收到的脱靶量数据为零；第二分光镜分出的可见光光线通过光阑入射到可见光相机，可见光相机对可见光光线曝光成像。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤四中，摆镜控制器存储接收到的脱靶量数据为零时的控制参数。

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