洪華杰,周 遠，陶 忠，范大鵬，范世珣

(1. 國防科技大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙410073;2. 西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

1 光電偵察領域中的光學平臺技術

光電偵察技術利用光源在目標和背景上的反射或目標、背景本身輻射電磁波的差異來探測、識別目標，成為繼雷達技術之后的另一種非常有效的戰(zhàn)場偵察手段。近年來，微光、激光、紅外等光學成像技術不斷更新，各式新型的光電器件日新月異，配以形形色色的光學平臺，光電偵察的手段越來越豐富。

光學平臺技術一般可分為平臺式和指向鏡式。平臺式[1-5]是圖像或瞄準線穩(wěn)定的一種成熟技術，一般將探測器和慣性器件集成于一個多軸萬向架上，通過控制探測器平臺的運動實現(xiàn)光束或視軸的空間運動，獲取穩(wěn)定的圖像或視軸。這種萬向架平臺技術在過去幾十年內(nèi)得到了廣泛應用，著名的阿帕奇武裝直升機上的光電觀瞄裝置就是采用這種方式。但是平臺式需要將探測器與慣性器件暴露于掩體外，戰(zhàn)場上易受攻擊，同時由于慣量較大，整體穩(wěn)定的快速性能受影響，平臺式的動靜態(tài)性能似乎已接近極限，這已逐步不能滿足高速高精度光電偵察領域的需求?，F(xiàn)代光學平臺技術的研究關注點正投向各類指向鏡式的光學平臺技術[6-8]，反射鏡穩(wěn)定技術、快速反射鏡技術、新型楔鏡光束調(diào)整技術等，都是在光學通道中置入某類型的光學器件，通過控制該光學器件的姿態(tài)來實現(xiàn)光束或視軸的空間運動。

反射鏡穩(wěn)定技術是把光學傳感器安裝在萬向架中的固定位置，將反射鏡安裝在光學傳感器光路中，光軸的方向可以由受控反射鏡的姿態(tài)變化來改變。世界各國坦克車輛中的光電偵察裝置大都采取這種方式。文獻[9-12]較為全面地論述了反射鏡穩(wěn)定的多種技術手段，剖析了從傳統(tǒng)的二比一機制、到摒棄傳動機構的仿捷聯(lián)式機制下視軸穩(wěn)定的系統(tǒng)構成與數(shù)學原理，并分析了各種穩(wěn)定機制的優(yōu)缺點。二比一機構和捷聯(lián)方式均為系統(tǒng)引入了更多的誤差源，致使反射鏡機制下的系統(tǒng)穩(wěn)定性能難以超越平臺式。盡管在近一二十年內(nèi)其應用研究日趨減少，但是反射鏡穩(wěn)定方式下的系統(tǒng)輕量化、配置靈活的優(yōu)勢使得其始終是軍用光電偵察領域中的一種有效手段。

快速反射鏡是指轉(zhuǎn)角范圍在毫弧度量級，分辨率和重復定位精度在亞微弧度或微弧度量級，位置伺服帶寬達到100 Hz以上的光軸控制機構?？焖俜瓷溏R屬于典型的定位系統(tǒng)，主要應用于光電平臺二級穩(wěn)定以及精密光束指向控制系統(tǒng)中，與粗級光學平臺或反射鏡穩(wěn)定平臺一起構成粗精復合穩(wěn)定系統(tǒng)[13-17]。根據(jù)致動器類型，用于精密光路調(diào)整和穩(wěn)定的快速反射鏡機構可分為6大類：壓電陶瓷致動器(piezoelectric transition , PZT)、音圈電機(voice coil actuator， VCA)、磁致伸縮致動器、形狀記憶合金致動器、電致伸縮致動器、靜電微致動器。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明，目前用于角度快速調(diào)整的精瞄偏轉(zhuǎn)微定位機構，以壓電陶瓷致動和音圈電機致動為主。國外開展快速反射鏡的研究和產(chǎn)品開發(fā)較早，目前技術水平領先的有德國PI公司、美國洛克希德-馬丁空間系統(tǒng)公司、英國Queensgate設備公司、德國的MRC Systems股份有限公司、BAE SYSTEM公司、美國Ball Aerospace & Technology公司和日本NEC公司等[14]。國內(nèi)開展此類研究相對較晚，但進展較大，目前中科院長春光學精密機械與物理研究所、哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學等多家單位正在進行精密光路調(diào)整機構的相關研究。

棱鏡利用了光學折射原理，人們通過各種光學組合來控制光束的指向。近些年來，以棱鏡為基礎的光學技術已逐步應用于軍事領域，成為光學戰(zhàn)場偵察的一種有效手段。本文就Risley棱鏡為對象，描述了其組成、工作原理、工程實現(xiàn)問題及其應用等現(xiàn)狀，為其進一步應用研究奠定基礎，也可供同行參考。

2 Risley棱鏡的工作原理

Risley棱鏡系統(tǒng)通過兩棱鏡的共軸獨立旋轉(zhuǎn)改變光的傳播方向，可實現(xiàn)光束或視軸的指向調(diào)整[5]。

2.1 系統(tǒng)構成

如圖1所示，Risley棱鏡光束指向控制系統(tǒng)的核心由一對共軸相鄰排列的折射棱鏡組成，該棱鏡組在軸承的支撐下由各自的電機驅(qū)動繞共同的軸旋轉(zhuǎn)，一般配有測量棱鏡實時位置的測角元件，有時還配置測速元件等。

文獻調(diào)研表明，一般系統(tǒng)設計中兩棱鏡的頂角和材料相同，可采用面對面或背靠背式的配置方式，兩棱鏡盡可能貼近以減小光軸平移誤差[18]。同時兩棱鏡一般配置在機架的軸端，以減小外側(cè)光線的遮擋。

圖1 Risley棱鏡光束控制系統(tǒng)構成示意圖Fig.1 Structure of beam control system for Rislay prism

2.2 Risley棱鏡光束控制工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2所示。光束平行系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸入射，兩棱鏡將通過折射改變光束傳播方向。通過改變兩棱鏡的轉(zhuǎn)角θ1、θ2，可使出射光束在一定偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實現(xiàn)任意指向調(diào)整。尋求兩棱鏡的方位與出射光束指向位置之間的內(nèi)在聯(lián)系是Risley棱鏡光束調(diào)整系統(tǒng)應用的中心問題[19]。當平行光線射入棱鏡系統(tǒng)，已知兩棱鏡的位置求取出射光線的偏轉(zhuǎn)角度是Risley棱鏡光束調(diào)整系統(tǒng)的正求解問題。當已知所要求的出射光束偏轉(zhuǎn)角度求取兩棱鏡的角度是Risley棱鏡的反求解問題[20-21]。

1) 正求解問題

解決正求解問題的傳統(tǒng)方法是一級近軸近似方法，將兩棱鏡都看作楔角很小的光楔，光束在棱鏡主截面內(nèi)偏轉(zhuǎn)恒定的角度，雙棱鏡系統(tǒng)對光束總的偏轉(zhuǎn)角度就是兩棱鏡偏轉(zhuǎn)角度的矢量和[22-24]。該方法是近軸條件下的薄棱鏡近似，只適用于偏轉(zhuǎn)角較小的雙棱鏡系統(tǒng)。近期Yang 和 Li 采用光線追跡方法分別對不同結(jié)構的雙棱鏡系統(tǒng)推導了光束指向隨雙棱鏡角度位置變化的解析關系式，為雙棱鏡系統(tǒng)的大角度偏轉(zhuǎn)應用提供了理論基礎和方法導引[19,21]。

圖2 Risley棱鏡光束控制示意圖Fig.2 Beam controlling diagram of Rislay prism

圖3 光束偏轉(zhuǎn)的遠場薄棱鏡近似分析方法Fig.3 Approximate analysis of beam deflection far-field thin prism

依據(jù)遠場薄棱鏡近似分析方法，由圖3可知，經(jīng)過2個棱鏡后的光束在2個方向上的偏轉(zhuǎn)角度分量分別為

Φx=δ1sin(θ1+θ10)-δ2sin(θ2+θ20)
Φy=-δ1cos(θ1+θ10)+δ2cos(θ2+θ20)

(1)

式中：每個棱鏡的光束偏轉(zhuǎn)角大小分別為δ1=α1(n1-1)；δ2=α2(n2-1)；θ1、θ2分別為前后2個棱鏡y軸繞z軸的轉(zhuǎn)角，θ10、θ20分別為兩轉(zhuǎn)角的初始值。

當棱鏡轉(zhuǎn)角的初始值、實時值以及δ1、δ2已知后，可以確定光束的偏轉(zhuǎn)角度。

2) 反求解問題

在給定光束目標指向位置的偏轉(zhuǎn)角Φ和方位角Θ時，可利用中心算法求反向的方法，推導兩棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度θ1和θ2，其計算原理如圖4所示。

圖4 中心算法求反解問題的近似解析解Fig.4 Approximate analytical solution of inverse solution with center algorithm

由幾何關系容易求得三角形兩內(nèi)角α和β為

(2)

兩套解分別為

(3)

2.3 Risley棱鏡應用技術

2.3.1 利用反求解的視軸步進成像控制技術

在傳統(tǒng)的光電成像偵察技術中，存在大視場和高分辨率的不可調(diào)和的矛盾，一直是影響光電偵察效率的一個重要因素之一。目前一般是采用雙視場的探測器來解決這個矛盾，一個低分辨率寬視場用于戰(zhàn)場的大范圍觀察，一個高分辨率窄視場用于目標的識別與跟蹤。2個視場可以形成互補，但是2個視場之間的切換時間較長，應用受限。

利用Risley棱鏡反求解的視軸步進成像技術，窄視場通過視軸的高速步進掃描拼接成大視場圖像，圖像中保留了窄視場的高分辨率的特點。文獻[25]給出了圖5所示的步進掃描成像的簡單思路：① 確定棱鏡的初始姿態(tài)，完成圖像A采集；② 建立鑲嵌圖，擦除之前的圖；③ 估計下一位置，改變棱鏡姿態(tài)角；④ 以此類推，通過多次循環(huán)，通過圖像鑲嵌拼接獲取圖像B。

圖5 視軸步進成像技術示意圖Fig.5 Diagram of optical axes step imaging technology

但是文獻[26]中指出，單次捕獲的圖像A不能直接鑲嵌至大圖像中，因為在成像過程中，目標區(qū)域A所成圖像會有畸變，這個畸變是影響成像質(zhì)量的重要因素之一。為此，文獻[26]按照圖6從理論上研究了單楔鏡成像時的畸變規(guī)律，得出了實際成像時的位置偏差結(jié)果符合公式(4)的規(guī)律：

圖6 圖像畸變效果的計算示意圖Fig.6 Calculation schematic diagram of image distortion effect

(4)

式中：I為入射光軸與光楔第一面的法線間夾角；光楔的出射光軸相對于入射光軸偏轉(zhuǎn)δ角；光楔的頂角為α；折射率為L。

圖7 圖像畸變結(jié)果圖Fig.7 Result of image distortion

由(4)式可以看出，實物平面上不同坐標處所成像素的偏差大小與其坐標值大小有關，這很好解釋了部分文獻中所描述的“實物平面中的正方向成像后看到的是側(cè)邊凹(凸)的鐘形”[26]。利用公式(4)生成的圖7展示了驗證圖像畸變效果，圖中十字線為理想成像點，原點為實際成像點。因此消除圖像畸變是步進成像的關鍵任務之一。

2.3.2 利用正求解的光束掃描控制技術

利用Risley棱鏡的正求解特性，可以實現(xiàn)區(qū)域的光束快速覆蓋。一般設計中2個棱鏡結(jié)構參數(shù)完全一致，當初始角均為π/2，則公式(1)演變?yōu)?/p>

Φx=δcosθ1-δcosθ2
Φy=δsinθ1-δsinθ2

(5)

當2個棱鏡的轉(zhuǎn)角相等時，公式(5)可以看出2個偏轉(zhuǎn)角始終為0，能夠保證通過棱鏡的光束不改變方向。

當改變2個轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速方向和大小比例時，光束則按照一定的規(guī)則覆蓋一定的區(qū)域。設轉(zhuǎn)鏡1轉(zhuǎn)速為ω，轉(zhuǎn)鏡2轉(zhuǎn)速為kω(k可為正負)，則有：

(6)

當轉(zhuǎn)速系數(shù)k為負數(shù)時軌跡計算結(jié)果如圖8所示，光束掃描線為梅花瓣狀，花瓣的大小隨著系數(shù)絕對值的增加而變大。當轉(zhuǎn)速系數(shù)k為正時的軌跡計算結(jié)果如圖9所示，此時光束掃描線呈現(xiàn)類螺旋線。

圖8 速度系數(shù)為負時的光束掃描軌跡Fig.8 Beam scanning trace with negative velocity coefficient

圖9 速度系數(shù)為正時的光束掃描軌跡Fig.9 Beam scanning trace with positive velocity coefficient

由于棱鏡組運動速度較快，能夠使得一個光束在很短時間內(nèi)按照既定的軌跡覆蓋一定的區(qū)域，形成光束擴散效應，因此可在激光雷達、醫(yī)療探測等方面得到應用。

3 Risley棱鏡系統(tǒng)面臨的主要工程技術問題

從原理上Risley棱鏡可以實現(xiàn)光束步進成像和光束掃描等技術應用，但是從工程角度而言，基于棱鏡的大角度光束偏轉(zhuǎn)指向仍存在一些機械、控制及光學方面的工程技術問題，還有待深入探討[27]。

3.1 棱鏡加工與裝配誤差

理論上當兩棱鏡的頂角、折射系數(shù)完全相同且理想裝配時，棱鏡系統(tǒng)才可實現(xiàn)光束指向的全區(qū)域覆蓋。但是由于加工誤差、裝配誤差及熱學性能等因素的影響，兩棱鏡光束偏轉(zhuǎn)角難以完全抵消，會產(chǎn)生指向盲區(qū)。盲區(qū)大小取決于棱鏡的加工精度和裝配精度，中心軸附近的盲區(qū)大小可達幾到幾百微弧度。高精度光束指向系統(tǒng)要求具有較高的加工和安裝精度并在系統(tǒng)設計時需考慮和減弱環(huán)境的影響。

3.2 光機電綜合設計優(yōu)化與協(xié)同控制

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)涉及光學、機械、控制、傳感、圖像信息處理等多學科，為達到最優(yōu)性能，需要多學科的優(yōu)化設計和協(xié)同控制。在光束指向應用中，需要結(jié)合光束傳輸、機械動態(tài)特性、伺服機構性能、控制性能來實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合設計。在成像應用中，除考慮上述因素外，還需考慮成像性能需求、圖像信息的傳輸與處理等。

在遠離中心軸的光束指向區(qū)域，存在非線性的伺服控制問題。與傳統(tǒng)的萬向架或指向鏡系統(tǒng)不同，雙棱鏡系統(tǒng)對光束的最終轉(zhuǎn)向角度與棱鏡旋轉(zhuǎn)角度之間的關系是非線性的，導致棱鏡旋轉(zhuǎn)控制方程的非線性。目前實現(xiàn)非線性控制的基本思路是利用查表法或局部線性算法逆解控制方程求解，獲得棱鏡旋轉(zhuǎn)方位。光束偏轉(zhuǎn)角與棱鏡旋轉(zhuǎn)角的非線性關系加大了系統(tǒng)控制難度，需要設計復雜的控制算法以滿足應用中光束轉(zhuǎn)向需求。

3.3 棱鏡的光學成像特性

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)必須解決的一個重要光學設計問題是色差校正。光束轉(zhuǎn)向應用中，由于操作對象大多為激光光束，其單色性較好，色差影響較小。但在步進成像應用中，成像光的波段寬，棱鏡導致的色差將明顯降低成像像質(zhì)，必須以特殊結(jié)構的棱鏡實現(xiàn)色差校正。而該系統(tǒng)的色差校正面臨4個方面的問題：大角度光束偏轉(zhuǎn)、寬波段覆蓋、系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構緊湊性、材料選擇及加工可行性。光束偏轉(zhuǎn)角越大，消色差波段越寬，色差校正的難度越大。傳統(tǒng)組合棱鏡方法雖能有效實現(xiàn)色差校正，但也增加了系統(tǒng)體積和質(zhì)量，系統(tǒng)的緊湊性和輕便性受到影響，限制了其實際應用，這在可見和近紅外波段表現(xiàn)尤其明顯。衍射光學元件方法僅在棱鏡表面蝕刻光柵結(jié)構，能有效減小系統(tǒng)體積和質(zhì)量，但同時也增大了加工難度。

在成像應用中，大角度視軸偏轉(zhuǎn)下的成像畸變現(xiàn)象嚴重。為獲取完整大視場、高分辨率的圖像，必須采用適合方法對成像畸變予以校正。

熱穩(wěn)定性能也是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)需要關注的問題。在溫度變化的環(huán)境下，系統(tǒng)對光束的偏轉(zhuǎn)角隨環(huán)境溫度改變，光束指向的穩(wěn)定性受到影響。

4 Risley棱鏡樣機的研制

4.1 國外典型產(chǎn)品與應用

自Rosell于1960年首次提出利用兩塊棱鏡實現(xiàn)光束掃描以來，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡逐漸被作為指向裝置應用在不同領域，面向不同應用需求的產(chǎn)品逐漸問世。美國已有多家研究機構針對旋轉(zhuǎn)雙棱鏡大角度光束指向展開了研究，開發(fā)了面向紅外對抗、機載激光通信、掃描與跟蹤等應用的裝置。這些裝置主要的應用領域也是集中于步進成像和光束掃描2個方面。

圖10 國外Risley棱鏡方面的產(chǎn)品Fig.10 Foreign Rislay prism products

加拿大國防技術研究與發(fā)展中心利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構建了步進-凝視成像系統(tǒng)，形成了一種新型的多視場圖像采集方法。圖11展示了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向機構外觀圖。系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡改變成像光軸，在較大角度范圍內(nèi)實現(xiàn)視軸掃描。通過合理設置成像視軸的空間指向角度和窄視場分塊成像，獲得系列高分辨率窄視場圖像，通過窄視場圖像的校正和拼接，最終獲得具有大視場和高分辨率特點的合成圖像。該系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構造光機指向機構，用于成像視軸的轉(zhuǎn)向和掃描。通過融合窄視場成像，兼顧了大視場和高分辨率的成像需求，為大范圍目標搜索和高準確度目標識別應用提供了一種新概念圖像采集方法。

圖11 步進凝視圖像采集方法及旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向機構Fig.11 Step staring imaging collection method and rotating biprism pointing structure

1981年美國國家航空航天局NASA將一對鍺光楔作為激光光束掃描器用于激光雷達系統(tǒng)中，原理如圖12所示。飛行測試表明該雷達能在20°范圍內(nèi)實現(xiàn)光束掃描，其指向誤差小于0.1°。同年美國林肯實驗室將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于三維成像激光雷達系統(tǒng)，作為激光光束掃描器以擴大觀測場。該掃描器使雷達能在10.8°的觀測覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)高分辨率三維成像。美國Sigma空間公司研制的三維成像激光雷達將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用作光束掃描器，其重復掃描精度達到0.000 5°。近來還有專利報道了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡在機載光收發(fā)機構中的具體應用。

圖12 激光雷達中的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描器Fig.12 Rotating biprism scanner in Ladar

4.2 國內(nèi)相關應用開發(fā)情況

4.2.1 整體情況

國內(nèi)的相關研究起步也不晚，對旋轉(zhuǎn)折射棱鏡組的研究集中在旋轉(zhuǎn)光楔對的折光特性、控制模型及其應用分析上。中國科學院上海光學精密機械研究所的劉立人研究員為首的研究組針對星間激光通信應用需求設計了光束掃描機構(如圖13)，研究了棱鏡回轉(zhuǎn)控制模型并測試了其目標捕獲、跟蹤、指向及激光通信性能。同濟大學的李安虎博士探討了雙光楔光束偏轉(zhuǎn)及控制方法并改進了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描機構，實現(xiàn)了激光光束的粗精復合掃描。南京航空航天大學的林有義教授研究了旋轉(zhuǎn)雙光楔在全息成像中的應用。華南師范大學的韋中超探討了旋轉(zhuǎn)雙光楔的二維掃描軌跡。上海激光技術研究所的潘涌研究了旋轉(zhuǎn)雙光楔在激光微孔加工中的應用。北京理工大學的李巖等探討了利用Risley棱鏡補償成像誤差的基本理論。以上國內(nèi)學者的研究大都是以掃描成像為目的，針對光束小偏轉(zhuǎn)角的應用，而利用旋轉(zhuǎn)棱鏡組實現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)角調(diào)整方面的研究偏少。

圖13 用于星間激光通信的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束掃描機構Fig.13 Rotating biprism beam scanning device used for inter-satellite laser communication

4.2.2 國防科技大學的研究情況

國防科技大學機電工程與自動化學院一直跟蹤雙旋轉(zhuǎn)棱鏡系統(tǒng)的技術發(fā)展，在2010年研制出一臺雙旋轉(zhuǎn)棱鏡樣機，如圖14所示。

圖14 國防科技大學研制的雙旋轉(zhuǎn)棱鏡樣機Fig.14 Risley prism prototype developed by national university of defense technology

該樣機口徑為70 mm，光束偏轉(zhuǎn)角為10°，具備兩種工作模式：步進成像和光束掃描。樣機完成了兩項功能實驗，步進成像結(jié)果如圖15所示，光束掃描實驗結(jié)果如圖16所示。

圖15 視軸步進成像實驗結(jié)果圖Fig.15 Experiment result of optic axes step imaging

圖15中的大圖是步進鑲嵌圖像，其上方的小圖是大圖中的一格。通過步進成像不失分辨率地獲得了所關心的大區(qū)域圖像。圖16中激光器從樣機后方射入，光點照射在地圖上。當樣機高速掃描時，光點運動形成的軌跡被相機所捕獲，瞬時圖像如圖16(b)所示。

圖16 光束掃描實驗結(jié)果圖Fig.16 Experiment result of beam scanning

當然作為一個樣機，系統(tǒng)仍然存在不完善的地方。如圖像采集頻率受限、棱鏡表面精度不高等，都會影響成像質(zhì)量和掃描效果。

5 結(jié)束語

基于Risley棱鏡的光學系統(tǒng)已不是一個新生事物，國內(nèi)外應用較為廣泛，近年來Risley棱鏡在軍事上的應用尤其引人關注。論文闡述了Risley棱鏡的兩種工作原理，并給出了仿真計算結(jié)果，從宏觀上歸納了其工程實現(xiàn)的難點，介紹了國內(nèi)外的工程應用情況，特別是介紹了國防科技大學的工程樣機研制情況，給出了2種實驗的結(jié)果。

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