一种光学天线发射角的测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于光学天线标校设备的技术领域，具体涉及一种光学天线发射角的测量系统及测量方法。


背景技术：

2.传统的光学天线发射接收方向的标校主要依靠固定位置的参考物来进行的，典型的天体星座对光学天线的标校、放气球等方法。传统方法在使用过程中有较多的限制，例如利用天体星座标校光学天线的方法必须在晴朗的能见度高的夜间进行；放气球的方法精度较差。在没有有效参考物的情况下，光学天线方向校正困难重重，只能依靠光学天线的结构加工的精度来保证方向，但对于某些大型的光学天线在重力作用下、环境温度变化等情况光学镜面和支撑结构会出现不同层度的形变，这些形变会对光学系统造成不可预测的影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种光学天线发射角的测量系统及测量方法，旨在解决上述问题。
4.本发明主要通过以下技术方案实现：
5.一种光学天线发射角的测量系统，包括激光发射装置、光电转换装置、数据采集处理装置、水平倾角仪和设备支架；光学天线的接收端依次与光电转换装置、数据采集处理装置连接；所述光学天线的外侧套装有设备支架，且光学天线与设备支架同心轴设置；所述设备支架的周向上设置有水平倾角仪以及若干个激光发射装置；所述光电转换装置用于采集光学天线的回波信号并转换为电信号，所述数据采集处理装置用于采集电信号并转换为距离信息，进而确定光学天线的发射角。
6.为了更好地实现本发明，进一步地，所述设备支架包括环形主支架、同轴支架、水平支撑架和激光发射挂架，所述环形主支架的周向设置有若干个同轴支架、激光发射挂架、水平支撑架；所述环形主支架套设在光学天线的外侧，且环形主支架与光学天线同心轴设置，所述同轴支架横向穿过环形主支架并与光学天线抵接；所述激光发射装置设置在激光发射挂架上，所述水平倾角仪设置在环形主支架上。
7.本发明在使用过程中，首先根据光学天线的直径大小选择合适的设备支架，将设备支架安装在光学天线的外围，利用同轴支架将环形主支架固定在光学天线的同心轴上，t型支架与光学天线的外径相切，利用同轴支架的刻度和微调装置将三个同轴支架调整到相同的距离，这样设备支架就与光学天线同轴了。然后根据实际的情况来固定水平支撑架，水平支撑架不限于水平放置，可根据光学天线的发射方向进行调节。将激光发射装置安装在分别固定的三个不同激光挂架上，将水平倾角仪设置在环形主支架上用于检测设备支架的角度。在光学天线的接收部位安装光电转换装置，并连接数据采集处理装置。
8.为了更好地实现本发明，进一步地，所述同轴支架包括t型支架、支架主体、支架微
调装置和锁紧扣，所述支架主体外侧螺纹套设有支架微调装置，且支架主体通过支架微调装置与环形主支架连接，所述支架主体沿长度方向设置有若干个凹槽，所述锁紧扣穿过支架微调装置并与凹槽配合锁紧；所述支架主体的抵接端设置有t型支架，所述支架主体沿长度方向设置有刻度线。
9.为了更好地实现本发明，进一步地，所述支架微调装置与环形主支架转动连接，且支架主体与环形主支架滑动连接。
10.为了更好地实现本发明，进一步地，所述水平支撑架包括连接装置、支撑腿和锁紧装置，所述连接装置上对应环形主支架设置有贯通的安装卡口，且对应支撑腿设置有贯通且与安装卡口呈垂直关系的支撑口；所述安装卡口、支撑口的一侧分别设置有锁紧装置。
11.为了更好地实现本发明，进一步地，所述环形主支架的周向等距设置有若干个同轴支架、激光发射挂架、水平支撑架。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述激光发射装置包括安装板和从左至右依次设置在安装板上的激光器、光束约束器，所述光束约束器用于对激光器进行发射角的约束；所述光电转换装置包括从左至右依次设置的光阑、准直镜、滤波片和探测器；所述数据采集处理装置包括从左至右依次设置的ad采集模块、fpga模块和dsp模块。
13.为了更好地实现本发明，进一步地，所述激光器的脉冲宽度不大于10ns，重复频率可以为10～20hz；所述光束约束器将激光器的激光发散角约束到不大于1mrad。
14.本发明主要通过以下技术方案实现：
15.一种光学天线发射角的测量方法，基于上述的测量系统实现，根据激光的发射平面和接收平面解算出偏转角：
[0016][0017]
其中：α为水平倾角仪检测的设备支架的倾斜角度；
[0018]
n1为激光的发射平面的法向量，且n1为(a，b，c)；
[0019]
n2为激光的接收平面的法向量，且n2为(1，1，1)。
[0020]
本发明的有益效果：
[0021]
(1)本发明用于对光学天线的发射方向进行校准和检测，可以满足光学天线的日常维护和性能测试，能够在任意光学天线上进行实验，例如用于测风激光雷达光学天线的校正，可以有效提高测量精度；
[0022]
(2)本发明通过旋转支架主体就可以调整环形主支架的位置，而且通过支架主体上的刻度线可以精确调整支架主体的位置，进而使环形主支架精准位于光学天线的同心轴，具有较好的实用性；
[0023]
(3)本发明通过支架微调装置与环形主支架转动连接，使操作更为便捷，只需转动支架微调装置，就可以使支架主体沿着靠近或远离光学天线的方向直线运动，便捷调整环形主支架与光学天线的相对位置，具有较好的实用性；
[0024]
(4)本发明的测量方法计算简单准确，降低了传统方法的冗余繁复，具有较好的实用性。
附图说明
[0025]
图1为本发明的安装结构示意图；
[0026]
图2为本发明的激光的发射平面和接收平面的示意图；
[0027]
图3激光发射装置的原理框图；
[0028]
图4光电转换装置的原理框图；
[0029]
图5数据采集装置的原理框图；
[0030]
图6设备支架的结构示意图；
[0031]
图7同轴支架的结构示意图；
[0032]
图8水平支撑架的结构示意图。
[0033]
其中：
[0034]
11-激光器、12-光束约束器、13-安装板；
[0035]
21-光阑、22-准直镜、23-滤波片，24-探测器；
[0036]
31-ad采集模块、32-fpga模块、33-dsp模块；
[0037]
41-环形主支架、42-水平支撑架、43-同轴支架，44-激光发射挂架，45-水平倾角仪；
[0038]
421-连接装置、422-支撑腿、423-锁紧装置、424-安装卡口；
[0039]
431-t型支架、432-支架主体、433-支架微调装置、434-锁紧扣、435-支架辅刻度；
[0040]
01-光学天线、02-设备支架、03-激光发射装置、04-光电转换装置、05-数据采集处理装置。
具体实施方式
[0041]
实施例1：
[0042]
一种光学天线发射角的测量系统，如图1所示，包括激光发射装置03、光电转换装置04、数据采集处理装置05、水平倾角仪45和设备支架02；光学天线01的接收端依次与光电转换装置04、数据采集处理装置05连接；所述光学天线01的外侧套装有设备支架02，且光学天线01与设备支架02同心轴设置；所述设备支架02的周向上设置有水平倾角仪45以及若干个激光发射装置03；所述光电转换装置04用于采集光学天线01的回波信号并转换为电信号，所述数据采集处理装置05用于采集电信号并转换为距离信息，进而确定光学天线01的发射角。
[0043]
进一步地，如图3-图5所示，所述激光发射装置03包括安装板13和从左至右依次设置在安装板13上的激光器11、光束约束器12，所述光束约束器12用于对激光器11进行发射角的约束；所述光电转换装置04包括从左至右依次设置的光阑21、准直镜22、滤波片23和探测器24；所述数据采集处理装置05包括从左至右依次设置的ad采集模块31、fpga模块32和dsp模块33。
[0044]
本发明在使用过程中，首先根据光学天线01的直径大小选择合适的设备支架02，将设备支架02安装在光学天线01的外围，且将设备支架02与光学天线01同轴设置。然后根据实际的情况来调节设备支架02的水平安装位置，可根据光学天线01的发射方向进行调节。将激光发射装置03安装在分别固定的三个不同激光挂架上，将水平倾角仪45设置在环形主支架41上用于检测设备支架02的角度。在光学天线01的接收部位安装光电转换装置
04，并连接数据采集处理装置05。
[0045]
本发明用于对光学天线01的发射方向进行校准和检测，可以满足光学天线01的日常维护和性能测试，能够在任意光学天线01上进行实验，例如用于测风激光雷达光学天线01的校正，可以有效提高测量精度。
[0046]
实施例2：
[0047]
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图6所示，所述设备支架02包括环形主支架41、同轴支架43、水平支撑架42和激光发射挂架44，所述环形主支架41的周向设置有若干个同轴支架43、激光发射挂架44、水平支撑架42；所述环形主支架41套设在光学天线01的外侧，且环形主支架41与光学天线01同心轴设置，所述同轴支架43横向穿过环形主支架41并与光学天线01抵接；所述激光发射装置03设置在激光发射挂架44上，所述水平倾角仪45设置在环形主支架41上。
[0048]
进一步地，所述环形主支架41的周向等距设置有若干个同轴支架43、激光发射挂架44、水平支撑架42。
[0049]
本发明在使用过程中，首先根据光学天线01的直径大小选择合适的设备支架02，将设备支架02安装在光学天线01的外围，利用同轴支架43将环形主支架41固定在光学天线01的同心轴上，t型支架431与光学天线01的外径相切，利用同轴支架43的刻度和微调装置将三个同轴支架43调整到相同的距离，这样设备支架02就与光学天线01同轴了。然后根据实际的情况来固定水平支撑架42，水平支撑架42不限于水平放置，可根据光学天线01的发射方向进行调节。将激光发射装置03安装在分别固定的三个不同激光挂架上，将水平倾角仪45设置在环形主支架41上用于检测设备支架02的角度。在光学天线01的接收部位安装光电转换装置04，并连接数据采集处理装置05。
[0050]
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
[0051]
实施例3：
[0052]
本实施例是在实施例2的基础上进行优化，如图7所示，所述同轴支架43包括t型支架431、支架主体432、支架微调装置433和锁紧扣434，所述支架主体432外侧螺纹套设有支架微调装置433，且支架主体432通过支架微调装置433与环形主支架41连接，所述支架主体432沿长度方向设置有若干个凹槽，所述锁紧扣434穿过支架微调装置433并与凹槽配合锁紧；所述支架主体432的抵接端设置有t型支架431，所述支架主体432沿长度方向设置有刻度线。
[0053]
进一步地，所述支架主体432的外侧端设置有支架辅刻度435尺。
[0054]
进一步地，所述支架微调装置433与环形主支架41转动连接，且支架主体432与环形主支架41滑动连接。本发明在使用过程中，所述支架微调装置433可以通过轴承与环形主支架41转动连接，所述环形主支架41可以对应支架主体432设置滑动导向槽。当向一个方向转动支架微调装置433时，所述支架主体432带动t型支架431向靠近光学天线01的方向直线运动；当向相反方向转动支架微调装置433时，所述支架主体432带动t型支架431向远离光学天线01的方向直线运动。本发明通过支架微调装置433与环形主支架41转动连接，使操作更为便捷，只需转动支架微调装置433，就可以使支架主体432沿着靠近或远离光学天线01的方向直线运动，便捷调整环形主支架41与光学天线01的相对位置，具有较好的实用性。
[0055]
本实施例的其他部分与上述实施例2相同，故不再赘述。
[0056]
实施例4：
[0057]
本实施例是在实施例2或3的基础上进行优化，如图8所示，所述水平支撑架42包括连接装置421、支撑腿422和锁紧装置423，所述连接装置421上对应环形主支架41设置有贯通的安装卡口424，且对应支撑腿422设置有贯通且与安装卡口424呈垂直关系的支撑口；所述安装卡口424、支撑口的一侧分别设置有锁紧装置423。
[0058]
进一步地，所述锁紧装置423可以设置为锁紧螺栓，所述锁紧螺栓与连接装置421螺纹连接，且锁紧螺栓的一端伸入安装卡口424或支撑口并与环形主支架41或支撑腿422抵接，进而实现锁紧。
[0059]
本实施例的其他部分与上述实施例2或3相同，故不再赘述。
[0060]
实施例5：
[0061]
一种光学天线发射角的测量系统，如图1所示，包括激光发射装置03、光电转换装置04、数据采集处理装置05、水平倾角仪45和设备支架02。
[0062]
进一步地，如图3所示，激光发射装置03包括激光器11、光束约束器12和安装，所述激光器11的脉冲宽度不大于10ns，重复频率可以为10～20hz，激光发射前需要通过光束约束器12进行发射角的约束，将激光发散角约束到不大于1mrad，激光波长没有要求，但建议使用可见光的激光例如532nm、632.8nm激光，相对于红外和紫外的激光安装更加快捷。
[0063]
进一步地，如图4所示，光电转换装置04包括光阑21、准直镜22、滤波片23和探测器24，所述光阑21的作用是约束光学天线01视场的大小、所述准直镜22是将光学天线01中的汇聚光转换成平行光、所述滤波片23用于滤除干扰光、所述探测器24用于将光子信号转换为电信号。
[0064]
整个光电转换装置04可以接收本激光发射装置03所发射的激光并转换成电信号，激光发射装置03发射激光到大气中，受到大气中的颗粒物和分子的散射发生后向散射，如果后向散射信号在光学天线01的视场内，将会出现在光学天线01的回波信号，该回波信号通过光电转换装置04可以转换成电信号。
[0065]
进一步地，所述光电转换装置04可以是雪崩二极管和光电二极管，根据发射激光的波长选择。
[0066]
进一步地，如图5所示，数据采集装置包括ad采集模块31、fpga模块32和dsp模块33，所述ad采集模块31用于采集光电转换装置04传输过来的模拟信号，采样率可以选择500msps以上；所述fpga模块32采用32位的fpga，用于数据的时序控制记录数据的时间用于距离解算；所述dsp模块33用于数据解算。所述数据采集装置可以将光学天线01所接收的光电信号转化为距离信息，数据数据采集装置根据天线接收回波电信号的飞行时间确定接收信号的高度h＝ct/2，并根据图2中所示的发射平面和接收平面解算出偏转角。
[0067]
进一步地，如图6所示，设备支架02包括环形主支架41、同轴支撑架、水平支撑架42和激光发射挂架44，所述环形主支架41是可以固定不同部件和设备的支架；同轴支架43是为了将环形主支架41调节到和光学天线01同轴心，同轴支架43上有刻度，将三个同轴支架43调整到同一个长度就可以使环形主支架41与光学天线01同轴；所述水平支架具有支撑的作用和水平度调节的作用。所述激光器11发射挂架用于安装固定激光发射装置03，激光器11发射挂架个数大于等于三个，且均匀分布在环形主支架41上；水平倾角仪45安装在设备支架02上，用于记录设备的水平角度和倾角角度。
[0068]
进一步地，如图7所示，所述同轴支架43同轴支架43包括t型的支架、支架主体432、支架微调装置433和锁紧扣434，支架主体432每0.5cm上有一个凹槽可以与锁紧扣434进行配合锁紧，支架微调装置433可以通过旋转调整t型支架431前后移动量程2cm，精度1mm的位移。
[0069]
进一步地，如图8所示，所述水平支架包括连接装置421、支撑腿422和锁紧装置423，所述连接装置421上对应环形主支架41设置有贯通的安装卡口424，且对应支撑腿422设置有贯通且与安装卡口424呈垂直关系的支撑口；所述安装卡口424、支撑口的一侧分别设置有锁紧装置423。
[0070]
本发明在使用过程中，首先根据光学天线01的直径大小选择合适的设备支架02，将设备支架02安装在光学天线01的外围，利用同轴支架43将环形主支架41固定在光学天线01的同心轴上，t型支架431与光学天线01的外径相切，利用同轴支架43的刻度和微调装置将三个同轴支架43调整到相同的距离，这样设备支架02就与光学天线01同轴了。然后根据实际的情况来固定水平支撑架42，水平支撑架42不限于水平放置，可根据光学天线01的发射方向进行调节。将激光发射装置03安装在分别固定的三个不同激光挂架上，将水平倾角仪45设置在环形主支架41上用于检测设备支架02的角度。在光学天线01的接收部位安装光电转换装置04，并连接数据采集处理装置05。
[0071]
本发明用于对光学天线01的发射方向进行校准和检测，可以满足光学天线01的日常维护和性能测试，能够在任意光学天线01上进行实验，例如用于测风激光雷达光学天线01的校正，可以有效提高测量精度。
[0072]
实施例6：
[0073]
一种光学天线发射角的测量方法，基于上述的测量系统实现，包括以下步骤：
[0074]
首先根据光学天线01的直径大小选择合适的设备支架02，将设备支架02安装在光学天线01的外围，利用同轴支架43将环形主支架41固定在光学天线01的同心轴上，t型支架431与光学天线01的外径相切，利用同轴支架43的刻度和微调装置将三个同轴支架43调整到相同的距离，这样设备支架02就与光学天线01同轴了。
[0075]
然后根据实际的情况来固定水平支撑架42，水平支撑架42不限于水平放置，可根据光学天线01的发射方向进行调节。将激光发射装置03安装在分别固定的三个不同激光挂架上，将水平倾角仪45设置在环形主支架41上用于检测设备支架02的角度。在光学天线01的接收部位安装光电转换装置04，并连接数据采集处理装置05。
[0076]
利用倾角传感器记录当前的安装架的角度状态方向角α；
[0077]
分布在激光挂架的三个激光发射装置03发射激光，并记录数据，根据数据计算光学天线01的放射角度，如图2所示，设过点a、b、c三点的平面为光学天线01的接收平面，且方程为ax bx cx d＝0，光学天线01的接收平面的法向量为n1＝(a，b，c)；将激光发射面作为基准面，且方程为x y z＝0，光学天线01的发射平面的单位法向量为n2(1，1，1)。
[0078]
根据面与面之间的夹角公式可以计算出光学天线01的接收方向为：
[0079][0080]
本发明用于对光学天线01的发射方向进行校准和检测，可以满足光学天线01的日常维护和性能测试，能够在任意光学天线01上进行实验，例如用于测风激光雷达光学天线
01的校正，可以有效提高测量精度。
[0081]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。