激光雷达扫描仪在网状天线测量中的应用

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航空航天领域涉及到许多几何形面的现场测试工作，几何形面测试结果与电性能测试结果的综合分析可以对天线的加工结果作出评价。目前，实现几何形面现场测试普遍采用电子经纬仪系统或跟踪仪系统，这两种系统无论在测量方法还是测试效率上都存在-定的局限性。美国Metris公司生产的新型激光雷达扫描仪(Laser Radar)采用了激光绝对测距专利技术和极坐标测量系统，实现了空间点三维坐标非接触测量栅陕速扫描测量功能，避免了类似粘贴靶标或收稿日期：2O13-o2-18作者简介：贺燕(1961-)，女，工程师，主要研究方向：几何量计量。

使用靶镜接触工件等现象，在保证同样的测试准确度情况下，大大提高测试效率。该仪器特别适合国内正在开展研究的网状天线几何形面的测试，本文将结合仪器的原理，针对网状天线的测试加以介绍。

2 激光雷达扫描仪介绍2.1 仪器结构激光雷达扫描仪通过激光干涉原理测量被测目标到激光头的距离 配合激光光束方位角 (0)和俯仰角( )的测量建立极坐标系统，再通过数学变换第2期 激光雷达扫描仪在网状天线测量中的应用将极坐标转换为空间坐标，激光雷达扫描仪的测量示意图如图1所示。从-定程度上，激光雷达扫描仪与激光跟踪仪测量原理上有相近之处，但是激光雷达扫描仪具备激光跟踪仪无法比拟的优势。激光雷达扫描仪利用了激光调频绝对测距的功能，可实现对被测 目标非接触、快速扫描测量，避免目前各种仪器利用靶球接触测试或粘贴靶标等方法的局限性 。

图 1 激光雷达扫描仪测试示意图该套系统中存在两种激光，光源皆为半导体激光器。-种是可见的红色激光，它用于瞄准和回光指示，并不用于实际的测量；另-种是波长为1 550nm的红外激光，它具有 200THz的频率，可以有效减小外界干扰对测量的影响，因此作为测距激光。

两种激光经过光耦合变为同轴激光，利用透镜调节装置来调节透镜的位置，实现对激光聚焦距离进行调整，二维回转扫描反光镜将出射激光反射射向不同方向，使得仪器测量范围得到最大扩展，测试变得更加灵活。操作人员可通过仪器内部的 CCD摄像机实现对被测目标的实时观测。仪器光路上采用了迈克尔逊的结构，耦合的激光在射出仪器前通过分光镜，-束分光射进-个标准光纤组，光纤组由若干条长度-定的标准光纤组成，通过光纤组的激光就作为参考臂，测量臂激光射向被测物体，激光光束经被测物体上反射回来与光纤参考臂的激光汇聚发生干涉，产生拍频。根据拍波相位变化检测仪器原点到目标点的距离。根据测量物体距离不同，系统自动选取参考臂光纤，实现得出最精确的测量结果。

同时，方位和俯仰旋转轴系由精密轴系统和伺服马达驱动系统组成，俯仰角和水平角测量值由安装于反射镜轴系上的精密码盘读出，激光雷达扫描仪光路及结构原理图如图2所示。

图2 激光雷达扫描仪光路及结构原理图 Rsin( 3/)cos(0 )Y Rsin sin ) c 1Rcos ( y J- 部分进入光学参考臂，该参考臂是由-段精确标宇航计测技术 2013钲通过光纤的参考光相遇，若两干涉臂长度不等，两路反射回来的激光产生相对延时f，会合后形成光拍。

激光绝对测距不再用干涉条纹计数方法进行测量，而是根据光拍的频率与延时 成正比，或者说是与两臂光程差成正比，测出拍频值，再算出对应的距离值。测量距离的问题就转化为测量频率的问题，而这种测量并不要求测量臂反射镜从-个测点连续移动到另-个测点，只需将被测镜分别放置在两个测点，正好满足绝对距离测量的要求。

但是激光雷达扫描仪不同于激光干涉仪测长原理，它不是利用激光光频由于自身时延产生的拍进行测量，而是在1 550nm红外激光200THz的基础频率上，通过对半导体激光器采用电流注入方式进行调频，调频频率为0.5kHz，约 100GHz的调频带宽。

可见，半导体激光的线性调频就是使激光发射的光频随时间线性变化。

激光调频就是对激光的频率用-三角波或锯齿波进行调制，得到-个调制波形，如图3所示。其频率与时间的函数关系 t)可由下式给出-厂(t)fo(AF/AT)t (2)式中：.厂0--激光的中心频率；△ 发射激光与反射回光频率变化量；△ 发射激光与反射回光时间变化量；△- 测量时间；AF/AT--调制系数。

200Tt/ms图3 激光雷达扫描仪拍频示意图(图中F、 斜体 )调制后的激光射到被测物体上，经反射后由光学接收器接收，激光器到被测目标的距离R由下式表示R： (3)式中： --激光传播时间；c--激光的光速。

调制后的激光经分光后形成-路参考光和-路测量光，测量光射向被测目标经反射后与参考光混频，产生拍波。两路光波频率之差即为拍波频率(简称：拍频)，如图4所示。

l/ ， ， / / ，.偈 / I. / I / /- t/ms图4 拍频示意图拍频 为 t )- t)(AF/AT)f (4)由拍频可精确地计算出时间f，则被测目标点的距离RC f/2c×，P/(2(AF/AT)) (5)由于测量臂与参考臂不同，使得测量臂信号相对于参考臂信号有延时AT，并产生光拍，这个拍随着 AT的增大而增大。用测量延时 AT来计算光程差显然不太现实，但通过测量拍频来计算光程则易于实现 ， 。

另-方面，将式(5)求导，可得A R 2(A/AT)Afp (6)式中：AR--距离变化量；；afp--拍频变化量。

由式(6)推导，可得 575(kHz/m)·AR，当 0.58Hz时，△R1 m，即0.58Hz的拍频变化所代表的被测物位移变化量为 1 ，通过测量相位变化就可以得到频率的变化量。现有的相位分辨技术完全可以达到1/1 000的分辨力，因此保证精密测量可达到微米量级。

激光雷达扫描仪内测量臂光纤是经过精确标定的，光纤长度用 L，表示。最短的光纤长度约为 4.2m，经调频的激光频率为2.3MHz，测量距离可用公式(7)表示R± - 2 (7)可见，当拍频为0时，测量臂与参考臂相同为2L，，被测物距仪器中心距离为 。拍频为4·6MHz第 2期 激光雷达扫描仪在网状天线测量中的应用时，测量臂长度为 4 ，被测物距仪器中心距离为2 。随距离增大，拍频并不是线性增加，而是在(0- 4.6)MHz内作周期变化，其变化曲线如图5所示 。

铬星骥图5 拍频的变化曲线图测量点距离R/m当被测物体距离超出2 时，仪器也遇到了结果唯-性的问题，可见此种测量受测量范围限制。

因此，仪器中安装了多条不同长度光纤，来满足更大范围的测量，解决测量多值性的问题，结构示意图如图6所示。测量过程中，当测量距离超出所采用标准光纤长度两倍时，仪器 自动选取下-条标准光纤对距离重新测试，通过采用不同参考臂分别测量，并对测量结果进行比较，选取-个最佳测量值作为结果。在(1～60)m的测量范围内，随着被测物体距离的变化，所采用的参考光纤尧生变化，在两条光纤共同作用区域，系统自动根据两个测量结果的准确度进行参考光纤的选择。仪器出厂前每条光纤在70%下进行长度标定，仪器工作时，内置加热炉将光纤加热到70℃，有效降低不同环境对测量结果的影响 引。

图a 多条参考光纤参与测量结构示意图根据公式(5)可知，提高测量准确度的关键是提高半导体激光器调频线性度，即提高半导体激光的调频频率，使得调制三角波的-周期内，光频的变化量要大，而且调制波的频率也要尽量的高才好，这样可使大范围的长度测量达到微米级。由于激光雷达仅仅依靠拍波频率进行距离的测量，而与信号幅度无关，所以它大大降低了对测量环境条件和被测物体反射率的要求，即使返回光束功率为 lpW，也能进行可靠的测量。

2.3 激光雷达扫描仪技术特点激光雷达扫描仪是-种新型大尺寸测量仪器，可以测量60m半径范围内的工件，既可以非接触点测，也可以扫描自动测量，使得测量更加方便，工作效率更高。

2.3.1 技术指标 J1)测量范围：MV260型 60m半径范围；2)空间误差(2 )：(1×10L) m， 为被测量目标点至仪器原点距离，单位：m；3)扫描速率：1 000点/s；4)测量范围：方位角0。-360。，俯仰角-45。-45。。

2.3.2 技术特点1)非接触测量方式，无需合作目标测量，对被测物体表面没有破坏和影响；2)测量范围大，特别适合大尺寸测量；3)可以实现自动扫描测量，适应性强、效率高；4)可实现复杂环境下测试，无需人工干预；5)测量结果可生成三维实体图像，有利于进行逆向工程；5)可以利用镜面反射测量，适用于回转体及盲区的测试，降低移站对测量准确度的损耗。

3 激光雷达扫描仪在网状天线测试中的应用3.1 网状天线简介激光雷达扫描仪可以实现空间坐标点非接触高准确度测量，特别适合应用于网状天线的测试。网状天线是-种常见的展开天线类型，其反射面由-种编制金属网构成，具有质量孝展开收缩比大的特点。因此，对于降低航天器有效载荷及体积有很大作用。尽管金属网面不属于实体表面，是不连续的，但是仍然能够反射高达40GHz的无线电波。通过不同的支撑结构，网状天线可以实现多种构型。目前，国际先进的航天国家的网状天线技术相对比较第2期 激光雷达扫描仪在网状天线测量中的应用坐标系下，完成对整个形面的扫描，形成扫描测量点点云，如图9所示。对测量异常点按照-定的规则剔除后，整个形面保留了15 000多个点，测量点数量充分的反应形面的特征。对测量点进行形面拟合，得出抛物面焦距为2 172mm，RMS(均方根误差)为2.94ram，满足技术指标要求。随后，天线的电性能测试得到的满意的结果，再次证明天线形面位置的准确，而这-切都是通过准确的测试才得以保障。

4 结束语图9 SAR天线形面点云图激光雷达扫描仪的应用很好的解决了网状天线测试的难题，从而为我国网状天线的研制提供了计量保障。而且，激光绝对测距原理应用于大尺寸测试仪器，仪器测试方法和效果都有很大的提高，对于空间大尺寸测量有很大的促进作用。高准确度空间尺寸形面测量要求不断增加，尤其大型航天器外形公差测量、箭船对接和卫星天线形面测量等方面，都亟需更高准确度、更快速的测量方法。因此，激光雷达扫描仪将以其高效率、高准确度和功能强的优势在航空航天等领域发挥越来越大的作用。