基于共光路光束漂移測(cè)量與同步補(bǔ)償?shù)募す庾詼?zhǔn)直技術(shù).pdf

1、激光自準(zhǔn)直技術(shù)是精密小角度測(cè)量的重要手段,具有測(cè)量分辨力高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、非接觸、使用方便等優(yōu)點(diǎn),在精密裝備制造、光學(xué)元器件加工與檢測(cè)、大型結(jié)構(gòu)件裝配、航空航天設(shè)備的瞄準(zhǔn)與標(biāo)校以及科學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。激光自準(zhǔn)直由于激光發(fā)光機(jī)理以及光束傳輸路徑中空氣介質(zhì)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的激光光束方向漂移而普遍存在測(cè)量穩(wěn)定性較差的問題。激光光束的方向漂移是制約提高激光自準(zhǔn)直小角度測(cè)量穩(wěn)定性的主要障礙。
　　本課題“基于共光路光束漂移測(cè)量與同步補(bǔ)償?shù)?/p>

2、激光自準(zhǔn)直技術(shù)”,在對(duì)自準(zhǔn)直幾何光學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上,分析激光自準(zhǔn)直中激光光束漂移對(duì)自準(zhǔn)直的影響機(jī)理,尋找從根源上減小激光自準(zhǔn)直漂移的途徑,并提出激光自準(zhǔn)直中共光路光束漂移測(cè)量方法,結(jié)合高頻響與高靈敏度光束方向偏轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)光束漂移進(jìn)行同步補(bǔ)償,達(dá)到提高激光自準(zhǔn)直小角度測(cè)量穩(wěn)定性的目的。論文主要研究?jī)?nèi)容為:
　　針對(duì)傳統(tǒng)自準(zhǔn)直模型參數(shù)過于簡(jiǎn)化而無法從理論上對(duì)自準(zhǔn)直系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行有效分析的問題,建立了基于光線追跡法的自準(zhǔn)直幾何光學(xué)模

3、型,能夠完整地闡述自準(zhǔn)直中各參數(shù)之間的關(guān)系。利用該模型對(duì)自準(zhǔn)直系統(tǒng)中反射鏡二維角度耦合、物面與像面離焦、以及照明光源的角漂移量對(duì)自準(zhǔn)直小角度測(cè)量的影響進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,當(dāng)物點(diǎn)位于準(zhǔn)直物鏡焦面并且距離光軸±5mm范圍內(nèi)時(shí),在±2000″范圍內(nèi)反射鏡二維角度耦合的影響量最大為0.7170″;物面與像面在±2mm范圍內(nèi)離焦時(shí),在±2000″內(nèi)影響量最大為4.3540″;在物面與像面離焦以及準(zhǔn)直物鏡孔徑面光強(qiáng)分布不均勻的情況下,照明光源的

4、角漂移量在±10″內(nèi)對(duì)自準(zhǔn)直小角度測(cè)量的影響量可以達(dá)到0.0182″。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析激光自準(zhǔn)直中分辨力的影響因素,研究采用長(zhǎng)焦距準(zhǔn)直物鏡和光學(xué)放大法提高自準(zhǔn)直小角度測(cè)量的分辨力。
　　針對(duì)激光基準(zhǔn)精密小角度測(cè)量中激光光束的漂移與被測(cè)角度耦合而難以將二者有效分離的問題,提出激光自準(zhǔn)直中基于組合靶標(biāo)以及基于平面鏡參考靶標(biāo)的共光路光束漂移測(cè)量方法,方法中利用組合靶標(biāo)或平面鏡參考靶標(biāo),在自準(zhǔn)直過程中產(chǎn)生一束參考光束,參考光束與測(cè)量光

5、束來源于同一光源并且共光路傳輸,因而二者具有一致的角漂移量;由于組合靶標(biāo)或平面鏡參考靶標(biāo)的固有特性,參考光束對(duì)組合靶標(biāo)或平面鏡參考靶標(biāo)的角度偏轉(zhuǎn)不敏感,因此可以利用參考光束精確獲取測(cè)量光束的角漂移量,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行同步補(bǔ)償,提高激光自準(zhǔn)直小角度測(cè)量的穩(wěn)定性。
　　針對(duì)激光光束漂移量閉環(huán)控制中光束方向偏轉(zhuǎn)裝置的高頻率響應(yīng)與高角位移靈敏度相兼顧的問題,提出兩種基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的光束方向偏轉(zhuǎn)方法,通過建立其動(dòng)力學(xué)模型,利用拉格朗日方程分析

6、其固有頻率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系,為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)、在高角位移靈敏度的情況下提高固有頻率提供理論依據(jù);并且提出一種基于反射鏡平動(dòng)的光束方向偏轉(zhuǎn)方法,通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)反射鏡平動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束的角度偏轉(zhuǎn),無機(jī)械摩擦與傳動(dòng)損耗,運(yùn)動(dòng)慣量小,因而具有非常高的角位移靈敏度與頻率響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種光束方向偏轉(zhuǎn)方法的角位移分辨力均可以達(dá)到0.003″,基于反射鏡平動(dòng)的光束方向偏轉(zhuǎn)方法角位移分辨力優(yōu)于0.002″,頻率響應(yīng)特性可

7、以達(dá)到2000Hz以上。
　　最后,對(duì)研制的基于共光路光束漂移測(cè)量與同步補(bǔ)償?shù)募す庾詼?zhǔn)直實(shí)驗(yàn)裝置及其各主要組成單元的性能進(jìn)行測(cè)試,包括光學(xué)放大法的有效性測(cè)試、光電檢測(cè)電路的分辨力測(cè)試、參考光束與測(cè)量光束角漂移量的一致性測(cè)試、光束方向偏轉(zhuǎn)裝置的性能測(cè)試,在此基礎(chǔ)上對(duì)所組成的激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)的有效分辨力和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其有效分辨力達(dá)到0.0003″,2小時(shí)穩(wěn)定性最高可以達(dá)到0.0026″,在高的有效分辨力下實(shí)現(xiàn)了高測(cè)量穩(wěn)