基于光束偏转跟踪的长工作距大量程自准直微角测量方法

发布时间：2020-05-15 03:24

【摘要】：自准直技术是实现高精度微角度测量的主要技术。为了实现高效率校正和测量,要求微角度测量必须具有高分辨力和尽可能大的量程。但实际上,大量程与高分辨力测量相互制约,增大量程,会导致测量分辨力降低。而且,随着大型和超大型超精密装备制造业和大科学装置等领域的快速发展,在要求大量程与高分辨力的同时,又提出了长工作距自准直技术的迫切需求。而现有自准直技术,长工作距、大量程与高分辨力难以兼顾,特别是工作距大于7.5 m以后量程迅速减小,到25 m时量程趋于0,失去测量能力。因此在保证分辨力不变的前提下,同时增大工作距和量程已经成为本领域亟待解决的一个关键的难题。本课题“基于光束偏转跟踪的长工作距大量程自准直微角测量方法”研究针对上述问题,提出基于光束偏转跟踪的自准直方法,大幅度改善自准直系统中大量程与长工作距离难以兼顾的矛盾,提高长工作距条件下的量程,同时使分辨力在长工作距离变化时和在大量程范围内保持一致。论文主要研究内容如下:首先,针对传统自准直中工作距离受限原因不明确而无法有效提高的问题,将现有自准直技术归纳总结为四种基本类型,对这四种基本类型中量程与工作距离之间的变化关系进行详细分析,推导出自准直技术中量程随工作距离变化的理论关系。分析结果表明,在2 m以内的工作距离下,自准直系统量程主要受制于光电探测器尺寸与准直物镜焦距之比;在2 m以上的工作距离下则主要受制于准直物镜光瞳尺寸与工作距离之比。在以上分析的基础上,提出基于光束偏转跟踪的自准直方法,即引入光束偏转技术,实时调整测量过程中准直光束的方向,根据目标反射镜的偏转角度进行同步补偿偏转,并通过二维微角度测量单元实时测量光束偏转单元的角度偏转量。通过角度变换关系得到目标偏转量,从而实现对目标反射镜偏转角度的精确测量。对所提出的自准直方法建立模型进行仿真分析,结果表明,其量程主要受制于目标反射镜口径与工作距离之比,在相同工作距离下量程显著优于现有自准直技术,利用光束偏转技术可大幅度改善自准直系统中大量程与长工作距离之间的矛盾。其次,针对现有二维微角度测量技术难以在大量程范围内实现高精度微角度测量的问题,对基于电容位移传感和基于激光干涉位移传感的正切法微角度测量单元建立模型,对其中原理误差的产生机理及对微角度测量的影响程度进行详细研究。结果表明,在±900″测量范围内,原理误差是影响二者微角度测量结果精度的主要因素;进而根据该分析结果在微角度测量中对二者原理误差予以补偿;在此基础上,利用所建立的模型,采用蒙特卡洛法对补偿原理误差之后的其余各项误差源进行仿真分析,得到各项误差源对微角度测量结果的影响量。由此得以确定其中的主要误差源,为进一步提高微角度测量精度提供指导依据。再次,对长工作距自准直测量光路中空气湍流对微角度测量结果的影响进行分析。确立现有的空气折射率结构常数模型,以及以此为基础建立空气湍流功率谱模型和相位屏模型。根据上述各模型的适用条件和应用场合,确定相位屏模型作为本文长工作距自准直中的空气湍流模型;进而根据长工作距自准直应用场合中实际空气湍流情况,确定空气湍流相位屏模型参数,对长工作距自准直中空气湍流对微角度测量结果的影响进行仿真验证,为采用自适应光学技术解决长工作距自准直中空气湍流的影响、提高长工作距自准直微角度测量精度提供理论基础。最后,研制了基于光束偏转跟踪的自准直测角实验装置,对其主要性能进行了测试。实验结果表明,其在7.5 m和25 m长工作距离下的有效分辨力均优于0.04″,对应量程范围分别达到±1 050″和±350″,验证了本文提出自准直方法具有长工作距、大量程和高分辨力特性。
【图文】：

自准直,面阵,点源,探测器

第 2 章基于光束偏转跟踪的长工作距大量程自准直方法与模型分析并着重对其中工作距离与量程之间的关系进行分析，其结构和参数设计提供理论依据。-面阵探测器型统的理想自准直模型，位于准直物镜焦点处的点光源发成为平行光束出射，经目标反射镜反射后返回至准直物限制，仅部分光束能够返回至自准直系统的探测面，其

自准直,面阵,微孔,狭缝

cosBM RDD q qq= ≤ 准直微角度测量中由于部分测量光束返回时偏离出准直物镜光瞳部分光束可以不被目标反射镜反射，，由此可以计算出满足自准直需的最小目标反射镜口径MinD ，如公式(2-7)所示：Min,cosBRDD q qq= ≤ 以看出，在采用点源-面阵探测器的自准直系统中，将光束全部反反射镜口径MD 与满足测量所需的最小反射镜口径MinD 二者相等十字狭缝/微孔-面阵探测器型于传统的理想自准直模型中目标平面采用点源的方式在实际中际自准直系统中采用的是具有一定尺寸的物面光阑，由此导致自的测量光束为非平行光束，从而影响到自准直微角度测量精度。或微孔光阑作为物面光阑的自准直系统如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH741.2

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