基于激光干涉的大角度高精度在線測(cè)角方法研究

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(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

0 引言

掃描式遙感器利用光學(xué)反射原理，將入射光引入主光學(xué)系統(tǒng)來擴(kuò)大觀測(cè)視場(chǎng)。在今后相當(dāng)一段時(shí)間仍然保留著廣闊的發(fā)展空間[1-2]。為了滿足越來越多型號(hào)需求所提出的高性能要求的掃描式遙感器，遙感器掃描系統(tǒng)的測(cè)角精度要求不斷提高，已經(jīng)達(dá)到角秒級(jí)。測(cè)角方法決定整個(gè)系統(tǒng)的性能是否真正達(dá)到要求，因此，高精度大角度在線測(cè)角成為驗(yàn)證掃描系統(tǒng)精度的關(guān)鍵技術(shù)。

眾所周知，干涉技術(shù)在精密測(cè)量中已獲得了非常廣泛的應(yīng)用，特別是激光技術(shù)的出現(xiàn)及激光技術(shù)的發(fā)展，使這項(xiàng)技術(shù)在精密測(cè)量中的應(yīng)用突破了以往由于缺乏亮度高、單色性好的光源的局限性，大大地促進(jìn)了干涉儀在測(cè)量中的應(yīng)用，從而使利用光波干涉技術(shù)進(jìn)行測(cè)量逐漸成為科研與生產(chǎn)中精密測(cè)量的主要手段之一[3]。目前常用的激光干涉測(cè)角設(shè)備為雷尼紹生產(chǎn)的激光干涉儀，其測(cè)角范圍最大可達(dá)±5°，測(cè)角精度可達(dá)0.03″，國內(nèi)各計(jì)量單位均采用該設(shè)備作為高精度測(cè)角計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；其反射鏡組件結(jié)構(gòu)尺寸大、重量大，無法安裝與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)[4]。本文提出了一種基于激光干涉測(cè)長技術(shù)的高精度大角度在線測(cè)角系統(tǒng)，對(duì)測(cè)角設(shè)備誤差進(jìn)行檢定，闡述了測(cè)角系統(tǒng)的組成、工作原理，并對(duì)系統(tǒng)測(cè)角誤差進(jìn)行分析[5-6]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本紅外遙感器中掃描系統(tǒng)擺角范圍為±5.8°，掃描鏡采用撓性樞軸支撐，采用180對(duì)極絕對(duì)圓式感應(yīng)同步器作為反饋測(cè)量元件，感應(yīng)同步器本身的精度優(yōu)于1"。在觀測(cè)視場(chǎng)范圍內(nèi)掃描鏡的掃描速度為勻速5°/s，通過分析計(jì)算，掃描鏡的最大擺角為±5.8°。定義從-5.8～+5.8°為一個(gè)幀時(shí)，為2.5 s。高精度掃描系統(tǒng)的測(cè)角精度要求優(yōu)于1"，采用位置伺服控制實(shí)現(xiàn)高精度控制要求。

為了保證掃描系統(tǒng)的最終測(cè)角精度能夠達(dá)到1"，需要對(duì)掃描系統(tǒng)測(cè)角精度進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試是為了保證機(jī)構(gòu)的安裝精度滿足要求，根據(jù)感應(yīng)同步器誤差測(cè)試原理，要求以5′為步長對(duì)感應(yīng)同步器測(cè)角精度進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)態(tài)測(cè)試是為了測(cè)試掃描系統(tǒng)在工作狀態(tài)下動(dòng)態(tài)采集角度的精度是否滿足使用要求，本紅外遙感器系統(tǒng)要求以172 μs時(shí)長，感應(yīng)同步器及測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)角，檢測(cè)感應(yīng)同步器測(cè)角精度。

針對(duì)高精度掃描系統(tǒng)的測(cè)試需求，確定采用激光干涉原理對(duì)掃描系統(tǒng)測(cè)角精度進(jìn)行測(cè)試，其中掃描鏡通過撓性樞軸支撐與基座上，感應(yīng)同步器與電機(jī)分別安裝與掃描鏡軸系兩端，測(cè)試時(shí)將干涉儀反射鏡安裝與感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子上，反射鏡跟隨掃描鏡進(jìn)行擺掃運(yùn)動(dòng)，反射鏡使得干涉儀發(fā)出的激光返回干涉儀并形成干涉條紋，根據(jù)干涉條紋的移動(dòng)量計(jì)算出掃描鏡擺動(dòng)角度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖

下文闡述本次采用的激光干涉儀的誤差檢定、高精度大角度在線測(cè)試方案及測(cè)試誤差分析。

2 測(cè)角設(shè)備介紹及檢定

2.1 測(cè)角設(shè)備介紹

根據(jù)對(duì)國內(nèi)外高精度激光干涉儀的調(diào)研，德國SIOS公司生產(chǎn)的SP-TR2000型激光干涉儀可開發(fā)使用于本次大角度高精度測(cè)角，其配置的反射鏡組件結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕，可直接實(shí)現(xiàn)大角度、高精度、非接觸在線測(cè)試，可以獲得擺動(dòng)角度、俯仰角度的變化情況。其測(cè)距范圍為2 000 mm，長度分辨率為20 pm(對(duì)應(yīng)0.1 nm角度分辨率可達(dá)0.002角秒)，測(cè)角范圍可達(dá)±12.5°以上，配備高速采集卡后采樣頻率可達(dá)10 MHz。

SP-TR2000激光干涉儀工作原理與其他激光測(cè)試設(shè)備相同，通過測(cè)量測(cè)試鏡組件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)試光束1和測(cè)試光束2變化距離差L，測(cè)試光束1和測(cè)試光束2距離為A，計(jì)算測(cè)試試鏡轉(zhuǎn)過的角度θ=asin(L/A)。而為了增大測(cè)角范圍，將測(cè)試鏡設(shè)計(jì)為中空鏡或球鏡組件，測(cè)試鏡如圖2所示。

圖2 SP-TR2000激光干涉儀測(cè)試鏡組件

2.2 測(cè)角設(shè)備檢定

由于SP-TR2000型激光干涉儀廠家出廠前只對(duì)測(cè)距精度進(jìn)行檢定，沒有對(duì)其測(cè)角精度進(jìn)行檢定，故在計(jì)量院對(duì)SP-TR2000型激光干涉儀測(cè)角精度進(jìn)行檢定，以雷尼紹激光干涉儀+RT300 (KUNZ)轉(zhuǎn)臺(tái)作為檢測(cè)系統(tǒng)。其中雷尼紹激光干涉儀測(cè)角范圍為±5°，測(cè)角精度為0.03″；RT300轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角范圍為360°，測(cè)角精度為0.25″。參照計(jì)量院《激光小角度測(cè)量儀檢定規(guī)程》對(duì)SP-TR2000型激光干涉儀測(cè)角精度進(jìn)行檢定。SP-TR2000型激光干涉儀放置在光學(xué)支架上，反射鏡組件放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，要求反射鏡組件與轉(zhuǎn)臺(tái)同軸度小于φ0.3 mm，檢測(cè)系統(tǒng)搭建如圖3所示。

圖3 SP-TR2000型激光干涉儀檢定

2.2.1 漂移檢定

將SP-TR2000型激光干涉儀如圖2安置，調(diào)整其顯示值處于零位附近，記錄顯示值，靜止不動(dòng)觀測(cè)2 h，每30 min記錄一次，取任意1 h內(nèi)最大值為檢定結(jié)果。經(jīng)檢定，SP-TR2000型激光干涉儀漂移誤差σ1為0.06″。

2.2.2 測(cè)角重復(fù)性檢定

將SP-TR2000型激光干涉儀如圖2安置，將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)某一位置定位，從SP-TR2000型激光干涉儀讀數(shù)ai，然后轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一固定角度，讀數(shù)bi，重復(fù)測(cè)量10次，采用公式(1)計(jì)算其重復(fù)性S。

di=bi-ai

(1)

經(jīng)檢定，SP-TR2000型激光干涉儀測(cè)角重復(fù)性S為0.08″。

2.2.3 零起分度誤差檢定

檢定其5°時(shí)的零起分度誤差，將SP-TR2000型激光干涉儀如圖2安置，SP-TR2000型激光干涉儀示值清零，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)5°，讀取干涉儀示值c1，然后轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn)至干涉儀示值為零，再將轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)5°，讀取干涉儀示值c2，c1與c2的絕對(duì)值之差應(yīng)不大于0.00001°，否則應(yīng)重新調(diào)整初始零位角。重新調(diào)整時(shí)比較c1與c2的絕對(duì)值，角度值小的方向?yàn)槌跏剂阄唤欠较?。按所判定的調(diào)整方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)整干涉儀的初始零位，重新清零后重復(fù)上述測(cè)量，直至c1與c2的絕對(duì)值之差應(yīng)不大于0.00001°，此時(shí)的零位作為測(cè)量分度誤差時(shí)的最近初始零位。

初始零位確定后，進(jìn)行零起分度誤差測(cè)量。在此位置上將SP-TR2000激光干涉儀清零，并讀數(shù)a01，轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)5°，讀數(shù)為a5.1，然后轉(zhuǎn)臺(tái)返回零位后在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)5°，讀數(shù)為a5.2，轉(zhuǎn)臺(tái)再轉(zhuǎn)回零位，讀數(shù)為a01’，此為1組測(cè)量，若回零誤差大于0.00001°，則重測(cè)，反復(fù)測(cè)量24次。則5°零起分度誤差按公式(2)計(jì)算：

|a5.1-a01|=b5.1

|a5.2-a01|=b5.2

…

|a5.23-a012|=b5.23

|a5.24-a012|=b5.24

(2)

經(jīng)檢定，SP-TR2000型激光干涉儀5°零起分度誤差Δ05為0.1″。

2.2.4 反射鏡間距檢定

SP-TR2000激光干涉儀主要是用于高精度測(cè)距，本項(xiàng)目開發(fā)用于高精度測(cè)角使用，故需要對(duì)反射鏡間距進(jìn)行高精度標(biāo)定。由干涉儀測(cè)試原理可知，其測(cè)得角度是根據(jù)兩束激光L1和L2長度差及反射鏡距離A，根據(jù)公式(3)原理計(jì)算得來，反射鏡距離A直接影響干涉儀的測(cè)角精度。

(3)

當(dāng)干涉儀初始入射角調(diào)整完成后，以雷尼紹干涉儀作為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)臺(tái)在±5°，記錄SP-TR2000激光干涉儀示值±θ，此時(shí)若干涉儀示值θ不是5°，則微調(diào)SIOS激光干涉儀上位機(jī)軟件中激光束距離A的值，直至其測(cè)角精度達(dá)到0.2″以內(nèi)，以該距離A作為干涉儀后續(xù)高精度測(cè)角的計(jì)算值。則干涉儀反射鏡間距帶來的測(cè)角誤差σ2為0.2″。

2.2.5 SP-TR2000激光干涉儀測(cè)角誤差分析

由檢定結(jié)果可知，干涉儀測(cè)角系統(tǒng)誤差主要包括示值漂移、測(cè)角重復(fù)性、零起分度誤差及反射鏡間距誤差，且誤差來源互不相關(guān)，故干涉儀測(cè)角誤差為各項(xiàng)誤差的均方根值。

(4)

由公式(4)計(jì)算可知，SP-TR2000激光干涉儀系統(tǒng)測(cè)角精度σ為0.245″，可滿足本掃描系統(tǒng)測(cè)角精度1″的測(cè)試要求。

3 在線測(cè)試方案

3.1 在線測(cè)角系統(tǒng)

采用SP-TR2000激光干涉儀對(duì)掃描系統(tǒng)測(cè)角精度進(jìn)行測(cè)試，由于掃描系統(tǒng)作為被測(cè)設(shè)備，無法通過掃描系統(tǒng)反饋角度調(diào)整SP-TR2000激光干涉儀初始入射角，故需要調(diào)整激光器角位置來調(diào)整初始入射角，作為測(cè)試零位基準(zhǔn)。其中掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸豎直放置于測(cè)試平臺(tái)上，反射鏡組件安裝與掃描鏡轉(zhuǎn)軸上，通過工裝保證反射鏡組件與轉(zhuǎn)軸同軸度小于φ0.3 mm。將SP-TR2000激光器放置于高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，干涉儀主機(jī)及電腦放置于測(cè)試桌上，掃描裝置角度精度測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 大角度高精度在線測(cè)角系統(tǒng)

調(diào)整初始入射角：1)采用自準(zhǔn)直儀+360齒多齒分度臺(tái)作為初始入射角基準(zhǔn)，掃描系統(tǒng)在物理零位(掃描鏡擺掃的中間位置)，自準(zhǔn)直儀清零作為基準(zhǔn)，并將此時(shí)掃描系統(tǒng)中感應(yīng)同步器測(cè)得的角度作為掃描零位；2)調(diào)整掃描系統(tǒng)角度位置，將掃描系統(tǒng)固定在自準(zhǔn)直儀測(cè)得的±5°處；3)采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整激光器角位置，使得SP-TR2000激光干涉儀在±5°時(shí)測(cè)得角度也為±5°(±0.001°)；4)在掃描系統(tǒng)物理零位處將SIOS激光干涉儀清零，以此零位作為測(cè)試系統(tǒng)初始零位。

3.2 在線靜態(tài)測(cè)角方案

靜態(tài)精度測(cè)試時(shí)，如圖3所示完成測(cè)試系統(tǒng)搭建及初始入射角調(diào)整后，根據(jù)感應(yīng)同步器誤差測(cè)試原理，要求以感應(yīng)同步器實(shí)測(cè)角度5′為一個(gè)步長，采用高精密渦輪蝸桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)手動(dòng)調(diào)節(jié)掃描機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)角度φi，±5°內(nèi)共240個(gè)測(cè)試點(diǎn)，記錄SP-TR2000激光干涉儀示值θi，±5°范圍所有點(diǎn)測(cè)試完成后，將掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)回物理零位，若此時(shí)干涉儀示值不是零，則重測(cè)，反復(fù)測(cè)量3次，掃描系統(tǒng)測(cè)角誤差為|θi-φi|。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制誤差曲線，可根據(jù)該誤差曲線采取曲線擬合或線性插值的方式對(duì)掃描系統(tǒng)測(cè)角精度進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后再根據(jù)上述方法進(jìn)行靜態(tài)測(cè)角，檢測(cè)掃描機(jī)構(gòu)系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)角精度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 在線動(dòng)態(tài)測(cè)角方案

要求SP-TR2000激光干涉儀和掃描系統(tǒng)中測(cè)角系統(tǒng)同步測(cè)角，以172 μs時(shí)長，測(cè)量掃描系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)角精度。同步測(cè)角方法：掃描系統(tǒng)由掃描伺服控制器進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，由掃描系統(tǒng)給干涉儀發(fā)送同步采樣觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)以高電平形式輸出給干涉儀，此時(shí)掃描測(cè)角系統(tǒng)與干涉儀按照該觸發(fā)信號(hào)同時(shí)采樣，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)角度精度檢測(cè)。

4 在線測(cè)角系統(tǒng)誤差分析

由上述測(cè)角方案可知，在線測(cè)角系統(tǒng)主要誤差主要來源于：1)SP-TR2000激光干涉儀初始入射角對(duì)測(cè)角精度的影響；2)干涉儀測(cè)角精度。

4.1 初始入射角對(duì)測(cè)角精度的影響分析

在線測(cè)試系統(tǒng)初始入射角采用自準(zhǔn)直儀+多齒分度臺(tái)來校準(zhǔn)，并采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)來調(diào)整初始入射角。其中自準(zhǔn)直儀校準(zhǔn)精度為0.25″，多齒分度臺(tái)校準(zhǔn)精度為0.3″，高精度轉(zhuǎn)臺(tái)位置精度為1″，初始入射角調(diào)節(jié)精度為3.6″，且上述誤差均不相關(guān)，則在線測(cè)試系統(tǒng)初始入射角總誤差θ0可達(dá)3.76″。由SIOS激光干涉儀測(cè)角原理可知初始入射角對(duì)測(cè)角精度的影響根據(jù)公式(5)計(jì)算：

(5)

其中:dθ為初始入射角造成的誤差，dh'為兩個(gè)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后的光程差，L為反射鏡間距，θ0為初始入射角總誤差，則根據(jù)公式(5)可知，初始入射角帶來的測(cè)角誤差dθ為0.03″。

4.2 干涉儀測(cè)角精度

SP-TR2000干涉儀由計(jì)量院長度所進(jìn)行檢定，其測(cè)角精度σ為0.245″。

4.3 在線測(cè)角系統(tǒng)誤差分析

由上述誤差分析可知，該測(cè)試系統(tǒng)中各項(xiàng)誤差并無關(guān)聯(lián)，故在線測(cè)角系統(tǒng)誤差按照各項(xiàng)誤差的均方根值進(jìn)行計(jì)算。

由上述誤差來源及誤差結(jié)果分析可知，采用SP-TR2000激光干涉儀搭建的在線大角度高精度測(cè)角系統(tǒng)測(cè)角誤差為0.247″，可滿足掃描系統(tǒng)中1″的測(cè)角精度測(cè)試需求。

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)本紅外遙感器對(duì)大角度、高精度掃描系統(tǒng)測(cè)角精度的在線測(cè)試，根據(jù)對(duì)國內(nèi)外高精度、大角度測(cè)角設(shè)備的調(diào)研結(jié)果，本文提出了一種基于SIOSSP-TR2000激光干涉儀作為測(cè)角設(shè)備的高精度、大角度在線測(cè)角方法，對(duì)該測(cè)角設(shè)備測(cè)角精度進(jìn)行了檢定。根據(jù)項(xiàng)目需求搭建了在線測(cè)角系統(tǒng)，形成在線靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)角方案，并對(duì)該在線測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)角誤差進(jìn)行了分析。為高精度、大角度在線測(cè)角提供了一種新方法。