長基線天線六自由度激光測量技術(shù)

高 潔, 郭賢斌, 焦曉光, 劉冠宇, 王 瑞

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

0 引言

六自由度測量不僅在柔性制造、自動裝配、數(shù)控機床檢測、光纖對接耦合以及多自由度平臺等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-4],而且對空間長基線天線位移和姿態(tài)的多自由度、高精度測量有重要意義。長基線天線在軌展開的過程中,會遇到兩個問題:一是展臂呈現(xiàn)大撓性結(jié)構(gòu)特征,二是各種擾動會引起伸展臂末端運動。上述問題將導(dǎo)致天線的位置和指向發(fā)生變化,進而影響雷達成像的相干性或直接引入干涉相位誤差。因此,空間長基線天線高精度六自由度在軌測量成為亟待解決的問題。當(dāng)前主流的多自由度測量系統(tǒng)包括三坐標測量、雙目視覺六自由度測量、基于全反射原理的五自由度測量、多光束六自由度測量、基于全息透鏡的六自由度測量等系統(tǒng)[5-8]。這些測量系統(tǒng),雖然已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的多自由度測量,但普遍存在系統(tǒng)過于復(fù)雜、價格非常昂貴、測量精度不高等問題。為此,有必要研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作方便、測量精度和可靠性高的六自由度測量系統(tǒng)。

針對空間長基線天線多自由度、高精度測量需求,本文提出了一種基于激光干涉測長、自準直測角和細光束測位移的激光基線測量系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)完成六自由度測量實驗,并將測試結(jié)果與P I公司的高精度六足控制臺的測試結(jié)果對比,驗證系統(tǒng)測試性能。

1 六自由度測量原理

1.1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同時用于基線相對長度、偏轉(zhuǎn)角、位移和俯仰角測量的六自由度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 六自由度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由測量設(shè)備端和合作目標體兩部分組成。合作目標體安裝在待測物體上,隨待測物體移動。測量設(shè)備端由上偏移測量光學(xué)組件、下偏移測量光學(xué)組件、單頻測長光學(xué)組件和自準直測角光學(xué)組件組成。合作目標體由上偏移角反射器、下偏移角反射器、單頻角反射器和平面反射鏡組成。在圖1顯示的o x y z坐標系中,中心測點C位于單頻角反射器光學(xué)面幾何中心位置。上偏移角反射器和下偏移角反射器用于中心測點C在x和z方向位移量Δx和Δz的測量,兩者聯(lián)合可獲得俯仰角θy的測量參數(shù),θy為oxz平面上沿y軸的轉(zhuǎn)角。單頻角反射器用于中心測點C相對長度Δ y的測量。平面反射鏡用于中心測點C偏轉(zhuǎn)角θx和θz的測量,θx為oyz平面上沿x軸的轉(zhuǎn)角,θz為oxy平面上沿z軸的轉(zhuǎn)角。

1.2 基線相對長度測量

基線相對長度Δ y利采用單頻激光干涉原理實現(xiàn)測量,系統(tǒng)組成包括測量設(shè)備端和合作目標體兩部分,如圖2所示。

圖2 單頻激光干涉測長原理

測試設(shè)備端的激光器LASER發(fā)出的光經(jīng)1/2波片HWP1入射到偏振分光棱鏡PBS1上,反射光經(jīng)1/4波片QWP1入射到動角反射器M2上,透射光經(jīng)1/4波片QWP2入射到角反射器M1上。由合作目標體端的動角反射器M2返回的光經(jīng)偏振分光棱鏡PBS1和1/4波片QWP3入射到分光棱鏡BS2上。由分光棱鏡BS2分光后的兩束光分別經(jīng)過偏振片P1和P2入射到探測器D1和D2上。

動角反射器M2為單頻角反射器,當(dāng)M2隨合作目標體沿y軸方向移動λ/2時(λ為激光器的工作波長),探測器D1和探測器D2接收的光程差就改變了一個波長。于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明暗變化,這個變化的條紋信號通過兩個光電探測器接收并轉(zhuǎn)化成交變的電信號。應(yīng)用移相方法將干涉條紋分為兩組,彼此相位偏移π/2,分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后,輸出兩組彼此位移偏移π/2的光電信號。這兩組光電信號分別經(jīng)過放大、整形、倒相,變成4個相位依次差π/2的矩形脈沖,再經(jīng)波形變換電路變換成尖脈沖。通過判向電路把一個周期的干涉條紋變成4個脈沖輸出信號。因此在測長時,當(dāng)條紋變化一條時,可逆計數(shù)器顯示4個脈沖數(shù)。這等于把條紋細分成4份,即4倍頻計數(shù),每一脈沖代表λ/8的移動量。則所測長度

式中:N為動角反射器M2移動時干涉條紋變化的周期數(shù)。至此實現(xiàn)了以光的波長為標尺對物體距離進行檢測的目的。由式(1)可知,測長系統(tǒng)的測量精度為λ/8。本系統(tǒng)中采用λ=1.55μm的窄線寬激光器作為激光光源,測長精度約為0.2μm。

1.3 天線橫滾角和天線偏航角測量

天線橫滾角θx和天線偏航角θz采用自準直測角原理進行測量。自準直測角系統(tǒng)由光學(xué)組件及合作目標組成,其中光學(xué)組件包括光源、分光棱鏡、長焦物鏡和電荷耦合器件(CCD),其合作目標為平面鏡,如圖3所示。

圖3 自準直測角系統(tǒng)

自準直測角的過程為經(jīng)過勻化的光束通過十字分劃板及分光棱鏡進入長焦物鏡,形成準直光束照射到平面鏡上,反射光線通過準直物鏡匯聚到CCD像面上。十字分劃板和CCD像面共軛。當(dāng)平面鏡與準直光束垂直時,CCD像面上的十字劃線處于像面中心,當(dāng)平面鏡與準直光束存在夾角時,CCD像面上的十字劃線將在像面中移動,移動量與夾角一一對應(yīng)。

自準直測角原理如圖4所示。f′為物鏡焦距,在物鏡焦點處發(fā)光點O所發(fā)出的光線經(jīng)物鏡成為一束平行光出射,再經(jīng)反射鏡反射。如果反射鏡垂直于儀器的光軸,光束將沿原路線返回,在同一位置處形成自準直像O′,即發(fā)光點O的自準直像O′與O重合,如圖4(a)所示。當(dāng)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度δ時,反射光將偏轉(zhuǎn)角度2δ,自準直像在O′處,相對于O產(chǎn)生位移t,如圖4(b)。

圖4 自準直測角原理

從光線與O和O′所形成的直角三角形可以看出

即

沿x軸旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度δ即為天線橫滾角θx,沿z軸旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度δ即為天線偏航角θz。系統(tǒng)中CCD的測量精度可達到10μm,若光學(xué)系統(tǒng)的焦距為300mm,則系統(tǒng)的測角精度約為3.4″。

1.4 基線傾角、偏航角和天線俯仰角測量

基線傾角θ1、偏航角θ2和天線俯仰角θy的測量采用細光束測位移的方法,如圖5所示。

圖5 細光束測位移及俯仰角原理

圖5中,光束經(jīng)分束器后分成兩束光,光束1經(jīng)過準直透鏡1準直后,作為測量光束入射到角錐棱鏡1上。角錐棱鏡1安裝在待測目標上,隨待測目標一起移動,經(jīng)角錐棱鏡1反射的光束入射到探測器CCD1上。同樣地,光束2經(jīng)過準直透鏡2準直后,作為測量光束入射到角錐棱鏡2上,經(jīng)角錐棱鏡2反射的光束入射到探測器CCD2上。當(dāng)待測目標旋轉(zhuǎn)一個角度時,照射到角錐棱鏡上的光束就會發(fā)生相對位移,由探測器測量其位置變化。實際測量過程中,激光器和探測器固定不動,角錐棱鏡隨被測物體運動,因此只有經(jīng)過角錐棱鏡反射到探測器上的光束會發(fā)生位移變化。相應(yīng)的探測器可以檢測到光斑沿z向和x向的位移Δz和Δx

式中:d是像元尺寸;m1,m2分別是CCD1和CCD2上光斑的x向位移;n1,n2分別是CCD1和CCD2上光斑的z向位移。

通過測量雙光束光斑的偏移及雙角錐棱鏡之間的距離,即可計算得出俯仰角

式中:D是兩個角錐棱鏡之間的中心距。

由Δz和Δx結(jié)合目標端和測量設(shè)備端的距離L,就可計算得到基線傾角θ1和偏航角θ2,即

測角系統(tǒng)中探測器CCD1和CCD2的測量精度可達10μm,位移測量精度可達5μm,角錐棱鏡之間的距離為300mm,天線俯仰角測量精度約為3.4″。

2 實驗裝置

根據(jù)上述測量原理,搭建六自由度測試實驗裝置,如圖6所示。

圖6 六自由度測試實驗裝置

將測量設(shè)備端通過轉(zhuǎn)接支架固定在光學(xué)平臺上,將合作目標體安裝在高精度六足臺上。六足臺是具有高精度六自由度的可調(diào)節(jié)設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級的位移和微弧級的角度轉(zhuǎn)動,并且允許設(shè)定回轉(zhuǎn)中心。系統(tǒng)測試時,首先利用自準直儀通過基準鏡將測量設(shè)備端與合作目標端的零位對齊,將合作目標到測量設(shè)備的距離誤差標定到±0.5mm,調(diào)整合作目標位置使光軸指向偏差在2″以內(nèi);然后通過調(diào)整六足臺的位移及旋轉(zhuǎn)角度控制合作目標的姿態(tài),記錄六足臺的調(diào)整量和六自由度測量設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)得出測量結(jié)果;最后對比測量結(jié)果和六足臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3 測量結(jié)果與分析

實驗中,分別對基線相對長度Δy、天線橫滾角θx、天線偏航角θz、基線傾角θ1、基線偏航角θ2和天線俯仰角θy進行了測量。

(1)基線相對長度

沿y軸向以微米級精度調(diào)整高精度六足臺位置,即改變合作目標體的位置,采用單頻激光干涉原理測量基線相對長度Δy?；€相對長度測量結(jié)果如表1所示,每組數(shù)據(jù)為測量500次平均測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,5組基線相對長度測量數(shù)據(jù)與真值的最大誤差為2.7μm。

表1 基線相對長度測量結(jié)果

(2)天線橫滾角

繞x軸以微弧級精度調(diào)整高精度六足臺的轉(zhuǎn)動角度,利用自準直測角原理測量天線橫滾角θx,測量結(jié)果如表5所示。每組數(shù)據(jù)為測量500次的平均測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,5組測量數(shù)據(jù)與真值最大誤差為4.16″。

表2 天線橫滾角測量結(jié)果

(3)天線偏航角

繞z軸以微弧級精度調(diào)整高精度六足臺的轉(zhuǎn)動角度,利用自準直測角原理測量天線偏航角θz,測量結(jié)果如表3所示。每組數(shù)據(jù)為測量500次的平均測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,5組測量數(shù)據(jù)與真值的最大誤差為1.8″。

表3 天線偏航角測量結(jié)果

(4)基線傾角

沿z軸向以微米級精度調(diào)整高精度六足臺位置,采用細光束測位移方法測量合作目標體基線傾角θ1,測量結(jié)果如表4所示。每組數(shù)據(jù)為測量500次的平均測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,5組測量數(shù)據(jù)與位移/角度真值的最大誤差為4.1μm/0.0846″。

表4 基線傾角測量結(jié)果

(5)基線偏航角

沿x軸向以微米級精度調(diào)整高精度六足臺位置,采用細光束測位移方法測量基線偏航角θ2,測量結(jié)果如表5所示。每組數(shù)據(jù)為測量500次的平均測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,5組測量數(shù)據(jù)與位移/角度真值的最大誤差為-3.1μm/-0.0639″。

表5 基線偏航角測量結(jié)果

(6)天線俯仰角

繞y軸以微弧級精度調(diào)整高精度六足臺的轉(zhuǎn)動角度,采用細光束測位移的方法測量天線俯仰角θy,測量結(jié)果如表6所示。每組數(shù)據(jù)為測量500次的平均測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,5組測量數(shù)據(jù)與真值的最大誤差為-4.42″。

表6 天線俯仰角測量結(jié)果

由上述實驗結(jié)果可知,采用本文所提測試方法,利用高精度六足臺控制合作目標的位移及轉(zhuǎn)動角度模擬長基線天線在軌姿態(tài)變化,可以滿足長基線天線六自由度的測量需求。測試距離為10m時,長度測量精度優(yōu)于5μm,基線傾角測量精度優(yōu)于0.1″,天線姿態(tài)角測量精度優(yōu)于5″。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于激光干涉測長、自準直測角、細光束測位移的六自由度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)測試結(jié)果與P I公司高精度六足臺輸出數(shù)據(jù)進行對比,證明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)長度測量精度優(yōu)于5μm,基線傾角測量精度優(yōu)于0.1″,天線姿態(tài)角測量精度優(yōu)于5″的高精度測量。該系統(tǒng)具備操作性強、精度高和可靠性高的特點,可廣泛應(yīng)用于空間機構(gòu)展開、光學(xué)薄膜展開以及大口徑天線高精度、多自由度測量等場合。