Roll angle measurement with a large range based on the photoelectronic autocollimator

In this paper, we propose a roll angle measurement method with a large range based on the photoelectronic autocollimator. According to the corresponding relationship between the rotation position of the measured shaft and the spot position on the circular trajectory, the roll angle is calculated quickly and conveniently using a simple algorithm. Only a mirror, a coupler and a fine shaft are contained in the measurement system besides the photoelectronic autocollimator. Aiming at the terrible measurement error induced by the axis wobbly error, two measurement schemes are proposed, which are linking the fine precision shaft to the measured shaft for reducing the axis wobbly error and using the segment measurement to enlarge the radius of the circular trajectory. The experimental results show that the measurement error is decreased by ±0.38°. The roll angle error of the mechanism is ±0.14°, and the measurement precision is about ±2′. The proposed method can be widely used in the engineering fields.     

五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。     

高精度长焦距测量系统反射镜安装误差分析

大口径长焦距测量系统中,为了缩小测量系统的尺寸,加入两块反射镜形成折返光路。折返光路中两块反射镜的安装误差是影响测量结果的重要因素。将条纹理解成条纹成像面上的点光源阵列,通过这一思路分析了反射镜偏转角度对最终检测结果的影响。研究了反射镜偏转角度与反射镜单位法向量的计算公式,结合反射定律的矩阵形式,求出入射光矢量到出射光矢量的变换矩阵。基于反射镜的单位法向量、出射光的方向向量,利用解析几何得到理想接收屏上条纹所在直线的方程,求出接收屏上测得的条纹的角度。计算了两块反射镜小角度旋转的49种组合情况下,莫尔条纹角度的偏差结果。使用自准直仪分光路的方法调整反射镜,将反射镜安装误差控制在1以内,莫尔条纹角度的偏差在10-4数量级。通过实验验证莫尔条纹的测量精度实际达到0.005,充分说明了反射镜的调整效果。     

光学连续闭环光电编码器误差检测系统

为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″（k=2）,系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。     

全捷联激光制导弹药双透镜滚转角测量方法

针对应用于末制导弹药中滚转角测量方法出现的各种不足,提出一种全捷联激光制导弹药双透镜滚转角测量方法。利用添加透镜光斑与滚转角无关的特点,将非滚转光斑作为滚转角测量基准,通过激光束经过两透镜在阵列位移敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)光斑坐标间相对位置关系,得到弹体滚转角计算公式。根据测量原理及设计结构,对测量精度进行了分析。将该方法结合弹体六自由度运动模型进行模拟打靶实验,分析测量方法实时精度。实验结果表明:滚转角测量值在各种实验环境下最大误差不超过0.05°,其精度满足激光制导弹药制导与控制需求。     

补偿强反光体表面红外测温误差的算法研究

针对运动强反光体表面温度实时测量困难、精度低这一难点,本文从红外测温原理入手,分析并揭示了红外测温精度易受到被测物体反射率、测量距离、测量环境、红外入射角等因素的影响。根据铝板材加工设备轧辊表面测温实际需要设计了一种利用红外传感器实现对强反光体表面温度点对点测量的方案。通过对测量数据的研究分析建立了一种基于斯忒藩定律的红外入射角度补偿算法,以此减小因红外入射角度变化产生的测温误差。实验结果证明本方法能较好地弥补红外入射角度变化产生的测温误差,提高测温精度。该补偿算法运算简单,适应性强,为改善入射角度变化对测温精度影响提供了新的方法。     

长焦距红外光学系统焦距检测方法

强激光主机装置中,需要利用各种不同焦距的光学透镜对光束进行扩束和准直,透镜焦距的准确程度直接影响系统的整体性能,所以对透镜焦距的准确测量尤为重要。提出了一种利用哈特曼-夏克波前检测仪和旋转平面镜辅助测量长焦距红外光学系统焦距的新方法。给出了系统的测量原理,使用ZEMAX 光学仿真软件仿真分析了待测透镜不同通光孔径对焦距测量的影响,并且通过误差理论推导出平面镜旋转角度与系统测量误差之间的解析表达式。最后进行了实验对比,测量结果表明,当平面镜旋转至一定角度,采用合适的通光口径,系统测量精度可以优于3,远高于传统测量方法。此外,该测量方法还具有使用方便、高稳定度等显著优点。     

电磁张量姿态旋转不变量研究

首先研究了传统基于重叠偶极子模型的几何误差校正方法,该方法需要姿态角测量装置测得仪器的姿态角信息,且具有无法消除姿态角测量装置的安装角度误差、探测区域地形的起伏倾角误差以及感应误差的不足;基于类似的公式推导以及姿态角旋转矩阵中各分量间的等式关系,推导出在层状大地模型下的电磁张量姿态旋转不变量.由模型仿真结果可知,在一个测量周期内,当系统姿态角恒定不变时,垂直共轴、垂直共面以及水平共面三种常用线圈架构由姿态角引起的总误差,分别可以达到12%,11.5%,-11.5%,而不变量的总误差恒为零;当系统姿态角变化率恒定不变时,不变量的总误差随着初始姿态角以及姿态角变化量的增大而增大,且可以忽略发射频率以及大地电导率的影响.若选取的测量周期足够短,此时姿态角变化量足够小,则可以忽略不变量的总误差,从而不再需要测量系统的姿态角信息.已知RESOLVE系统在30 ms的测量周期内翻滚角及俯仰角的初始姿态角均为27°,姿态角变化量均为0.45°,得到不变量在H型层状大地下的总误差仅为-0.21%,验证了不变量的可行性.     

扫描镜动态性能的自准直检测技术研究

为检验扫描镜的动态性能,提出了一种动态自准直检测方法,该方法巧妙地将被检扫描镜和动态靶标上目标模拟反射镜纳入动态光电自准直仪准直光束的传播路径中,并构成闭合的光学自准直测量回路。设计了扫描镜动态性能的自准直检测装置,并利用自准直方法对动态靶标的自身精度进行标定。实验结果表明,动态靶标在360°的范围内的动态精度为±15μrad,可检测最大速度为80°/s,最大加速度为50°/s2。将该检测方法和装置应用于某型号空间激光照明成像跟踪系统中扫描镜的方位轴、俯仰轴独立性能的检验,获得了相应的静态轴系晃动、阶跃响应和连续跟踪等性能数据,为扫描镜的性能改进提供了参考和帮助。     

基于SCKF和姿态估计的SINS/GPS在线对准方法

该文提出了基于平方根容积卡尔曼滤波和初始姿态估计的捷联惯导/全球定位系统组合在线对准法。构建平方根容积卡尔曼滤波器来对初始姿态估计的非线性量测模型进行滤波,估计代表初始姿态转换矩阵的罗德里格参数,并以此求出当前时刻的姿态转换矩阵,从而求出当前时刻准确的姿态。该文分别对制导武器系统和车载系统进行了半实物仿真。仿真结果表明,此方法可在25 s左右完成在线对准。其中短距离制导武器仿真结果航向角及俯仰角误差在0.1°内,横滚角误差在0.3°内;低成本车载导航系统仿真结果航向角误差在0.2°内,俯仰角及横滚角误差在1°内,可满足制导武器及低成本民用车辆的对准需求。     

基于条纹反射法的平面镜面形测量

为了评价平面镜面形误差,采用基于条纹反射法的面形检测原理、通过平面镜法线偏移实现面形误差评价的方法。将正弦条纹投射至光屏,经被测平面镜反射至相机,通过小孔成像原理和四步相移法获得被测平面镜上一点的法线,并与经最小二乘算法面形重建的该点理论法线比较,获得该点法线偏移,利用法线偏移实现对平面镜的面形评价。对测量方法进行计算机仿真,以证明其正确性;搭建实验测量系统,并对某一款手机屏幕进行测量实验。结果表明,该测量方法的重复性精度优于1mrad,测量重复性高。该研究为玻璃面板等具有高反射特性的平面面形误差提供了参考。     

Optimization design of the angle detecting system used in the fast steering mirror

In this paper, in order to design a fast steering mirror (FSM) with large deflection angle and high linearity, a deflection angle detecting system (DADS) using quadrant detector (QD) is developed. And the mathematical model describing DADS is established by analyzing the principle of position detecting and error characteristics of QD. Based on this mathematical model, the variation tendencies of deflection angle and linearity of FSM are simulated. Then, by changing the parameters of the DADS, the optimization of deflection angle and linearity of FSM is demonstrated. Finally, a QD-based FSM is designed based on this method, which achieves ±2° deflection angle and 0.72% and 0.68% linearity along x and y axis, respectively. Moreover, this method will be beneficial to the design of large deflection angle and high linearity FSM.     

基于干涉测量的Ф1.3 m非球面反射镜定心

Ф1.3 m凹椭球面反射镜是某遥感器光学系统的主镜,其定心精度要求苛刻。由于该反射镜口径大、顶点曲率半径长,利用定心仪法进行定心的实现难度大,精度低。通过分析非球面的两种偏心之间的补偿现象,可知激光跟踪仪接触测量定心的精度仅为0.15°。三坐标仪接触测量定心的精度能够达到0.005°,不过其量程受限,且在光学加工时的反复搬运会造成不便。利用Offner零位补偿检验光路进行干涉法定心,干涉法将反射镜偏心转换为检测系统波前的初级像差,同样可以达到0.005°的精度。该检测方法的误差来源主要是干涉仪焦点位置误差,是系统误差,可以通过旋转反射镜进行多次定心测量的方法予以消除。完成了该反射镜的定心,其结果与三坐标仪的测量结果对比,两种偏心的最大偏差仅为0.023 mm和0.002°。实现了大口径凹非球面反射镜的原位定心测量。     

激光自动对准系统中快速反射镜机构研究

针对激光自动对准系统,开展了快速反射镜机构研究.利用2个直线步进电机,分别驱动2对楔块,通过楔形摩擦副实现快速反射镜的两维转动,应用楔块角度自锁,实现快速反射镜对光轴的精密调整和精度保持.为保证激光对准系统工作时,对准激光经快速反射镜后能始终返回CCD视场内,确定快速反射镜的工作转角范围:方位为±6.975′,俯仰为±...     

基于激光测量的高速非接触角度检测技术研究

提出了一种基于光学三角法测距原理的高速非接触光学角度测量方法,利用两个激光位移传感器测量物体具有角度变化时产生的位移,实时计算得到物体一维运动角度,在摇摆台上进行角度范围及精度的实验,并使用光纤陀螺进行角度实时同步测量,通过最小二乘拟合法对误差进行补偿。实验结果表明,该系统的角度测量范围±10°,角度测量精度±0.005°,测量频率2000 Hz。该角度测量技术使用非接触光学测量方法,对被测物体表面无损伤。     

俯仰/滚转耦合的大角度姿态测量算法

基于加速度计或陀螺仪的测姿方法均存在大角度条件下姿态角误差放大、突变问题。对大俯仰角测量,通过预置欧拉旋转法可确定冗余加速度计的布置方式,降低了俯仰角测量误差。对大俯仰角条件下的滚转角测量,提出基于角速率阈值判定的陀螺解耦测姿算法。当俯仰角速率大于设定阈值时,采用角速度投影可钳制滚转角误差的漂移;当俯仰角速率小于设定阈值时,采用角速度积分可避免角速度投影造成的姿态误差放大。通过理论推导、分析和仿真,预置欧拉旋转法能有效避免大俯仰角条件下俯仰角姿态误差放大,陀螺解耦测姿算法能在振荡环境下长时间保持滚转角精确度。     

转轴转角定位误差测量方法与误差分析

提出了一种基于光纤激光自准直转轴转角定位误差测量的方法,建立了包含转轴运动误差以及安装误差的误差模型,仿真分析了23项误差对转角定位误差测量的影响,结果表明仅有参考转轴与待测转轴之间的4项安装误差的影响量与转轴旋转角度相关,且只需精细调整其中两项角度安装误差即可保证影响量小于0.2。利用所搭建的测量装置对某分度盘的转角定位误差进行了测量,三次测量重复性偏差约为0.9,与光电自准直仪对比的最大偏差约为0.6。结果表明:利用该测量方法和测量装置可以实现转轴转角定位误差的全周范围高精度测量,验证了所提出模型的有效性。     

基于菲涅尔双棱镜的在轨小角度测量方法

利用菲涅尔双棱镜反射测量三维小角度的方法是一种利用成一定夹角的两面反射镜代替单块平面反射镜的改进型自准直测量方法,通过建立反射光斑位移与反射镜旋转角度的数学关系,求解获得空间三维角度变化。但是在传统菲涅尔双棱镜测角方法的建模中,物体的空间角偏转状态由一个固定顺序的动态转角过程给定,其建模方式求解结果不唯一,且转角表达不直接。针对用于在轨三维小角度测量的菲涅尔双棱镜测角法,提出了一种新的建模方式,构建了初始状态与最终状态的空间角度变化的数学关系,该模型不受转角顺序的影响,其求解结果具有唯一性,且对于三维角度偏转表达更为直接、客观,同时使得菲涅尔双棱镜三维测角法适用于更大的测角范围。最后,通过仿真计算验证了这种建模方式的正确性。     

基于激光自混合干涉的高精度角度测量方法

针对光学高精度角度测量技术的需求,基于激光自混合干涉技术提出一种高精度角度测量方法。建立了激光自混合干涉技术高精度测量角度的系统模型,利用干涉条纹计数法分析出目标物体具有角度变化时,外腔长度产生的变化量,并通过激光三角法测量原理计算出目标物体旋转的角度,从而构建出精确的角度测量系统。实验结果表明:该测量系统在±0.4°角度范围内测量精度可达(±3.1×10-3)°,具有精度高、速度快等显著优势,是对现有高精度角度测量技术的一种有益补充。     

光子计数激光雷达游走误差与时间抖动的研究

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点,是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差,从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先,基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性,建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型;然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系,计算分析与仿真实验都表明:系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后,使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验,实验结果表明:当探测器时间抖动标准差分别为15,350和1152ps时,游走误差分别为0.88,2.55和12.56cm。