Wollaston棱镜偏振非正交对空间测角系统的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Wollaston棱镜后引起的两出射光束的偏振非正交及进而引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法,并利用坐标变化的方式,对任意入射角和方位角下Wollaston棱镜的偏振非正交进行了理论推导。接着,对偏振非正交与入射角的关系及它对系统测角精度的影响进行了Matlab仿真。仿真结果表明,随着偏振非正交及空间方位角的变大,系统测量误差变大,且Wollaston棱镜偏振非正交对系统测角精度的影响较大;当方位角为3°,偏振非正交为10′时,测角误差为30″。最后,通过分析偏振非正交的产生原因,改进了原有光源扩束系统,改善了偏振非正交对系统测角精度的影响,减小了测角误差。本文的研究成果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。     

利用偏振光实现空间方位角的快速测量

为了实现上下不同平面内仪器方位角的快速测量,基于磁光调制和偏振分束构建了一种角度测量系统.根据偏振光的琼斯矢量描述方法推导出了系统的测角模型,并采用“差除和”的办法消除光源波动以提高测角精度.分析了渥拉斯顿棱镜的两路光信号透射比与入射角、方位角的关系及其对测量结果的影响,讨论了由双光路光电器件的光信号衰减、器件漂移和电路性能的不同带来的增益差异与测量结果的相关性.最后,提出了采用磁光调制的方法来消除两路信号的透射比系数和增益系数的差,从而提高仪器测量精度.实际系统测量实验表明:系统完成测角时间为15 s,在+8°～-8°内测角精度优于5″.结果显示该系统具有稳定性高、测角速度快、精度高等特点.     

入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响

为了掌握角锥棱镜用在激光跟踪仪中光束入射角度变化对其测量精度的影响规律。详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性。计算出了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角度变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角度变化的规律。实验结果表明：角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变。在最大允许入射角±35.26°时其测量误差达到0.050mm;而在±20°范围内时其测量精度优于0.010mm,且入射角度在±15°范围内其测量精度最高,稳定性最好。所得结论证明了当角锥棱镜在入射角度为±20°范围内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义。     

采用双调制方式测量消光比参数

提出了一种采用磁光调制与光源调制技术高精度测量偏振棱镜消光比参数的方法并建立了相应的消光比测量系统。首先,根据偏振光的琼斯矩阵描述方式推导了系统的测量模型;采用磁光调制方式,实现了待测偏振棱镜晶体光轴与起偏器晶体光轴夹角的高精度定位。然后,采用光学斩波器对光源进行方波调制,消除了各种噪声对系统测量精度的影响,使得系统在待测偏振棱镜实现光轴精确定位后能够准确测量光强值。最后,对待测偏振棱镜进行了多次测量并求取平均值。实验结果显示,对偏振棱镜消光比参数的测量精度为10-6,验证了提出方法的有效性和稳定性。该系统精度高、稳定性好、容易实现工程化,对偏振器件的性能检验和实际应用具有指导意义。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

偏振导航传感器测角误差分析与补偿

借鉴沙漠蚂蚁等昆虫利用天空偏振模式进行导航的方法,设计了偏振传感器来获取导航系统的航向角。为提高偏振传感器的测角精度,研究了影响偏振传感器测角精度的误差因素与补偿方法。讨论了如何利用偏振传感器从天空偏振模式中提取偏振方位角信息的方法,分析了影响偏振测角精度的主要误差因素,建立了偏振传感器的测角误差模型。根据测角误差模型,推导了偏振方位角的解算方法,并利用最小二乘算法,通过估算模型的误差参数值间接补偿测角误差。最后,采用提出的误差补偿算法在晴朗天气下进行了实验测试。测试结果表明：误差补偿后测角精度得到明显提高,约为0.17°（3σ）。实验结果验证了提出的误差补偿算法可以实现对角度误差的有效补偿。     

五角棱镜扫描系统中调整误差及制造角差的影响分析-

五角棱镜扫描系统可以实现高精度测量光学表面面形,为了全面分析五角棱镜扫描系统中的调整误差及制造角差对指向误差和测角仪测量误差的影响。根据旋转变换矩阵和光线矢量追迹理论,运用MATLAB编写通用的五角棱镜扫描系统的光线矢量追迹函数及相关分析程序。同时通过二维二次多项式拟合推导出,在一定角度范围内,用于计算指向误差和测角仪测量值的二阶近似公式。分析结果表明：在扫描测量过程中,测角仪的俯仰角和五角棱镜的制造角差对沿扫描方向指向误差和测角仪垂直方向测量值的影响是常量,五角棱镜扫描过程中的偏摆角和滚动角与其成二次函数关系;五角棱镜的偏摆角和滚动角、测角仪的偏摆角与垂直扫描方向指向误差和测角仪水平方向测量值均成线性关系。当导轨误差滚动10"、偏摆10",系统的各项调整误差为±3"时,沿扫描方向最大测角误差为0.0010666"。     

非偏振分光镜对干涉式椭偏仪测量精度的影响

提出了一种新型激光外差干涉椭偏测量术用于实现纳米级精度的薄膜厚度测量。采用偏振光p和s分量透射比、反射比、反射相移、透射相移共同表征非偏振分光镜(NPBS)的退偏效应,建立了相应的误差模型,从而研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对椭偏参数误差的影响。研究结果表明,由环境温度、入射角和光束偏振态的变化引起的NPBS退偏参数的漂移对椭偏测量精度影响很大,且无法通过标定来降低。为实现纳米级测量精度,NPBS的对准误差需要控制在0.1°以内。相对而言,用于合光的NPBS方位角误差对测量精度影响较大,NPBS所导致的膜厚测量总误差约为1.8～2.5nm,说明NPBS是马赫曾德尔干涉式椭偏仪的一个不可忽视的误差源。     

基于视觉正交迭代法改进的激光跟踪姿态测量

针对航空航天、汽车船舶以及机器人应用等领域对姿态精准测量的需求,研究了一种基于视觉加权加速正交迭代(WAOI)的激光跟踪姿态角测量方法。首先阐述了测量系统组成、建立了数学测量模型,并分析了系统的主要误差源;其次在正交迭代(OI)的基础上,通过物方重投影误差设置参考点权重系数,引入常系数矩阵整合迭代过程中的冗余计算,提出了一种WAOI算法,并通过实验验证了算法的性能;最后搭建实验平台,利用精密二维转台对基于WAOI的姿态角测量进行精度评定。结果表明,在-20°～20°角度范围内,3～15 m测量范围内,方位角精度可达0.11°,俯仰角精度可达0.26°。相较比例正交投影迭代变化(POSIT),方位角和俯仰角测角精度均提升75%以上。本文提出的WAOI算法有效提升了激光跟踪姿态测量系统的精度。     

三点法中测头角位置的精密测量方法

研究了三点法圆度及轴系误差测量中测头角位置的精密测量方法。设计了能直接测量非接触电容传感器测头实测状态下的角位置的测角系统,提出了克服测头角位置测量误差及三个测头灵敏度标定误差影响的校正方法。实验表明：采用本文提出的“多刻线”法测角精度优于1′,测头角位置测量误差及三个测头灵敏度标定误差对测量精度的影响可降致最小。     

基于误差传播理论的PnP问题姿态精度分析

提出了一种在辨识一组典型特征点误差关系的基础上,建立间接测量值与直接测量值之间的最有利函数关系,并根据误差传播理论综合其他特征点的误差影响,最终获得完整的方位、俯仰和倾斜角误差数学模型的PnP问题误差分步分析新方法。以P4P问题研究为例,推导得到了单目视觉测量中相关参数和变量的误差函数解析式,揭示了影响姿态测量精度的误差规律。经P4P姿态解算仿真,验证了误差数学模型的正确性,以及基于误差传播理论的误差分步方法的有效性。分析误差数学模型可以看出:在单目视觉测量参数确定的条件下,方位角测量误差与方位角值无关,与相机高度和合作标志尺寸的比值成正比,在较大范围内俯仰和倾斜角变化对方位角测量误差影响小;俯仰/倾斜角的测量误差与俯仰/倾斜角值有关,与相机高度和合作标志尺寸比值的平方成正比;方位角测量误差小于俯仰/倾斜角测量误差。给出的分析方法和误差解析数学模型对单目视觉测量系统设计有指导作用。     

车载经纬仪的静态指向误差补偿

为了降低载车平台变形对经纬仪静态测角精度的影响,补偿较大变形产生的测角误差,实现移动站弹道测量,分析了平台变形对光电经纬仪静态测角误差影响的基本原理,利用固定在方位轴轴心的倾角传感器测量出因平台变形而导致的经纬仪工作基准面中心点与水平面变化的夹角,并计算其测量坐标系的变化量。建立了平台中心变形角的底部轮廓图,经过有限的平台变形采样,存入计算机,在计算机中以方位、俯仰角为输入变量建立二维查找表,通过插值计算全方位角和全俯仰角的平台变形量,进行事后补偿。实验结果表明,该方法能够有效地补偿因平台变形而带来最大为142″的测角误差,使方位测角精度提高44″,俯仰测量精度提高8.5″。该方法为实现高精度车载光电测量提供了一种有效的途径。     

考虑偏振片非理想性的可见光偏振成像修正模型

常用的偏振成像理论模型大多基于理想偏振片假设,即偏振片的消光比为无穷大且主方向已知,而实际偏振片的非理想性会对偏振成像系统的测量精度产生明显的影响,为降低这种影响,对考虑偏振片非理想性的偏振成像模型进行研究。以基于斯托克斯矢量的偏振成像模型为基础,通过分析实际偏振片对入射光偏振态的改变,提出了一种考虑偏振片非理想性的可见光偏振成像修正模型,给出了考虑实际偏振片性能及主方向误差的偏振度、偏振角修正公式。利用分时偏振成像系统对线偏振光的偏振度进行测量,实验结果表明:当偏振片消光比为100:1时,理想模型的线偏振光偏振度测量的平均相对误差为5.53%,修正模型的偏振度测量的平均相对误差降低到3.62%。应用该修正模型可在使用低消光比偏振片时达到与高消光比偏振片相当的偏振度测量精度,使偏振成像系统能够拥有更大视场,成本降低。     

分块非线性加权在车灯检测仪校准器光轴角测量中的应用

针对传统光轴角测量系统中人为因素干扰导致的重复性能降低等不足,设计一种基于图像处理技术与高精度电控转台相结合的自动测量方案。分析了照明光斑光强分布特性,提出了一种基于图像区域分割的最优非线性加权的特征点提取算法。该方法根据光强与灰度的线性关系,将光强量化到3个区间。然后分析灰度因素在特征点定位中的影响;针对不同区间应用局部最优加权法则以实现局部最优化处理。最后,利用光轴偏转角与特征点在像面上位移的对应关系,计算得到光轴角测量值。开展了光斑特征点重复性实验并分析了光轴角检测精度,结果表明:该系统在不同光强、不同角度条件下重复性好,测角精度优于60.18″。与激光光源的光轴角测量实验对比,该算法在光斑光强分布不均的条件下仍能完成稳定且精确的光轴角测量。     

双参数非线性概率模型的板材腐蚀精度估计

针对金属板腐蚀在线超声动态检测时探头抖动致使超声波入射角变化,引起测量精度低的问题,建立双参数超声波水浸检测误差修正的非线性概率模型,结合函数逼近理论补偿超声入射角引入误差。采用基函数加权组合与三阶拉格朗日插值结合方法,同时对超声波入射角、界面声程双参数与工件声程的函数关系进行最小二乘曲线拟合,得出入射角与检测误差的非线性相关关系。通过对误差补偿算法中非线性概率模型入射角与界面声程变量的迭代运算,利用折射角反向求解入射角,解决检测中超声波入射角不确定问题。在水层厚度30～45 mm范围内,对不同厚度铝板进行检测,结果表明,经模型补偿处理,超声波以0°～8°角入射,板材检测精度为1%,为有效提高腐蚀精度估计提供依据。     

五棱镜的运动误差对波前测量的影响

五棱镜使光束转向时,它的工作状态的改变会给测量带来一定的误差,分析了五棱镜由于机械运动引起的在三维方向有微偏角时使光束转向改变波前的复杂情况,计算机模拟实验证明了由机械运动引起的波前改变量是可分离的,以便减小五棱镜的运动误差对测量的影响,使五棱镜光束转向系统在测量中发挥最佳效能。     

A study of ultrasonic propagation for ultrasonic flow rate measurement

For the purpose of accurate flow measurement, an automatic three-dimensional (3D) sound field measurement system has been developed, and an experimental study has been conducted on ultrasonic properties. By using this system, ultrasonic sound pressure distributions and radiation angles in water have been measured. According to Snell’s law, the ultrasonic transmission properties can be obtained on the basis of incidence angle, acoustic impedance, basic frequency of ultrasound, and material and thickness of the metallic plate. However, this law cannot be applied to certain cases where an ultrasonic incident wave passes through a metallic plate and turns into a longitudinal wave, a shear wave and a Lamb wave. Consequently, the ultrasonic propagation paths have been investigated experimentally at various angles of incidence. From the experiments, it was confirmed that the ultrasonic beam paths change with incidence angles. Hence, the most suitable incidence angle has been determined from the result of measurements. Velocity measurements using an ultrasonic velocity profiler were made at various incidence angles. The accuracy of measuring flow rates changed with the incidence angles. The optimal incidence angle determined from 3D field measurements was found to yield the most accurate flow rates.