基于QD与MEMS振镜的微纳激光通信终端伺服技术研究

为了满足微纳卫星平台间的数传需求,实现伺服结构的小型化,设计了一套基于四象限探测器(QD)与MEMS振镜为伺服架构的微纳激光通信终端,完成光斑的检测跟踪.为了提高微纳通信终端跟踪精度,分析了光斑大小对四象限探测器检测精度的影响,使用Matlab进行仿真,并据此设计了一种当光斑直径小于四分之一探测器靶面直径时的捕获跟踪伺服系统算法,对系统组成及捕获跟踪算法进行了详细论述.搭建室内实验平台,进行了双向全光捕获跟踪实验,系统捕获时间2.2 s,跟踪误差84μrad.     

空间一维可展开桁架精度测量方法

结合空间一维可展开桁架结构特点,基于四象限探测器光斑中心位置检测原理,提出以准直激光束为测量基准的空间一维可展开桁架结构精度测量方法.应用该方法可以实现对空间一维可展开桁架各构架单元的扭转角、横向偏移量、纵向偏移量及桁架直线度装配精度的测量.提出四象限探测器二维平面标定方法,将探测器的工作范围扩大到3 mm×3 mm,探测器的测量精度提高到0.05 mm.运用设计的基于四象限探测器的激光准直测量方法对空间一维可展开桁架进行了精度测量实验,得到桁架各刚性框架的最大扭转角为0.133 3°,最大横向偏移量为1.200 8 mm,最大纵向偏移量为1.299 3 mm,桁架的直线度误差为1.090 6 mm,验证了所提出的空间一维可展开桁架精度测量方法的有效性.     

基于线阵CCD传感器的激光标印机自动对焦系统研究

针对工业中使用的标准激光标印机仍使用手动对焦方式,存在离焦量计算不准确、手动对焦随机误差大、对焦时间长等缺陷,基于偏心光束原理,设计一种以TCD1209D线阵CCD传感器为核心的自动对焦系统.建立光斑图像信息与激光标印系统离焦量间的数学关系,设计以DSP控制器为核心的信号处理系统,通过控制器产生CCD驱动脉冲,获取光斑信息经A/D转换器输入DSP控制器并依据函数关系计算得到系统离焦量,进而控制对焦平台实现自动对焦任务.结合实验分别探究光斑图像重心坐标、宽度与离焦量间的函数关系,实验结果显示图像宽度与离焦量可拟合为线性函数关系,其动态对焦范围为±240μm,对焦精度可达4μm,与手动对焦模式相比极大提高对焦精度.     

四象限探测器定位精度的分析与仿真

为了研究影响四象限探测器(QD)在空间激光通信系统中的跟踪精度,以及光斑特性和外部环境对探测器的影响。首先理论推导了四象限探测器光斑检测的原理,然后对光斑半径、光斑位置、背景光、光斑能量分布、死区、系统信噪比等因素进行了仿真分析。研究结果表明,光斑半径的增加会降低四象限探测器的位置探测灵敏度。光斑能量分布、背景光和死区会对光斑位置检测精度产生影响,系统信噪比的提高可以提高位置检测精度。     

空间激光通信AOT系统误差信号的特性分析

针对空间激光通信的技术特点,分析说明了空间光束的捕获、对准、跟踪(APT)技术的重要性和必要性,论述了空间激光通信中APT伺服控制系统的工作流程以及四象限误差信号在控制中的作用.提出了空间激光通信APT系统中误差信号计算的数学模型,分析讨论了信号光斑大小、信号光斑相对于探测器探测面的不同位置情况以及光强分布对系统跟踪速度和精度的影响,其研究结果对科研项目的研究具有极其重要指导意义.     

基于双目视觉的激光位移传感器标定方法

为了提高激光位移传感器在工业机器人末端坐标系下的标定精度,提出基于双目视觉的激光位移传感器标定方法. 该方法通过双目视觉技术重建激光光束投影在平面上的光斑位置,利用手眼标定参数将光斑位置转换至机器人末端坐标系,同时利用最小二乘方法将光斑拟合成光束直线,获得机器人末端坐标系下的传感器光束方向及零点位置以完成标定. 该方法可同时标定机器人末端上的多个激光位移传感器,无须采用有精度要求的辅助工件标定,具备精度高,鲁棒性强优势. 基于标准球的精度评价实验结果显示,在3倍标准差范围内该方法标定后的激光位移传感器测量精度范围为0.038 6±0.025 8 mm,满足机器人加工要求.     

空间激光通信APT系统误差信号的特性分析

针对空间激光通信的技术特点,分析说明了空间光束的捕获、对准、跟踪（APT）技术的重要性和必要性,论述了空间激光通信中APT伺服控制系统的工作流程以及四象限误差信号在控制中的作用。提出了空间激光通信APT系统中误差信号计算的数学模型,分析讨论了信号光斑大小、信号光斑相对于探测器探测面的不同位置情况以及光强分布对系统跟踪速度和精度的影响,其研究结果对科研项目的研究具有极其重要的指导意义。     

自适应去直流偏置的激光干涉振动测量

针对单频激光干涉在位移测量中干涉信号易饱和的缺点,提出一种自动调整偏置的干涉信号光电转换方法,并应用在激光干涉测量振动微位移的系统中。从光路结构、硬件电路、软件算法三个方面对测量系统进行阐述。光路设计保证在光路结构简单紧凑的基础上产生宽度足够分辨的干涉条纹;设计电流放大与可自动消除偏置的二象限光电转换处理电路,并采用二分法调整DAC输出的算法,实现干涉信号偏置量的自适应调节。实验结果表明:该方法能够快速准确地自动调节偏置量到合适范围,满足干涉振动位移测量的要求。     

四象限探测器在空间激光通信中应用研究

研究了不同模式光斑对四象限探测器(QD)工作的影响,重点分析了高斯光斑对探测灵敏度的影响。搭建实验系统用扫描偏转镜及辅助CCD相机完成了对其性能测试实验。实验表明,形心算法的检测精度为质心检测精度的5倍;在极限探测灵敏度下,QD只能实现二细分,采用平滑滤波可以改善其细分能力;在高信噪比条件下可实现位置分辨力为1.6μm,角度分辨率为0.8μrad。同时研究了不同光斑大小、不同强度背景光对器件的影响。     

基于小波的激光测速靶的信号分析

激光靶是一种子弹发射速度测量系统,它根据子弹穿过两个靶面的时间间隔以及两靶间的距离算出子弹的平均速度.介绍了一种应用小波变换分析激光靶过靶信号的算法,该算法从大尺度到小尺度沿着模极大线确定信号奇异点的位置,从而判断出子弹的过靶时刻.由于在大尺度上噪声的小波变换系数的幅值比信号的小波变换系数的幅值小,该算法能有效抑制噪声的影响.实验结果表明:应用小波分析激光靶的信号提高了测量的精度和可靠性.     

基于视觉的远场激光光束质量的检测方法

介绍了一种远场激光光束质量的检测方法,可检测远场激光的光斑位置、光斑大小和光强分布。漫反射特性的靶板在远场接收激光,采用视觉系统以一定角度拍摄靶板图像,采用VC++编制软件对图像进行处理,得出检测参数。给出了系统的组成和图像处理算法,并进行了检测精度测试,光斑位置测量误差小于2 mm。实验结果表明,视觉系统不需要标定,测量方便,可在野外现场检测。     

线阵CCD测厚系统改进光斑中心定位算法的研究

CCD探测器的像元大小和测厚系统的定位算法优劣是影响激光测厚系统测量精度的重要因素。针对CCD探测器的像元大小不易改变和算法精度不够的问题,在结合相关法和拟合法的基础上,提出了改进型的算法作为光斑中心亚像素定位算法,并将其应用在激光测厚系统中,以提高激光测厚的精度。研究结果表明,改进定位算法后的激光测厚系统能达到1μm的测量精度。     

激光跟踪测量系统的建模与仿真

在全面分析了激光跟踪测量系统结构和工作原理的基础上, 建立了系统运动学模型和转镜中心偏移 数学模型。针对以往球坐标激光跟踪测量系统中参考点只能借助于外部具有更高精度的仪器来校正的缺点, 提出 了平面约束自校正方法, 并给出了系统自校正算法。最后对激光跟踪测量系统运动学模型和自校正算法进行了仿 真验证, 结果表明该方法能有效地确定系统实际工作全过程和提高系统跟踪精度与响应速度。     

基于线激光位移传感器的孔毛刺测量与评价

针对现有仪器不能实现对孔全域的毛刺高度、根厚度及形貌的综合快速测量和无法自动利用测量数据实现毛刺期望评价指标的计算,设计了一套基于线激光位移传感器的孔毛刺测量系统。首先阐述多重反射引起的杂散光及激光成像面和待测孔表面的倾斜对测量精度的影响,并提出了消除杂散光和校准倾斜的方法;接着利用传感器的测量数据开发了一种计算毛刺高度和根厚度的算法,实现了毛刺高度和根厚度沿孔圆周展开的可视化;最后提出以最小二乘中线、算术平均波动和均方根波动为评价指标的描述孔全域毛刺高度和根厚度的量化评价方法。实验结果表明:该系统不仅可以可视化孔全域的毛刺3D形貌和2D波动,还可给出毛刺及其评价指标的量化值,其测量重复度<0.8μm,毛刺高度测量精度为5μm,满足孔毛刺的精确测量需求。     

立式水轮机组的摆度测量分析

为了保持发电机组在安装或拆卸检修过程中机组的主轴与镜板面垂直,利用激光位移传感器等硬件设备,结合Lab VIEW平台等一体化测量系统对水电机组进行摆度测量。基于传统盘车过程中使用机械式指针百分表存在精度差、效率低、轴线曲折不明确等缺点,使用激光位移传感器为测量元件的测量系统,分析水电机组的主轴全摆度和净摆度。结果表明自动化监测系统具有针对性强、可靠性高、精度高等特点,实现了水电机组在线监测,测量数据跟踪计算。     

基于单面阵CCD的三维平移测量系统设计

针对高精度多自由度位移同时测量问题,利用光斑位置变化方法设计了一种基于单面阵（CCD,Charge—Coupled Device）三维平移测量系统。系统采用两路准直（LED,Light—Emitting Diode）光束作为测量基准,由单面阵CCD探测光斑图像,图像经处理后可获得光斑位置信息,根据光斑位置变化推算出被测物体三维平移变化量。在实验室环境下构建了二维实验系统,模拟测量X向和Z向的平移变化,结果表明,X向平移测量精度优于±1μm,Z向平移测量精度优于±2μm。系统具有非接触、体积小、精度高的特点。     

一种基于光楔干涉的激光准直系统

介绍了一种基于光楔干涉的激光准直系统：利用氦氖激光经准直、扩束后投射到固定在接收靶上的楔形光学平板上,产生的干涉条纹由光电传感器检测;将接收靶沿被测导轨移动,如果导轨有直线度误差,则接收靶过桥与导轨的接触点所形成的直线角度发生变化,这样干涉条纹就会发生移动;将光电传感器检测得到的干涉条纹移动量送入单片机系统,采用软件细分的方法,得到被测点相对于准直光束的偏移量。最后对该系统进行了对比与重复性实验。实验表明：用本套装置检测长度为40m的长导轨,直线度误差仅为674．961μm。     

基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪视频引伸计控制系统设计

本控制系统采用图像雅克比矩阵在线辨识的方法,建立了激光标记与试件标记的实际距离,即激光标记的跟踪位移量到图像空间跟踪位移量的映射关系,不仅避免现有视频引伸计的摄像机标定环节,而且实现了激光标记对试件标记的精密全程跟踪。通过低碳钢和铸铁的拉伸实验,分别实现跟踪精度1.8μm/10mm和0.9μm/2.5mm,验证了设计的控制系统的有效性和精确性。     

基于小波变换的自适应电网频率测量算法

传统的最小均方频率跟踪算法在谐波干扰较严重时存在收敛速度较慢、误差较大等问题。提出了一种以小波变换理论为基础的自适应频率测量算法。该算法对检测到的电网电压信号进行小波分解,弱化信号间的相关性,提高算法的收敛速度,同时将信号分解到不同的频段,减小谐波干扰对测量结果精度的影响,设计两级自适应滤波器系统跟踪测量电网频率。通过仿真实验验证,该算法可快速地跟踪测量电网频率,且在信号受谐波干扰较严重的情况下仍具有较快的收敛速度和较高的测量精度。     

大量程光学共焦跟踪式三维弹头痕迹检测仪

新研制了一种大量程光学共焦跟踪式非接触三维弹头痕迹检测仪,介绍了这个测量系统的原理、结构、控制以及实验结果.该系统采用了光学共焦跟踪式微位移器,垂直分辨率为0.01μm,测量范围为±200μm,通过量程扩展到±1000μm,它的圆周分辨率为50″,轴向步距为1.25μm.另外,还采用光学聚焦测量方法的某些措施和数字伺服来克服光学共焦跟踪式微位移传感器的短处,即形貌垂直方向的允许阶跃变化量从每步±20μm增加到每步±80μm.该系统可以完整地获取弹头发射痕迹的真实形状,提供了部分测量数据和弹头痕迹的拟实图片.