Establishment and Error Analysis of Model of Interference Fringe Contrast for Laser Tracing Measurement Optical System

激光追踪测量光学系统条纹对比度模型的建立及误差分析

陈洪芳^*,孙梦阳,马英伦,汤亮,王煜,宋辉旭

（北京工业大学,材料与制造学部,北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京 100124）

摘要：

本文提出一种激光追踪测量光学系统光学元件性能非理想及放置误差对条纹对比度影响的分析方法。基于激光追踪系统的测量原理,建立了激光追踪测量光学系统干涉条纹对比度的综合模型。基于ZEMAX的仿真结果验证了该模型的正确性。仿真结果表明,检偏器的放置角度对干涉条纹对比度有直接影响。当检偏器放置角度从65°增加到85°时,干涉条纹对比度从0.9996降低到0.3528,干涉条纹对比度降低了65%。当干涉光路中的分光镜BS1的分光比为5:5,分光镜BS2的分光比从2:8变化到8:2时,光电探测器接收到的干涉信号条纹对比度增大,但BS2反射到PSD上的入射光强减小。实验验证了该影响的显著性,当BS2分光比增大时,干涉条纹的对比度增大。同时由于BS2分光比的变化导致PSD的入射光强减弱,追踪系统的响应时间增加了23.7ms。这导致激光追踪测量光学系统的追踪性能下降。本研究为评价和提高激光追踪测量系统的精度和可靠性提供了重要的理论依据。

关键词：干涉条纹,对比度,激光追踪测量,高精度测量,ZEMAX

     

大型龙门机床的直线度误差建模及误差补偿

为减小大型龙门数控机床空间直线度误差,提高国产数控机床加工精度,提出基于B样条曲线的空间直线度误差模型及其补偿方法。使用激光干涉仪分别检测三轴龙门数控机床6个方向的直线度误差,应用B样条方法建立空间直线度误差数学模型.利用数控系统外部机械原点偏移功能,应用自主研发的误差实时补偿系统并依据基于B样条曲线的空间直线度误差数学模型,实现对大型龙门数控机床的空间直线度误差补偿.采用两轴联动补偿切削导轨面的方法进行试验,并与多项式模型和斜线插补模型进行对比,结果表明:B样条模型补偿后的导轨直线度最优,检测的导轨各方向直线度误差均减小90%以上,显著提高了大型龙门数控机床加工精度.     

一种用于对长直导轨的微小不平度进行动态测量的方法

探讨了一种能对长直导轨的微小不平度进行高精度实时测量的新方法．其原理是用一个光栅与激光干涉条纹组成莫尔条纹，利用莫尔条纹的放大作用将干涉条纹在微小角变下的微小移动放大几千倍，从而大大提高了测量灵敏度，使测量精度提高到０．５″．     

现代光电检测综述

本文综述了光电检测方法,特别是常用的各种光纤传感器,外差和赝外差技术在光电相位检测和频率检测中的应用。文章还描绘了近年来由于全息干涉计量、散斑干涉计量、云纹和投影条纹技术与CCD摄像机和计算机相结合,因而发展出了不少崭新的光电检测技术。它们在工业中得到了越来越广泛的应用。本文还介绍了全息干涉计量、散斑干涉计量在无损检测中的应用,以及最近发展起来的激光超声技术在无损检测中的应用前景、光纤传感在智能材料和智能装置中的应用。     

激光靶光电探测系统优化设计

介绍了一种新颖的激光光幕靶弹丸速度测量系统.系统由半导体激光光源准直、扩束形成原向反射屏反射后形成一定直径的反射光斑,光斑经用以扩大接收面积的光纤光锥会聚后由光电探测器接收.给出了苏格兰片反射率测试的方法和测试结果以及3 mm飞行物体的过靶波形.试验结果表明,采用原向反射屏和光纤光锥构成的光电探测系统具有较高的信噪比和灵敏度.     

分离型激光启动靶光电探测系统的设计

目的　研究一套激光启动靶 ,以启动相应的设备或仪器开始工作 ,实现对弹丸运动的研究 .方法半导体激光光源经准直、扩束形成激光光幕 ,再经距光幕一定距离 (3～ 5 m )外的具有原向反射特性的微珠玻璃屏反射回来后 ,经球面反射镜的会聚由光电探测器接收 .结果　设计了一种大靶区面积、低噪声的光电探测系统及相应电路 .结论　当弹丸穿过光幕时 ,光电探测系统可获取弹丸过靶信号     

分离型激光启动靶光电探测系统的设计

目的 研究一套激光启动靶，以启动相应的设备或仪器开始工作，实现对弹丸运动的研究。方法 半导体激光光源经准直，扩束形成激光光幕，再经距光幕一定距离（3－5m)外的具有原向反射特性的微珠玻璃屏反射回来后，经球面反射镜的会聚由光电探测器接收。结果 设计了一种大靶区面积，低噪声的光电探测系统及相应电路。结论 当弹丸穿过光幕时，光电探测系统可获取弹丸过靶信号。     

深孔轴线直线度测量技术研究

针对深孔轴线的直线度的测量,设计了一种远距离,二维直线度的激光测量方法。这种方法以经过单模光纤耦合的单一、准直的激光束作为测量基准,光电二维位置敏感元件采用四象限光电池,实现了水平和竖直方向直线度的同时测量和同时显示,并对信号进行处理和直线度误差评定,得出深孔轴线直线度的误差值。     

角度的激光干涉测量

利用计数装在物体上的激光角度传感器反射回来的激光的干涉条纹,可以确定物体的转角。激光角度传感器由立方角棱镜和全息光栅组成,本文完成了目测条纹下的原理性实验。     

渥拉斯顿棱镜偏摆对激光外差干涉直线度测量的影响分析

描述激光外差干涉直线度及其位置测量方法;分析由渥拉斯顿棱镜偏摆角引起的测量误差,建立激光外差干涉直线度及其位置测量误差的数学模型,并进行仿真分析研究。结果表明：渥拉斯顿棱镜倾角和摆角引入的测量误差为正弦型误差分量,当渥拉斯顿棱镜偏摆角为1°时,直线度的测量误差有约为100nm,位置误差约为1nm;当渥拉斯顿棱镜的倾角为15″时,直线度测量误差约为700nm,位置误差约为15nm。     

一种激光扩束镜换位机构设计

为了获得不同的激光发散角,在激光发射光路中设计了一种调整激光扩束镜位置的机构。该机构以带有精密丝杠和高精度滑轨的直线移动台作为直线运动轨道,利用直线位移传感器作为位置控制元件,实现激光扩束镜位置变换和精确定位。在介绍激光发射系统工作原理的基础上,给出了换位机构的设计方案、定位精度检测方法及检测结果。结果表明,该机构的重复定位误差不大于1.2″,具有结构简单、成本低、定位精度高等特点,可以在工程实际中推广使用。     

高斯激光束大气湍流传输的建模与仿真

大气激光通信中,湍流对传输系统的性能有着严重的干扰。在湍流中传输的激光会产生相干性退化,并且引起了光束的相位起伏、到达角起伏、光强起伏等效应,极大的影响了激光通信中传输速率及准确性。因此,利用快速傅里叶变换方法产生了Kolmogorov湍流理论的相位屏,并采用低频谐波补偿方法,从而改善相位屏的低频统计特性。然后,基于所产生的相位屏,采用分步传播方法对准直高斯光束通过Kolmogorov大气湍流进行了数值仿真,通过仿真得到了穿过大气湍流后的光强和相位分布,这对于大气激光通信,特别是研究光束在湍流中传播时的湍流效应有着不可忽视的指导意义和参考价值。     

激光干涉光斑图像恢复方法研究

应用CCD测量激光参数时,干涉噪声会降低测量数据的精度,影响激光参数的准确性。为解决此问题,提出一种激光干涉光斑图像恢复方法：根据光斑空间分布特性,分析图像梯度信息,利用梯度信息将图像划分为若干区域,在各区域中重新分配高斯曲率与高阶微分的权重系数,建立高斯曲率与高阶微分融合去噪模型,去除干涉噪声恢复光斑图像。实验结果表明：该方法能够自适应地、快速地恢复干涉光斑图像,减小束宽测量误差35.6%,提高激光参数测量精度。     

基于视频的结构光光条中心提取方法

针对结构光测量系统,提出基于视频的结构光光条中心提取方法．首先,为了分析图像随时间变化的关系,将视频图像的每一帧的同一列像素提取出来,按照时间顺序排列成一幅图像．然后,把图像逆时针旋转臼角度（口角是激光平面和CCD传感器平面法线的夹角）,提取光条中心图像坐标．最后,把求得的光条中心图像坐标顺时针旋转口角,根据这个光奈中心坐标反求物体的三维轮廓．该方法利用视频图像各帧之间的相关性,有效地克服了颜色突变对光条提取的影响．实验表明,该方法能够有效降低光条中心提取的误差．     

激光束高斯特性对LDA测量精度的影响

本文通过理论推导,数值计算详细论述了激光束高斯特性对LDA(Laser Doppler Anemometer)测量精度的影响。首先从高斯光束的波动方程出发,推导出双光束激光多普勒测速仪相干区域的光学结构及随被测体一起运动的微粒所散射的光波函数。本文定量地论述了高斯光束的各因素对测量精度的影响;给出了测量误差表达式,经过各种情况下的理论计算值的对比和分析,得出了两束腰分别在测量区两侧,等距离时,干涉条纹空间频率梯度引起测量误差最小的结论。     

Principle demonstration of fine pointing control system for inter-satellite laser communication

Due to high data rates and reliability,inter-satellite laser communication has developed rapidly in these days.However,the stability of the laser beam pointing is still a key technique which needs to be solved;otherwise,the beam pointing jitter noise would reduce the communication quality or,even worse,would make the inter-satellite laser communication impossible.For this purpose,a bench-top of the fine beam pointing control system has been built and tested for inter-satellite laser communication.The pointing offset of more than 100rad is produced by the steering mirror.With beam pointing control system turned on,the offset could be rapidly suppressed to lower than 100 nrad in less than 0.5 s.Moreover,the pointing stability can be kept at 40 nrad for yaw motion and 62 nrad for pitch motion,when the received beam jitter is set at 20rad.     

一种V型固体激光腔的热动力图解分析

采用图解分析方法分析一种常用于内腔倍频V型折叠固体激光腔在热透镜作用下的工作特性;得到谐振腔两臂中的光模参数bt,b2及束腰尺寸wt,w2随激光介质的焦距ft的变化关系.结果表明:这种谐振腔具有较宽的热稳定范围,而且在ft=l0处未出现无法运行的高损耗区;其热稳定范围及基模光斑尺寸可通过调整腔参数来改变,其关键参数为第一臂的长度l0 f,在选定腔镜的前提下,l0 f愈小,热稳定范围愈宽,同时wt愈小.在腔内插入一定厚度的布儒斯特片可以部分消除腔的像散.     

基于叠栅信号的超精密定位特性研究

介绍了一种采用叠栅信号实现超精密定位的定位方法,首先建立了衍射叠栅信号和相对位移关系的数学模型,并在MATLAB仿真软件的辅助下完成了对其定位特性的研究. 探讨了光栅倾斜对定位精度的影响,倾斜角越大,定位点的偏移越大,为确保高的定位精度,光栅的倾斜角度必须控制在一定范围之内. 研究发现激光束束径和莫尔信号之间存在一定关系,当激光束直径为光栅常数的11倍及以上时,激光莫尔信号几乎不受外界干扰的影响,此时能够达到更高的定位精度. 同时,分析了不同光栅常数对定位精度、定位行程的影响,并进而提出了粗光栅与细光栅相结合的两段式复合定位技术,可使定位装置在较大的行程范围内实现高精度定位. 实验表明,采用衍射叠栅信号的超精密定位可获得±10 nm的定位精度.     

高速交通轨道梁高精度光纤变形监测

为了分析长标距光纤光栅（FBG）在轨道梁变形监测中的可靠性问题,建立共轭梁法计算模型,分析跨中挠度的模型误差.引入测量误差,得到不同FBG标距、不同测量误差下长标距FBG的变形监测精度.通过某高速轨道梁的现场测试实验,对长标距FBG的可靠性进行验证,提出2种传感器优化布置方案.结果表明,当布置的传感器数量大于8时,监测结果的误差控制在1%以内,考虑20%的测量误差,监测结果的误差可以控制在10%以内;现场实测的挠度与理论值的相对误差为2.01%,由此说明长标距FBG可以实现对高速交通轨道梁的高精度变形监测.     

连续梁桥上CRTS双块式无砟轨道疲劳特性

为探讨梁轨非线性互制作用下连续梁桥上双块式无砟轨道系统静动力荷载下结构响应,预测桥上无砟轨道结构的疲劳寿命,基于梁轨相互作用原理与车辆-轨道-桥梁耦合动力学原理,以昌景黄铁路某(40+64+40)m连续梁为研究对象,采用有限元方法建立了考虑桥梁、支座、底座板、道床板、扣件和钢轨等构件及结构层间非线性约束的连续梁-CRTS双块式无砟轨道的一体化空间分析模型,研究列车静活载作用下桥梁、道床板、底座板及钢轨的动力响应特性与无缝线路纵向力分布规律,分析连续梁桥上无砟轨道结构疲劳特性。结果表明：温度荷载作用下钢轨最大压应力位于连续梁两端,最大拉应力位于桥梁跨中;竖向荷载作用下钢轨最大拉应力位于连续梁桥墩,最大压应力位于桥梁跨中;制动荷载作用下钢轨拉、压应力极值均位于桥梁桥墩;钢轨纵向力由温度荷载控制,最大应力为143.1 MPa,满足规范要求;列车动载作用下,简支梁和连续梁上钢轨最大拉、压应力相当,道床板最大拉应力出现在连续梁跨中限位凹槽附近,其板底拉应力大于板顶,底座板最大拉应力出现在连续梁主墩附近,且板顶和板底的拉、压应力基本相同;列车动载作用下,钢轨最易破坏处寿命约27.1 a,道床板和底...