基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；所述装置的切向测角单元和径向测角单元分别位于正交平面ＹＯＺ和ＸＯＹ面内，并均包含光束角漂误差补偿光路；测量方法采用自测点返回的携带被测二维角度信息的光束经偏振分光镜产生的反射和透射光束分别作为切向及径向测角单元的测量光束；本发明专利技术采用动态光束角漂误差补偿光路，将光束的角漂移量转换为共模误差，实时分离和动态补偿由光束角漂引起的角度测量误差，提高二维小角度测量的重复性、稳定性及减小测量不确定度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于精密仪器制造和精密测试计量
，特别涉及一种基于光束角漂动态补 偿的二维小角度测量装置与方法。
技术介绍
目甜，常用的小角度测量(asr ，特别是在士10 20arcmin以内)方法包括激光小角度 测量仪法、标准光学角规法、圆光栅测角法、激光干涉测量法、光电自准直仪法。在诸多的 测量方法中，激光自准直测量方法充分利用激光的优点，具有结构简单、使用方便等特点， 在计量科学中得到越来越广泛的应用。激光自准直测量方法是利用激光本身的方向性，以激 光光强分布中心作为基准直线，采用CCD、四象限光电池或PSD作为光电位置探测器，实现 角度的测量。激光自准直测角方法具有非接触、准确度高、灵敏度高，结构简单、使用方便 等特点。随着测量技术的不断改进和提高，现代化高精度测量技术和方位瞄准跟踪系统的发展对 小角度的测量精度提出了越来越高的要求。光电自准直仪在小角度精密测量，高精度瞄准与 定位方面有着不可替代的作用，可以作为测角仪、光学比较仪等光学计量仪器的组成部分， 也可单独用于光学测量、航空航天仪器装调和军用飞行器姿态测量等方面。在高精度小角度测量中，对于测量不确定度优于0.5〃的光电自准直仪，光源部分光束的 角漂移量是光电自准直仪测量误差的主要来源。当光源发出的光束存在光束漂移时，如氦氖 激光器谐振腔内反射镜变形引起光束的角漂移量为10-6 10-7rad，即0.02" 0.2" (1.力'德 安.激光基准高精度测量技术.国防工业出版社.1999年6月；2.方仲彦，殷纯永，梁晋文.高 精度激光准直技术的研究(一).航空计测技术.1997， 17 (1): 3 — 6)，如果采用光斑中心 定位方法则接收器接收的光斑中心随光束漂移而漂移；如果采用轮廓中心定位方法，则由于 光束漂移，接收器接收的光斑的能量中心和轮廓的几何中心不重合引起轮廓中心的偏移，直 接产生轮廓中心的定位偏差。如果不对该角漂移量进行修IH或补偿，将直接反馈回小角度的 测量结果引起角度测量偏差，导致仪器数据重复性差，稳定性不好。若要进一歩提高测量不 确定度，仅仅依靠提高光束自身的准直精度，无论是从现有技术还是工艺水平上都是难以实 现的。采用误差分离和补偿技术，特别是动态补偿技术，为消除或补偿修正该角漂移量引起 的角度测量误差，实现高精度的小角度测量提供了一种有效的技术途径。目前，工程中广泛使用的光电自准直仪，如国家计量局北京计量仪器厂出产的702型光 电自准直仪，采用光学自准直原理，利用电表指零来确定瞄准状态，从测微鼓轮上或直接从 电表上读数，测量分辨力为o.r，测量不确定度为10'范围内为2"，视场中心任意4〃 6"范围内为0.5"(武晋燮.几何量精密测量技术.哈尔滨工业大学出版社.1989年9月)。该测量方案测量的是一维角度量，如果测量另一维角度量，必须在这个方向上重新调整仪器，导致测量过程繁琐且数据重复性差，同时会引入人为测量误差以及机械的回程误差；同时光束的角漂移量仍然存在，测量不确定度难以提高。为了克服自准直仪在测量两个方向的角度量时，二次调整仪器所带来的重复性误差的缺 点，提高光电自准直仪的测量分辨力，同时能满足数据实时显示和存储的需要，许多厂家和科研院所都制造出采用高精度光电探测器件测量二维角度的光电自准直仪，例如1. 德国ELCOMAT公司生产的型号为ELCOMAT3000的双轴电子自准直仪。采用高精度的 CCD图像传感器，通过测量CCD图像传感器上接收到的光斑中心移动的位移量来精确测 出反射镜的小角度变化量，技术指标如下角度测量范围为土15.5'，角度测量不确定度 为0.1〃 (德国MOLLER-WEDEL公司ELCOMAT3000双轴电子自准直仪中文操作手册.)2. 专利98229708.4 "动态光电自准直仪"的被测反射镜的二维角位移造成矩形孔像斑的二 维角位移量3. 专利99242552.2 "二维动态数显式自准直仪"把现有的一维自准直仪中的十字形分划板 改为三角形分划板。在半透膜立方棱镜和双刻线分划板之间安装一个分光镜，分光镜反 射像处有一 CCD接收器，电子测量装置对CCD接收器的信息进行控制和数据处理；4. 专利99254139.5 "光电自准直仪"的分划板设置有带N字型、A型、V型等指标线图案， 分光棱镜的共轭焦平面处设置有一维图像探测器件，通过指标线图案与一维图像探测器 件的相互位置关系计算偏角；5. 专利200110032713. 2 "自准直仪"提供一种能够同时进行测量对象物的法线倾斜的粗调 和微调的自准直仪，通过向测量对象物照射光源的激光，使从测量对象物反射回來的回 返光通过凸透镜会聚，进一步通过凹透镜变为平行光，然后映射到第一屏幕，由此来检 测测量对象物的法线倾斜； ' .6. 专利200510077456.9 "基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法"通过 在激光光源和分划板之间放置一前置分光镜來获取与测量光束特性完全相同的参考光 束， 一光程倍增装置对参考光束进行多次反射， 一甜置CCD图像传感器对光束的角漂移 量进行监测，可显著提高二维光电自准直仪的测量稳定性和测量精度。7. 专利200510072253.0 "基于动态差动补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法"采用 共光路光学差动结构，将光束的角漂移量转变为共模误差，实时分离和动态补偿光束的 角漂移量引起的角度测量误差，提高二维光电自准直仪的测量稳定性、重复性和测量不 确定度。8. 专利200510117263.1和200510089852.3中所述"光电自准直仪"利用分光式靶探测器在 获取二维小角度变化量测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光光 源固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对其角漂移量进行实时监测，计算机根 据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的 方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。 由于采用了高精度的光电探测器件，尤其是CCD图像传感器，提高测量分辨力的同时实 现了二维角度的自动化测量，数据实时显示和存储，而且也很好的消除了由于二次调整仪器 而引入的人为测量误差和机械回程误差的缺点。但在实际应用中，尤其是从光路和机械结构以及测量过程中可知上述测量方案均存在如 下不足之处方案1-5中没有采用任何误差补偿或修T:的手段，光束的角漂移量在测量过程 中没有消除，最后叠加在测量结果中引起角度测量偏差；方案6-8虽然采取了不同的误差补 偿方法对激光束角漂进行实时补偿，但不能克服测量过程中光电自准直仪自身的角度晃动所 引起的角度测量误差，不适用于通过移动光电自准直仪对一系列测点进行二维角度测量的应 用场合，直接限定了光电自准直仪的应用范围，这是现有测量方案本身的不足之处，也是当 甜光电自准直仪的实际应用中未能解决的重要问题。另外，自准直仪的测量对象反射面不能 太小(例如ELCOMAT 3000自准直仪的被测面直径不能小于7mm),否则将造成大部分平 行光无法被其反射回自准直仪，导致CCD图像传感器接收到的图像信号太弱而无法完成角度测量，这也是光电自准直仪的一个重要缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有的二维小角本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置，包括线偏振Ｈｅ－Ｎｅ激光器或半导体激光器（１）、二维位相板（２）、线偏振片（３）、切向、径向测角单元（２１）、（２２）及与其对应的傅立叶变换透镜（１９）、（８）和ＣＣＤ图像传感器（２０）、（９），其特征在于可对测点处二维小角度信息进行同时采集的切向与径向测角单元（２１）、（２２）分别位于正交平面ＹＯＺ和ＸＯＹ面内，且均包含可对光束角漂进行实时动态补偿的误差补偿光路，并均以衍射准直光束为测量基准光束。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，郎治国，刘俭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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