【摘要】：自準(zhǔn)直技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度微角度測量的主要技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高效率校正和測量,要求微角度測量必須具有高分辨力和盡可能大的量程。但實(shí)際上,大量程與高分辨力測量相互制約,增大量程,會(huì)導(dǎo)致測量分辨力降低。而且,隨著大型和超大型超精密裝備制造業(yè)和大科學(xué)裝置等領(lǐng)域的快速發(fā)展,在要求大量程與高分辨力的同時(shí),又提出了長工作距自準(zhǔn)直技術(shù)的迫切需求。而現(xiàn)有自準(zhǔn)直技術(shù),長工作距、大量程與高分辨力難以兼顧,特別是工作距大于7.5 m以后量程迅速減小,到25 m時(shí)量程趨于0,失去測量能力。因此在保證分辨力不變的前提下,同時(shí)增大工作距和量程已經(jīng)成為本領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵的難題。本課題“基于光束偏轉(zhuǎn)跟蹤的長工作距大量程自準(zhǔn)直微角測量方法”研究針對上述問題,提出基于光束偏轉(zhuǎn)跟蹤的自準(zhǔn)直方法,大幅度改善自準(zhǔn)直系統(tǒng)中大量程與長工作距離難以兼顧的矛盾,提高長工作距條件下的量程,同時(shí)使分辨力在長工作距離變化時(shí)和在大量程范圍內(nèi)保持一致。論文主要研究內(nèi)容如下:首先,針對傳統(tǒng)自準(zhǔn)直中工作距離受限原因不明確而無法有效提高的問題,將現(xiàn)有自準(zhǔn)直技術(shù)歸納總結(jié)為四種基本類型,對這四種基本類型中量程與工作距離之間的變化關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析,推導(dǎo)出自準(zhǔn)直技術(shù)中量程隨工作距離變化的理論關(guān)系。分析結(jié)果表明,在2 m以內(nèi)的工作距離下,自準(zhǔn)直系統(tǒng)量程主要受制于光電探測器尺寸與準(zhǔn)直物鏡焦距之比;在2 m以上的工作距離下則主要受制于準(zhǔn)直物鏡光瞳尺寸與工作距離之比。在以上分析的基礎(chǔ)上,提出基于光束偏轉(zhuǎn)跟蹤的自準(zhǔn)直方法,即引入光束偏轉(zhuǎn)技術(shù),實(shí)時(shí)調(diào)整測量過程中準(zhǔn)直光束的方向,根據(jù)目標(biāo)反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行同步補(bǔ)償偏轉(zhuǎn),并通過二維微角度測量單元實(shí)時(shí)測量光束偏轉(zhuǎn)單元的角度偏轉(zhuǎn)量。通過角度變換關(guān)系得到目標(biāo)偏轉(zhuǎn)量,從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的精確測量。對所提出的自準(zhǔn)直方法建立模型進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,其量程主要受制于目標(biāo)反射鏡口徑與工作距離之比,在相同工作距離下量程顯著優(yōu)于現(xiàn)有自準(zhǔn)直技術(shù),利用光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)可大幅度改善自準(zhǔn)直系統(tǒng)中大量程與長工作距離之間的矛盾。其次,針對現(xiàn)有二維微角度測量技術(shù)難以在大量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度微角度測量的問題,對基于電容位移傳感和基于激光干涉位移傳感的正切法微角度測量單元建立模型,對其中原理誤差的產(chǎn)生機(jī)理及對微角度測量的影響程度進(jìn)行詳細(xì)研究。結(jié)果表明,在±900″測量范圍內(nèi),原理誤差是影響二者微角度測量結(jié)果精度的主要因素;進(jìn)而根據(jù)該分析結(jié)果在微角度測量中對二者原理誤差予以補(bǔ)償;在此基礎(chǔ)上,利用所建立的模型,采用蒙特卡洛法對補(bǔ)償原理誤差之后的其余各項(xiàng)誤差源進(jìn)行仿真分析,得到各項(xiàng)誤差源對微角度測量結(jié)果的影響量。由此得以確定其中的主要誤差源,為進(jìn)一步提高微角度測量精度提供指導(dǎo)依據(jù)。再次,對長工作距自準(zhǔn)直測量光路中空氣湍流對微角度測量結(jié)果的影響進(jìn)行分析。確立現(xiàn)有的空氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)模型,以及以此為基礎(chǔ)建立空氣湍流功率譜模型和相位屏模型。根據(jù)上述各模型的適用條件和應(yīng)用場合,確定相位屏模型作為本文長工作距自準(zhǔn)直中的空氣湍流模型;進(jìn)而根據(jù)長工作距自準(zhǔn)直應(yīng)用場合中實(shí)際空氣湍流情況,確定空氣湍流相位屏模型參數(shù),對長工作距自準(zhǔn)直中空氣湍流對微角度測量結(jié)果的影響進(jìn)行仿真驗(yàn)證,為采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)解決長工作距自準(zhǔn)直中空氣湍流的影響、提高長工作距自準(zhǔn)直微角度測量精度提供理論基礎(chǔ)。最后,研制了基于光束偏轉(zhuǎn)跟蹤的自準(zhǔn)直測角實(shí)驗(yàn)裝置,對其主要性能進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其在7.5 m和25 m長工作距離下的有效分辨力均優(yōu)于0.04″,對應(yīng)量程范圍分別達(dá)到±1 050″和±350″,驗(yàn)證了本文提出自準(zhǔn)直方法具有長工作距、大量程和高分辨力特性。
【圖文】：

第 2 章 基于光束偏轉(zhuǎn)跟蹤的長工作距大量程自準(zhǔn)直方法與模型分析并著重對其中工作距離與量程之間的關(guān)系進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。-面陣探測器型統(tǒng)的理想自準(zhǔn)直模型，位于準(zhǔn)直物鏡焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源發(fā)成為平行光束出射，經(jīng)目標(biāo)反射鏡反射后返回至準(zhǔn)直物限制，僅部分光束能夠返回至自準(zhǔn)直系統(tǒng)的探測面，其

cosBM RDD q qq= ≤ 準(zhǔn)直微角度測量中由于部分測量光束返回時(shí)偏離出準(zhǔn)直物鏡光瞳部分光束可以不被目標(biāo)反射鏡反射，，由此可以計(jì)算出滿足自準(zhǔn)直需的最小目標(biāo)反射鏡口徑MinD ，如公式(2-7)所示：Min,cosBRDD q qq= ≤ 以看出，在采用點(diǎn)源-面陣探測器的自準(zhǔn)直系統(tǒng)中，將光束全部反反射鏡口徑MD 與滿足測量所需的最小反射鏡口徑MinD 二者相等十字狹縫/微孔-面陣探測器型于傳統(tǒng)的理想自準(zhǔn)直模型中目標(biāo)平面采用點(diǎn)源的方式在實(shí)際中際自準(zhǔn)直系統(tǒng)中采用的是具有一定尺寸的物面光闌，由此導(dǎo)致自的測量光束為非平行光束，從而影響到自準(zhǔn)直微角度測量精度�；蛭⒖坠怅@作為物面光闌的自準(zhǔn)直系統(tǒng)如圖 2-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH741.2

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李安英,楊亞培;光波導(dǎo)光束傳輸法數(shù)值分析新進(jìn)展[J];激光技術(shù);2000年04期

2 張逸新;光束大氣傳輸源象抖動(dòng)雙頻相關(guān)函數(shù)的研究[J];紅外研究(A輯);1988年02期

3 曉晨;;采用導(dǎo)光裝置的YAG激光焊接[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1989年09期

4 鄧錫銘，郭弘，曹清;傍軸黎曼幾何光學(xué)Ⅲ．光束傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)行為[J];中國激光;1996年04期

5 雷大軍;董輝;;一種新的三維有限差分光束傳輸法[J];半導(dǎo)體光電;2012年04期

6 薛竣文;蘇秉華;裴雪丹;趙慧元;孫魯;;激光諧振腔和光束傳輸?shù)姆治雠c設(shè)計(jì)[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2011年08期

7 ;光纖光束傳輸系統(tǒng)[J];應(yīng)用光學(xué);1994年05期

8 楊建義;馮浩;王明華;;有限差分光束傳輸法的分析[J];計(jì)算物理;1996年01期

9 陳惠龍,曹清,范滇元;傍軸光束傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)行為[J];中國激光;1998年12期

10 郭弘,劉承宜,胡巍,張樹葵,G.Fibich,鄧錫銘;多階強(qiáng)度非線性條件下的光束傳輸研究[J];中國科學(xué)(A輯);1999年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 周田華;朱小磊;陳衛(wèi)標(biāo);;基于CCD的水下激光光束傳輸特性測量[A];2017年光學(xué)技術(shù)研討會(huì)暨交叉學(xué)科論壇論文集[C];2017年

2 廖天河;劉偉;高穹;;多光束傳輸對大氣湍流與熱暈綜合效應(yīng)的改善[A];第十屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2012年

3 馮博;甘雪濤;趙建林;;階梯相位型渦旋光束傳輸特性研究[A];2010年西部光子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集[C];2010年

4 趙昕;;強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中光束傳輸?shù)母唠A模呼吸子解[A];2007年中國青年光學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2007年

5 趙昕;郭旗;;強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中光束傳輸?shù)亩蛎赘咚购粑咏鈁A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

6 趙丹;盧芳;韓香娥;;數(shù)值模擬陣列光束在湍流大氣中的漂移和閃爍特性[A];國防光電子論壇空間光信息與組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用研討會(huì)論文集[C];2015年

7 李樹民;柳建;金鋼;朱國林;;激光傳輸通道氣體壓縮效應(yīng)對光傳輸影響的數(shù)值模擬研究[A];計(jì)算流體力學(xué)研究進(jìn)展——第十二屆全國計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2004年

8 趙昕;李秀珍;王曉艷;薛美;;強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中光束傳輸?shù)母唠A模呼吸子解[A];2010中華醫(yī)學(xué)會(huì)影像技術(shù)分會(huì)第十八次全國學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2010年

9 周國泉;;高階洛倫茲-高斯光束的構(gòu)建及其傳輸特性研究[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2010年光學(xué)大會(huì)論文集[C];2010年

10 季小玲;呂百達(dá);;像散透鏡對高斯光束的變換特性[A];湖北省激光學(xué)會(huì)論文集[C];2000年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 曲雙平;神奇的光束傳輸技術(shù)[N];電腦報(bào);2003年

2 記者 陳頤;英特爾推出可實(shí)現(xiàn)光束傳輸?shù)男酒琜N];經(jīng)濟(jì)日報(bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 譚欣然;基于光束偏轉(zhuǎn)跟蹤的長工作距大量程自準(zhǔn)直微角測量方法[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

2 陳衛(wèi)軍;光折變表面波及艾里光束的非線性調(diào)制研究[D];天津工業(yè)大學(xué);2018年

3 楊國慶;空間功率合束中改進(jìn)的光束指向優(yōu)化算法研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2018年

4 劉靜倫;系列軸對稱結(jié)構(gòu)CO_2激光器輸出光束分析及整形[D];四川大學(xué);2007年

5 徐延冰;超短脈沖光束在近軸光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸特性研究[D];四川大學(xué);2007年

6 高曾輝;非傍軸光束傳輸特性、相干和非相干合成研究[D];四川大學(xué);2007年

7 張海飛;自由空間中激光傳輸?shù)墓庾V反常現(xiàn)象和縱向場效應(yīng)研究[D];北京大學(xué);2008年

8 胡勇華;強(qiáng)光束非線性傳輸?shù)目臻g特性及其控制研究[D];湖南大學(xué);2008年

9 劉顯龍;部分相干渦旋光束的產(chǎn)生、傳輸及測量與應(yīng)用[D];蘇州大學(xué);2017年

10 羅美蘭;部分相干渦旋光束和高斯謝爾模光束的光學(xué)統(tǒng)計(jì)特性研究[D];浙江大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 韓坤;復(fù)合型可調(diào)類艾里光束的特性研究[D];西北大學(xué);2018年

2 吳義芳;高功率有限能量Airy光束產(chǎn)生與線性傳輸研究[D];湖南大學(xué);2014年

3 汪芳;厄密高斯關(guān)聯(lián)光束的時(shí)空特性研究[D];蘇州大學(xué);2018年

4 常寧;基于渦旋相位調(diào)制的軌道角動(dòng)量光束傳播特性[D];哈爾濱理工大學(xué);2018年

5 昌成成;結(jié)構(gòu)光場的產(chǎn)生及其非線性效應(yīng)[D];華僑大學(xué);2018年

6 胡潤;像散及部分相干螺旋貝塞爾光束的研究[D];華僑大學(xué);2018年

7 關(guān)克強(qiáng);軌道角動(dòng)量光束在大氣湍流中的畸變及其補(bǔ)償方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

8 劉慎哲;渦旋光束的產(chǎn)生及其傳輸特性的研究[D];山東大學(xué);2018年

9 黃絲米;基于非局域介質(zhì)中Airy光束傳輸特性的空間分束機(jī)理研究[D];湖南大學(xué);2017年

10 劉琦;新型反常渦旋光束在湍流大氣中的傳輸特性研究[D];電子科技大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2664399