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激光自准直微小角度测量基础技术研究

黄银国  
【摘要】: 光电自准直微小角度测量技术具有非接触、测量结果与测量距离无关、精度高、方便可靠等优点,在机械、航空航天以及军事等诸多领域都具有广泛的应用,尤其在军事瞄准与定位中具有重要意义。论文针对瞄准与定位应用要求,对激光自准直微小角度测量的基础技术展开研究。 首先针对光电自准直系统现有简化模型的局限,提出了一种基于矢量运算的建模方法,建立了激光自准直系统的数学模型。对该模型进行了讨论,提出了理想自准直系统概念,得出了自准直二维测角的像轨迹原理、增维测角技术和有限尺寸条件下的测量范围表达式。通过数值仿真,分析了回像轨迹与平面镜转角的关系、回像轨迹非线性以及回像畸变,得到了简化模型的非线性误差和有限尺寸条件下的回像照度分布。数学模型的建立,为激光自准直系统研制提供了理论指导。 以理想自准直系统为目标,构建了基于LD-PSD的激光自准直系统。根据响应速度、光强动态范围和稳定性综合要求,对不同类型的光源和光电传感器进行了实验比较。结合高斯光束变换理论,设计了系统的光路方案,该方案符合理想自准直系统要求,又不同于已有的自准直光路形式,避免了高精度分划板的加工困难。确定了系统的主要参数,并对相关参量进行了计算。 通过数值仿真和实验,研究了与系统性能密切相关的LD和PSD各项特性以及系统的光强动态适应性和稳定性。提出了基于PSD输出和电压校正相对位移灵敏度系数的方法,减小反射光强变化对LD-PSD激光自准直系统测量结果的影响。分析了系统结构稳定性和光电系统稳定性的影响因素,并进行了稳定性综合实验。 对比研究了同步采样法和互相关法,结合互相法对同步采样法进行了改进实验。三种信号处理方法中,互相关法的角度噪声和长时间稳定性均为最优。激光自准直系统的互相关信号处理方法,既适应了弱反射条件,又减小了各种干扰因素的影响,提高了仪器对光强变化的适应性和系统稳定性。快速找准是光电自准直系统应用中的一个重要问题。针对瞄准与定位应用,提出了基于倾角传感的快速找准方法。采用MEMS二维倾角传感器设计了快速找准系统,对其进行了倾角标定,采用自校准原理标定了快速找准系统的绝对零点。 最后制作了激光自准直微小角度测量样机,对其进行了线性、光强动态适应性、稳定性、快速找准及其他特性实验。实验结果表明,样机两轴最大测量范围为±700″,分辨力为0.1″,在±150″范围内,最大非线性误差为0.8″,示值漂移为0.4″/4h,平均找准时间小于3分钟。 论文的主要创新性工作包括:(1)提出了一种基于矢量运算的建模方法,建立了激光自准直系统的数学模型,并提出了理想自准直系统概念。(2)针对瞄准与定位应用,提出了基于倾角传感的快速找准方法。(3)提出了激光自准直系统的互相关信号处理方法,提高了仪器对光强变化的适应性和系统稳定性。(4)提出了基于PSD输出和电压校正相对位移灵敏度系数的方法,减小反射光强变化对激光自准直系统测量结果的影响。


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