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激光跟踪仪长距离光束准直及动态测控技术研究

吴婷  
【摘要】:激光跟踪仪作为一种高精度的空间大尺寸三维坐标测量仪器,融合了激光干涉测量、光电检测、精密机械、电机伺服控制及计算机等技术,能实现对运动目标的快速跟踪及其空间坐标的高精度测量。由于其能实现大范围、高精度、高效的动态测量,激光跟踪仪已广泛应用于大型工件装配及检测等领域,是衡量现代精密装备制造水平的重要标志。本课题“激光跟踪仪长距离光束准直及动态测控技术研究”,基于现有激光跟踪仪样机结构,分析激光跟踪仪实现跟踪测量的工作原理,针对激光跟踪仪跟踪测量范围受跟踪光束发散特性限制、激光跟踪仪跟踪速度受测控单元带宽限制的问题,对跟踪光束长距离准直技术及运动目标跟踪中的动态测控技术进行研究,以实现激光跟踪仪大范围、高速跟踪的目标,为最终研制出具有自主知识产权、高性能的激光跟踪仪打下坚实的基础。本文主要研究内容如下:针对激光跟踪仪跟踪测量范围受跟踪光束发散特性限制的问题,分析跟踪光束——半导体激光的光功率及准直特性对跟踪距离的影响。针对光功率对跟踪距离的影响,进行了激光跟踪仪靶镜位移探测光路与双频干涉光路优化设计,使跟踪光束利用率提高了15倍。针对光束准直特性对跟踪距离的影响,分析半导体激光经光纤传输后的光束特性,进行了准直方案设计,包括准直原理分析、准直系统设计及仿真、机械结构设计。针对激光跟踪仪跟踪速度受测控单元带宽限制的问题,根据激光跟踪仪跟踪控制原理,分析激光跟踪仪测控单元中目标偏差检测模块带宽对跟踪性能的影响。针对该影响,进行了目标偏差检测模块的电路设计,使目标偏差检测模块的带宽大于0.8 MHz,满足跟踪系统对带宽的要求,提升系统响应速度。此外,针对测控单元中信号解调及解耦单元数字接口设计复杂的问题,进行了信号解调及解耦单元数字接口的优化设计,节省了芯片资源,并简化了硬件电路及程序设计,提高了测控单元的设计及调试效率。最后,根据激光跟踪测量系统组成,构建跟踪测控系统的实验平台,并进行跟踪光束长距离准直、动态跟踪性能测试实验及大工作距动态跟踪测试实验。实验结果表明,跟踪光束特性在100m范围内满足跟踪测量的要求,激光跟踪仪在10 m范围内单轴跟踪速度达到0.9 m/s,且在偏摆角为±180°、俯仰角为45°~135°的全范围内跟踪范围由0.35 m~3.5 m扩大到0.3 m~10 m。


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