基于靶标反馈的自准直光束漂移抑制技术研究

论文摘要

超精密加工、精密和超精密装备制造和光学制造等技术的迅速发展,对光电自准直仪的测量稳定性提出了更高的要求。在实际应用中,尤其对用于实验室环境下的高精度的激光CCD自准直仪,激光光束角漂移对激光CCD自准直系统测量稳定性的影响更是致命的。课题“基于靶标反馈的自准直光束漂移抑制技术研究”的目的就是针对目前由于激光光束角漂移量引起的激光CCD自准直系统测量稳定性差的问题,探讨研究一种高稳定性的激光CCD自准直光束漂移抑制技术。本课题的技术难点在于激光光束角漂移量产生的实质是激光器自身产生的热漂移、空气折射率变化引起的漂移以及大气随机扰动引起的漂移这三种漂移量的综合作用结果,其随机性和不确定性使其无法用简单的数学模型进行描述,这也是当前激光CCD自准直研究领域中一直未能很好解决的重要原因之一。本文提出一种基于靶标反馈的自准直光束漂移抑制技术,设计并研制了基于靶标反馈的激光CCD自准直测量系统,提出并研制了一种分光式靶标探测器,采用分光式靶标探测器可在获取小角度变化量的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的角漂移量反馈光束,进而结合闭环反馈控制技术抑制耦合在测量信号中的测量光束角漂移量,可实现高稳定性的激光CCD自准直测量。提出并建立采用透视投影变换技术的基于靶标反馈的激光CCD自准直系统数学模型,确定了系统各组成单元之间的坐标对应关系,并且分别针对理想无漂移、有漂移无反馈和有漂移有反馈控制三种情况,分析和推导了CCD图像传感器和四象限探测器接收的光斑位置、分光式靶标探测器旋转角度和激光光束角漂移量之间的对应关系,为基于靶标反馈的激光CCD自准直测量系统的参数调节及性能分析提供理论依据。为了提高激光CCD自准直系统的图像边缘定位精度,进而得到更高的激光光斑中心定位精度,本文提出一种基于正交傅立叶-梅林矩（OFMM’s）及其偏差补偿的亚像素边缘定位方法,通过将OFMM’s的幅值旋转不变性和更低的径向矩阶数应用于边缘检测,并根据不同阶次的OFMM’s之间的关系得出边缘亚像素位置,并对不同模板大小和实际边缘模型引入的偏差进行分析和补偿,从而达到更高的边缘定位精度,实验结果表明,相对于传统的Zernike矩亚像素边缘定位方法,光斑中心重复定位结果的峰峰值由0.29像素提高至0.13像素,而相对于灰度重心法,光斑中心重复定位结果的峰峰值由0.21像素提高至0.13像素,且光斑中心定位偏差的峰峰值由0.23像素提高到0.19像素。最后,本文对基于靶标反馈的激光CCD自准直测量系统进行性能测试和实验研究,测试和分析了激光光束角漂移的特性,柔性铰链的特性以及控制系统的控制特性;对基于靶标反馈的激光CCD自准直测量系统的稳定性进行了测试,实验结果表明,采用该技术后激光CCD自准直光束稳定性测量结果的峰峰值由0.46″减小到0.15″,最后,对自准直测量系统角漂移量产生的主要因素:激光器自身的热漂移、空气折射率变化以及大气的随机扰动引起的漂移进行了相关的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 光电自准直技术国内外研究现状
• 1.2.1 光电自准直技术发展历程
• 1.2.2 国外光电自准直技术发展现状
• 1.2.3 国内光电自准直技术发展现状
• 1.2.4 光电自准直技术的发展趋势
• 1.3 光电自准直技术的技术难点
• 1.4 研究领域存在的关键技术问题及主要研究内容
• 第2章 基于靶标反馈的激光CCD自准直测量系统研究
• 2.1 引言
• 2.2 自准直光束漂移抑制技术及测量系统组成
• 2.2.1 测量系统构成及工作机理
• 2.2.2 分光式靶标探测器特性分析
• 2.2.3 柔性铰链的设计
• 2.2.4 闭环控制系统的研究
• 2.2.5 系统软件设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于靶标反馈的激光CCD自准直系统测量模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 透视投影变换技术研究
• 3.3 基于靶标反馈的激光CCD自准直系统测量模型
• 3.3.1 无激光光束角漂移情况下测量系统模型研究
• 3.3.2 存在激光光束角漂移但无反馈控制下测量系统模型研究
• 3.3.3 存在激光光束角漂移并加入反馈控制下测量系统模型研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于正交傅立叶-梅林矩的亚像素边缘定位方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于正交傅立叶-梅林矩的亚像素边缘定位方法
• 4.2.1 正交傅立叶-梅林矩（OFMM’s）的定义
• 4.2.2 基于OFMM’s的亚像素边缘定位方法
• 4.2.3 实际图像边缘定位模板
• 4.3 亚像素边缘定位方法的偏差分析和补偿
• 4.3.1 模板大小的不同引起的定位偏差分析
• 4.3.2 实际边缘模型的偏差分析
• 4.4 实验结果及数据分析
• 4.4.1 标准直线和曲线的定位结果
• 4.4.2 实际激光CCD自准直测量系统采集图像的定位结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统性能测试及产生漂移量的影响因素分析
• 5.1 引言
• 5.2 测量系统性能测试
• 5.2.1 激光光束漂移特性测试
• 5.2.2 柔性铰链性能测试实验
• 5.2.3 控制系统的控制特性实验
• 5.2.4 测量系统稳定性实验
• 5.3 自准直测量系统产生角漂移的影响因素分析
• 5.3.1 激光器自身的热漂移
• 5.3.2 空气折射率变化引起的漂移
• 5.3.3 大气随机扰动引起的漂移
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历