基于激光干涉的大角度高精度在線測角方法研究

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(北京空間機電研究所，北京 100094)

0 引言

掃描式遙感器利用光學反射原理，將入射光引入主光學系統來擴大觀測視場。在今后相當一段時間仍然保留著廣闊的發展空間[1-2]。為了滿足越來越多型號需求所提出的高性能要求的掃描式遙感器，遙感器掃描系統的測角精度要求不斷提高，已經達到角秒級。測角方法決定整個系統的性能是否真正達到要求，因此，高精度大角度在線測角成為驗證掃描系統精度的關鍵技術。

眾所周知，干涉技術在精密測量中已獲得了非常廣泛的應用，特別是激光技術的出現及激光技術的發展，使這項技術在精密測量中的應用突破了以往由于缺乏亮度高、單色性好的光源的局限性，大大地促進了干涉儀在測量中的應用，從而使利用光波干涉技術進行測量逐漸成為科研與生產中精密測量的主要手段之一[3]。目前常用的激光干涉測角設備為雷尼紹生產的激光干涉儀，其測角范圍最大可達±5°，測角精度可達0.03″，國內各計量單位均采用該設備作為高精度測角計量標準；其反射鏡組件結構尺寸大、重量大，無法安裝與被測設備進行在線檢測[4]。本文提出了一種基于激光干涉測長技術的高精度大角度在線測角系統，對測角設備誤差進行檢定，闡述了測角系統的組成、工作原理，并對系統測角誤差進行分析[5-6]。

1 系統結構及原理

本紅外遙感器中掃描系統擺角范圍為±5.8°，掃描鏡采用撓性樞軸支撐，采用180對極絕對圓式感應同步器作為反饋測量元件，感應同步器本身的精度優于1"。在觀測視場范圍內掃描鏡的掃描速度為勻速5°/s，通過分析計算，掃描鏡的最大擺角為±5.8°。定義從-5.8～+5.8°為一個幀時，為2.5 s。高精度掃描系統的測角精度要求優于1"，采用位置伺服控制實現高精度控制要求。

為了保證掃描系統的最終測角精度能夠達到1"，需要對掃描系統測角精度進行靜態和動態測試。靜態測試是為了保證機構的安裝精度滿足要求，根據感應同步器誤差測試原理，要求以5′為步長對感應同步器測角精度進行檢測。動態測試是為了測試掃描系統在工作狀態下動態采集角度的精度是否滿足使用要求，本紅外遙感器系統要求以172 μs時長，感應同步器及測試系統同時進行測角，檢測感應同步器測角精度。

針對高精度掃描系統的測試需求，確定采用激光干涉原理對掃描系統測角精度進行測試，其中掃描鏡通過撓性樞軸支撐與基座上，感應同步器與電機分別安裝與掃描鏡軸系兩端，測試時將干涉儀反射鏡安裝與感應同步器轉子上，反射鏡跟隨掃描鏡進行擺掃運動，反射鏡使得干涉儀發出的激光返回干涉儀并形成干涉條紋，根據干涉條紋的移動量計算出掃描鏡擺動角度，系統結構及原理如圖1所示。

圖1 系統結構及原理圖

下文闡述本次采用的激光干涉儀的誤差檢定、高精度大角度在線測試方案及測試誤差分析。

2 測角設備介紹及檢定

2.1 測角設備介紹

根據對國內外高精度激光干涉儀的調研，德國SIOS公司生產的SP-TR2000型激光干涉儀可開發使用于本次大角度高精度測角，其配置的反射鏡組件結構尺寸小、重量輕，可直接實現大角度、高精度、非接觸在線測試，可以獲得擺動角度、俯仰角度的變化情況。其測距范圍為2 000 mm，長度分辨率為20 pm(對應0.1 nm角度分辨率可達0.002角秒)，測角范圍可達±12.5°以上，配備高速采集卡后采樣頻率可達10 MHz。

SP-TR2000激光干涉儀工作原理與其他激光測試設備相同，通過測量測試鏡組件轉動時測試光束1和測試光束2變化距離差L，測試光束1和測試光束2距離為A，計算測試試鏡轉過的角度θ=asin(L/A)。而為了增大測角范圍，將測試鏡設計為中空鏡或球鏡組件，測試鏡如圖2所示。

圖2 SP-TR2000激光干涉儀測試鏡組件

2.2 測角設備檢定

由于SP-TR2000型激光干涉儀廠家出廠前只對測距精度進行檢定，沒有對其測角精度進行檢定，故在計量院對SP-TR2000型激光干涉儀測角精度進行檢定，以雷尼紹激光干涉儀+RT300 (KUNZ)轉臺作為檢測系統。其中雷尼紹激光干涉儀測角范圍為±5°，測角精度為0.03″；RT300轉臺測角范圍為360°，測角精度為0.25″。參照計量院《激光小角度測量儀檢定規程》對SP-TR2000型激光干涉儀測角精度進行檢定。SP-TR2000型激光干涉儀放置在光學支架上，反射鏡組件放置在轉臺上，要求反射鏡組件與轉臺同軸度小于φ0.3 mm，檢測系統搭建如圖3所示。

圖3 SP-TR2000型激光干涉儀檢定

2.2.1 漂移檢定

將SP-TR2000型激光干涉儀如圖2安置，調整其顯示值處于零位附近，記錄顯示值，靜止不動觀測2 h，每30 min記錄一次，取任意1 h內最大值為檢定結果。經檢定，SP-TR2000型激光干涉儀漂移誤差σ1為0.06″。

2.2.2 測角重復性檢定

將SP-TR2000型激光干涉儀如圖2安置，將轉臺轉動某一位置定位，從SP-TR2000型激光干涉儀讀數ai，然后轉臺轉動一固定角度，讀數bi，重復測量10次，采用公式(1)計算其重復性S。

di=bi-ai

(1)

經檢定，SP-TR2000型激光干涉儀測角重復性S為0.08″。

2.2.3 零起分度誤差檢定

檢定其5°時的零起分度誤差，將SP-TR2000型激光干涉儀如圖2安置，SP-TR2000型激光干涉儀示值清零，順時針轉動轉臺5°，讀取干涉儀示值c1，然后轉臺反轉至干涉儀示值為零，再將轉臺逆時針轉動5°，讀取干涉儀示值c2，c1與c2的絕對值之差應不大于0.00001°，否則應重新調整初始零位角。重新調整時比較c1與c2的絕對值，角度值小的方向為初始零位角方向。按所判定的調整方向轉動轉臺，調整干涉儀的初始零位，重新清零后重復上述測量，直至c1與c2的絕對值之差應不大于0.00001°，此時的零位作為測量分度誤差時的最近初始零位。

初始零位確定后，進行零起分度誤差測量。在此位置上將SP-TR2000激光干涉儀清零，并讀數a01，轉臺順時針轉動5°，讀數為a5.1，然后轉臺返回零位后在逆時針轉動5°，讀數為a5.2，轉臺再轉回零位，讀數為a01’，此為1組測量，若回零誤差大于0.00001°，則重測，反復測量24次。則5°零起分度誤差按公式(2)計算：

|a5.1-a01|=b5.1

|a5.2-a01|=b5.2

…

|a5.23-a012|=b5.23

|a5.24-a012|=b5.24

(2)

經檢定，SP-TR2000型激光干涉儀5°零起分度誤差Δ05為0.1″。

2.2.4 反射鏡間距檢定

SP-TR2000激光干涉儀主要是用于高精度測距，本項目開發用于高精度測角使用，故需要對反射鏡間距進行高精度標定。由干涉儀測試原理可知，其測得角度是根據兩束激光L1和L2長度差及反射鏡距離A，根據公式(3)原理計算得來，反射鏡距離A直接影響干涉儀的測角精度。

(3)

當干涉儀初始入射角調整完成后，以雷尼紹干涉儀作為基準，轉臺在±5°，記錄SP-TR2000激光干涉儀示值±θ，此時若干涉儀示值θ不是5°，則微調SIOS激光干涉儀上位機軟件中激光束距離A的值，直至其測角精度達到0.2″以內，以該距離A作為干涉儀后續高精度測角的計算值。則干涉儀反射鏡間距帶來的測角誤差σ2為0.2″。

2.2.5 SP-TR2000激光干涉儀測角誤差分析

由檢定結果可知，干涉儀測角系統誤差主要包括示值漂移、測角重復性、零起分度誤差及反射鏡間距誤差，且誤差來源互不相關，故干涉儀測角誤差為各項誤差的均方根值。

(4)

由公式(4)計算可知，SP-TR2000激光干涉儀系統測角精度σ為0.245″，可滿足本掃描系統測角精度1″的測試要求。

3 在線測試方案

3.1 在線測角系統

采用SP-TR2000激光干涉儀對掃描系統測角精度進行測試，由于掃描系統作為被測設備，無法通過掃描系統反饋角度調整SP-TR2000激光干涉儀初始入射角，故需要調整激光器角位置來調整初始入射角，作為測試零位基準。其中掃描系統轉軸豎直放置于測試平臺上，反射鏡組件安裝與掃描鏡轉軸上，通過工裝保證反射鏡組件與轉軸同軸度小于φ0.3 mm。將SP-TR2000激光器放置于高精度轉臺上，干涉儀主機及電腦放置于測試桌上，掃描裝置角度精度測試系統如圖4所示。

圖4 大角度高精度在線測角系統

調整初始入射角：1)采用自準直儀+360齒多齒分度臺作為初始入射角基準，掃描系統在物理零位(掃描鏡擺掃的中間位置)，自準直儀清零作為基準，并將此時掃描系統中感應同步器測得的角度作為掃描零位；2)調整掃描系統角度位置，將掃描系統固定在自準直儀測得的±5°處；3)采用高精度轉臺調整激光器角位置，使得SP-TR2000激光干涉儀在±5°時測得角度也為±5°(±0.001°)；4)在掃描系統物理零位處將SIOS激光干涉儀清零，以此零位作為測試系統初始零位。

3.2 在線靜態測角方案

靜態精度測試時，如圖3所示完成測試系統搭建及初始入射角調整后，根據感應同步器誤差測試原理，要求以感應同步器實測角度5′為一個步長，采用高精密渦輪蝸桿調節機構手動調節掃描機構的轉動角度，轉動角度φi，±5°內共240個測試點，記錄SP-TR2000激光干涉儀示值θi，±5°范圍所有點測試完成后，將掃描機構轉回物理零位，若此時干涉儀示值不是零，則重測，反復測量3次，掃描系統測角誤差為|θi-φi|。

根據測試結果繪制誤差曲線，可根據該誤差曲線采取曲線擬合或線性插值的方式對掃描系統測角精度進行補償，補償后再根據上述方法進行靜態測角，檢測掃描機構系統靜態測角精度是否滿足設計要求。

3.3 在線動態測角方案

要求SP-TR2000激光干涉儀和掃描系統中測角系統同步測角，以172 μs時長，測量掃描系統動態測角精度。同步測角方法：掃描系統由掃描伺服控制器進行掃描運動，由掃描系統給干涉儀發送同步采樣觸發信號，觸發信號以高電平形式輸出給干涉儀，此時掃描測角系統與干涉儀按照該觸發信號同時采樣，實現動態角度精度檢測。

4 在線測角系統誤差分析

由上述測角方案可知，在線測角系統主要誤差主要來源于：1)SP-TR2000激光干涉儀初始入射角對測角精度的影響；2)干涉儀測角精度。

4.1 初始入射角對測角精度的影響分析

在線測試系統初始入射角采用自準直儀+多齒分度臺來校準，并采用高精度轉臺來調整初始入射角。其中自準直儀校準精度為0.25″，多齒分度臺校準精度為0.3″，高精度轉臺位置精度為1″，初始入射角調節精度為3.6″，且上述誤差均不相關，則在線測試系統初始入射角總誤差θ0可達3.76″。由SIOS激光干涉儀測角原理可知初始入射角對測角精度的影響根據公式(5)計算：

(5)

其中:dθ為初始入射角造成的誤差，dh'為兩個反射鏡轉動后的光程差，L為反射鏡間距，θ0為初始入射角總誤差，則根據公式(5)可知，初始入射角帶來的測角誤差dθ為0.03″。

4.2 干涉儀測角精度

SP-TR2000干涉儀由計量院長度所進行檢定，其測角精度σ為0.245″。

4.3 在線測角系統誤差分析

由上述誤差分析可知，該測試系統中各項誤差并無關聯，故在線測角系統誤差按照各項誤差的均方根值進行計算。

由上述誤差來源及誤差結果分析可知，采用SP-TR2000激光干涉儀搭建的在線大角度高精度測角系統測角誤差為0.247″，可滿足掃描系統中1″的測角精度測試需求。

5 結論

為了實現本紅外遙感器對大角度、高精度掃描系統測角精度的在線測試，根據對國內外高精度、大角度測角設備的調研結果，本文提出了一種基于SIOSSP-TR2000激光干涉儀作為測角設備的高精度、大角度在線測角方法，對該測角設備測角精度進行了檢定。根據項目需求搭建了在線測角系統，形成在線靜態及動態測角方案，并對該在線測角系統的測角誤差進行了分析。為高精度、大角度在線測角提供了一種新方法。