激光自準(zhǔn)直微小角度測(cè)量基礎(chǔ)技術(shù)研究.pdf

1、光電自準(zhǔn)直微小角度測(cè)量技術(shù)具有非接觸、測(cè)量結(jié)果與測(cè)量距離無(wú)關(guān)、精度高、方便可靠等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)械、航空航天以及軍事等諸多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用,尤其在軍事瞄準(zhǔn)與定位中具有重要意義。論文針對(duì)瞄準(zhǔn)與定位應(yīng)用要求,對(duì)激光自準(zhǔn)直微小角度測(cè)量的基礎(chǔ)技術(shù)展開研究。
　　 首先針對(duì)光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)現(xiàn)有簡(jiǎn)化模型的局限,提出了一種基于矢量運(yùn)算的建模方法,建立了激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)該模型進(jìn)行了討論,提出了理想自準(zhǔn)直系統(tǒng)概念,得出了自準(zhǔn)直二維測(cè)角的像

2、軌跡原理、增維測(cè)角技術(shù)和有限尺寸條件下的測(cè)量范圍表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值仿真,分析了回像軌跡與平面鏡轉(zhuǎn)角的關(guān)系、回像軌跡非線性以及回像畸變,得到了簡(jiǎn)化模型的非線性誤差和有限尺寸條件下的回像照度分布。數(shù)學(xué)模型的建立,為激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)研制提供了理論指導(dǎo)。
　　 以理想自準(zhǔn)直系統(tǒng)為目標(biāo),構(gòu)建了基于LD-PSD的激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)速度、光強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性綜合要求,對(duì)不同類型的光源和光電傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。結(jié)合高斯光束變換理論,設(shè)計(jì)了系

3、統(tǒng)的光路方案,該方案符合理想自準(zhǔn)直系統(tǒng)要求,又不同于已有的自準(zhǔn)直光路形式,避免了高精度分劃板的加工困難。確定了系統(tǒng)的主要參數(shù),并對(duì)相關(guān)參量進(jìn)行了計(jì)算。
　　 通過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn),研究了與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的LD和PSD各項(xiàng)特性以及系統(tǒng)的光強(qiáng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和穩(wěn)定性。提出了基于PSD輸出和電壓校正相對(duì)位移靈敏度系數(shù)的方法,減小反射光強(qiáng)變化對(duì)LD-PSD激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響。分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素,并進(jìn)行了穩(wěn)

4、定性綜合實(shí)驗(yàn)。
　　 對(duì)比研究了同步采樣法和互相關(guān)法,結(jié)合互相法對(duì)同步采樣法進(jìn)行了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。三種信號(hào)處理方法中,互相關(guān)法的角度噪聲和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性均為最優(yōu)。激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)的互相關(guān)信號(hào)處理方法,既適應(yīng)了弱反射條件,又減小了各種干擾因素的影響,提高了儀器對(duì)光強(qiáng)變化的適應(yīng)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。快速找準(zhǔn)是光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)重要問(wèn)題。針對(duì)瞄準(zhǔn)與定位應(yīng)用,提出了基于傾角傳感的快速找準(zhǔn)方法。采用MEMS二維傾角傳感器設(shè)計(jì)了快速找準(zhǔn)系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)

5、行了傾角標(biāo)定,采用自校準(zhǔn)原理標(biāo)定了快速找準(zhǔn)系統(tǒng)的絕對(duì)零點(diǎn)。
　　 最后制作了激光自準(zhǔn)直微小角度測(cè)量樣機(jī),對(duì)其進(jìn)行了線性、光強(qiáng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性、穩(wěn)定性、快速找準(zhǔn)及其他特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,樣機(jī)兩軸最大測(cè)量范圍為±700",分辨力為0.1",在±150"范圍內(nèi),最大非線性誤差為0.8",示值漂移為0.4"/4h,平均找準(zhǔn)時(shí)間小于3分鐘。
　　 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作包括:(1)提出了一種基于矢量運(yùn)算的建模方法,建立了激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)