激光準直光束漂移快速反饋補償技術(shù)研究.pdf

1、隨著精密加工在線監(jiān)測和光通信光學(xué)跟蹤瞄準等技術(shù)的迅猛發(fā)展,超精密激光準直測量技術(shù)應(yīng)用越來越多,尤其是在精密工程方面,高穩(wěn)定性的激光光束參考基準是實現(xiàn)精密激光測量和精密加工的保證,這對現(xiàn)有激光準直技術(shù)有更多期待的同時也對其提出了更高、更嚴格的性能要求;但另一方面,由于激光存在低頻光束漂移和中高頻光斑抖動引起的紋波誤差,對精密激光測量的影響十分嚴重,也成為限制超精密激光準直測量技術(shù)進一步發(fā)展的主要障礙。
　　課題“激光準直光束漂移快速

2、反饋補償技術(shù)研究”的目的是探討一種基于光束漂移的均值濾波提取算法和實時反饋補償技術(shù)來改善激光準直測量穩(wěn)定性的方法,解決目前由于存在光束漂移等動態(tài)誤差顯著影響激光準直測量穩(wěn)定性的問題。本課題的技術(shù)難點在于:上述光學(xué)動態(tài)誤差是伴隨著測量光束不可避免的現(xiàn)象,而引起上述動態(tài)誤差的諸多因素大都具有隨機性和不確定性,難以用數(shù)學(xué)建模和軟件補償方法對其進行校正;為了進一步提高激光準直光束的測量穩(wěn)定性,通過反饋控制方式對上述光束漂移進行實時補償,這要求系

3、統(tǒng)對光束漂移具有良好的檢測精度和快速穩(wěn)定的反饋補償能力。
　　本文提出基于光束漂移均值濾波提取算法和反饋補償技術(shù)以改善激光準直測量穩(wěn)定性水平的方法。對激光準直測量系統(tǒng)中光學(xué)漂移誤差的產(chǎn)生機理、QPD檢測光束偏移原理、光束漂移形式、光束漂移分離檢測及其控制方法等相關(guān)問題進行了探討,構(gòu)建了準直光束漂移檢測、提取和閉環(huán)反饋補償?shù)膶嶒炏到y(tǒng),用滑動均值濾波方法去除測量信號中的高頻噪聲,以有效地提取其中的光束漂移信號,用快速壓電偏轉(zhuǎn)鏡對光束漂

4、移進行實時反饋補償?shù)姆椒?以期達到抑制光束動態(tài)誤差進而提高激光準直測量的穩(wěn)定性水平的目的。
　　課題還分析并研制了小慣量二維柔性快速偏轉(zhuǎn)鏡機構(gòu),通過對影響其工作頻率的因素進行深入分析,表明材料屬性、結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)、負載情況、作用臂長和預(yù)緊力等因素均會對柔性偏轉(zhuǎn)鏡機構(gòu)的工作頻率特性產(chǎn)生顯著影響。結(jié)合有限元分析和結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改技術(shù)來優(yōu)化和改善該偏轉(zhuǎn)鏡機構(gòu)的工作頻率參量,實測其前兩階固有頻率分別為1035Hz和1050Hz,有限元仿真其疲

5、勞壽命達到1.4×108周次,設(shè)計了二級縮小式柔性偏轉(zhuǎn)鏡機構(gòu)以改善其工作性能,有限元仿真其固有頻率達到5190Hz。
　　同時建立了基于機電耦合模型的壓電偏轉(zhuǎn)鏡的快速控制策略,通過對該壓電偏轉(zhuǎn)鏡機構(gòu)的機電耦合模型進行了深入分析,推導(dǎo)出該系統(tǒng)的控制方程,采用“增量式PID+前饋控制+滑動均值濾波”的快速復(fù)合控制策略可以提高該機構(gòu)的動態(tài)跟蹤能力且能保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定,并對其控制特性進行了仿真分析,表明該壓電偏轉(zhuǎn)鏡機構(gòu)對類似前述的光束漂移

6、等動態(tài)誤差信號具有良好的跟蹤能力。
　　搭建了激光準直光束漂移檢測、提取和反饋補償控制的實驗系統(tǒng),并對其中各個主要環(huán)節(jié)分別進行實驗驗證,包括:PZT性能測試、壓電驅(qū)動電源性能測試、壓電偏轉(zhuǎn)鏡性能測試、QPD光電檢測電路性能測試、光束動態(tài)誤差測試等實驗,在此基礎(chǔ)上對激光準直中的光束漂移進行精密檢測和閉環(huán)反饋補償。實驗結(jié)果表明:在恒溫恒濕隔振的精密實驗室環(huán)境下,使用JDSU的He-Ne激光器作為激光準直測量光束,在140s內(nèi)1m準直距