高 潔, 郭賢斌, 焦曉光, 劉冠宇, 王 瑞

(1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

0 引言

六自由度測(cè)量不僅在柔性制造、自動(dòng)裝配、數(shù)控機(jī)床檢測(cè)、光纖對(duì)接耦合以及多自由度平臺(tái)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-4],而且對(duì)空間長(zhǎng)基線天線位移和姿態(tài)的多自由度、高精度測(cè)量有重要意義。長(zhǎng)基線天線在軌展開(kāi)的過(guò)程中,會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題:一是展臂呈現(xiàn)大撓性結(jié)構(gòu)特征,二是各種擾動(dòng)會(huì)引起伸展臂末端運(yùn)動(dòng)。上述問(wèn)題將導(dǎo)致天線的位置和指向發(fā)生變化,進(jìn)而影響雷達(dá)成像的相干性或直接引入干涉相位誤差。因此,空間長(zhǎng)基線天線高精度六自由度在軌測(cè)量成為亟待解決的問(wèn)題。當(dāng)前主流的多自由度測(cè)量系統(tǒng)包括三坐標(biāo)測(cè)量、雙目視覺(jué)六自由度測(cè)量、基于全反射原理的五自由度測(cè)量、多光束六自由度測(cè)量、基于全息透鏡的六自由度測(cè)量等系統(tǒng)[5-8]。這些測(cè)量系統(tǒng),雖然已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的多自由度測(cè)量,但普遍存在系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜、價(jià)格非常昂貴、測(cè)量精度不高等問(wèn)題。為此,有必要研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作方便、測(cè)量精度和可靠性高的六自由度測(cè)量系統(tǒng)。

針對(duì)空間長(zhǎng)基線天線多自由度、高精度測(cè)量需求,本文提出了一種基于激光干涉測(cè)長(zhǎng)、自準(zhǔn)直測(cè)角和細(xì)光束測(cè)位移的激光基線測(cè)量系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)完成六自由度測(cè)量實(shí)驗(yàn),并將測(cè)試結(jié)果與P I公司的高精度六足控制臺(tái)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試性能。

1 六自由度測(cè)量原理

1.1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同時(shí)用于基線相對(duì)長(zhǎng)度、偏轉(zhuǎn)角、位移和俯仰角測(cè)量的六自由度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 六自由度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由測(cè)量設(shè)備端和合作目標(biāo)體兩部分組成。合作目標(biāo)體安裝在待測(cè)物體上,隨待測(cè)物體移動(dòng)。測(cè)量設(shè)備端由上偏移測(cè)量光學(xué)組件、下偏移測(cè)量光學(xué)組件、單頻測(cè)長(zhǎng)光學(xué)組件和自準(zhǔn)直測(cè)角光學(xué)組件組成。合作目標(biāo)體由上偏移角反射器、下偏移角反射器、單頻角反射器和平面反射鏡組成。在圖1顯示的o x y z坐標(biāo)系中,中心測(cè)點(diǎn)C位于單頻角反射器光學(xué)面幾何中心位置。上偏移角反射器和下偏移角反射器用于中心測(cè)點(diǎn)C在x和z方向位移量Δx和Δz的測(cè)量,兩者聯(lián)合可獲得俯仰角θy的測(cè)量參數(shù),θy為oxz平面上沿y軸的轉(zhuǎn)角。單頻角反射器用于中心測(cè)點(diǎn)C相對(duì)長(zhǎng)度Δ y的測(cè)量。平面反射鏡用于中心測(cè)點(diǎn)C偏轉(zhuǎn)角θx和θz的測(cè)量,θx為oyz平面上沿x軸的轉(zhuǎn)角,θz為oxy平面上沿z軸的轉(zhuǎn)角。

1.2 基線相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量

基線相對(duì)長(zhǎng)度Δ y利采用單頻激光干涉原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量,系統(tǒng)組成包括測(cè)量設(shè)備端和合作目標(biāo)體兩部分,如圖2所示。

圖2 單頻激光干涉測(cè)長(zhǎng)原理

測(cè)試設(shè)備端的激光器LASER發(fā)出的光經(jīng)1/2波片HWP1入射到偏振分光棱鏡PBS1上,反射光經(jīng)1/4波片QWP1入射到動(dòng)角反射器M2上,透射光經(jīng)1/4波片QWP2入射到角反射器M1上。由合作目標(biāo)體端的動(dòng)角反射器M2返回的光經(jīng)偏振分光棱鏡PBS1和1/4波片QWP3入射到分光棱鏡BS2上。由分光棱鏡BS2分光后的兩束光分別經(jīng)過(guò)偏振片P1和P2入射到探測(cè)器D1和D2上。

動(dòng)角反射器M2為單頻角反射器,當(dāng)M2隨合作目標(biāo)體沿y軸方向移動(dòng)λ/2時(shí)(λ為激光器的工作波長(zhǎng)),探測(cè)器D1和探測(cè)器D2接收的光程差就改變了一個(gè)波長(zhǎng)。于是干涉條紋就產(chǎn)生一個(gè)周期的明暗變化,這個(gè)變化的條紋信號(hào)通過(guò)兩個(gè)光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化成交變的電信號(hào)。應(yīng)用移相方法將干涉條紋分為兩組,彼此相位偏移π/2,分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后,輸出兩組彼此位移偏移π/2的光電信號(hào)。這兩組光電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)放大、整形、倒相,變成4個(gè)相位依次差π/2的矩形脈沖,再經(jīng)波形變換電路變換成尖脈沖。通過(guò)判向電路把一個(gè)周期的干涉條紋變成4個(gè)脈沖輸出信號(hào)。因此在測(cè)長(zhǎng)時(shí),當(dāng)條紋變化一條時(shí),可逆計(jì)數(shù)器顯示4個(gè)脈沖數(shù)。這等于把條紋細(xì)分成4份,即4倍頻計(jì)數(shù),每一脈沖代表λ/8的移動(dòng)量。則所測(cè)長(zhǎng)度

式中:N為動(dòng)角反射器M2移動(dòng)時(shí)干涉條紋變化的周期數(shù)。至此實(shí)現(xiàn)了以光的波長(zhǎng)為標(biāo)尺對(duì)物體距離進(jìn)行檢測(cè)的目的。由式(1)可知,測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的測(cè)量精度為λ/8。本系統(tǒng)中采用λ=1.55μm的窄線寬激光器作為激光光源,測(cè)長(zhǎng)精度約為0.2μm。

1.3 天線橫滾角和天線偏航角測(cè)量

天線橫滾角θx和天線偏航角θz采用自準(zhǔn)直測(cè)角原理進(jìn)行測(cè)量。自準(zhǔn)直測(cè)角系統(tǒng)由光學(xué)組件及合作目標(biāo)組成,其中光學(xué)組件包括光源、分光棱鏡、長(zhǎng)焦物鏡和電荷耦合器件(CCD),其合作目標(biāo)為平面鏡,如圖3所示。

圖3 自準(zhǔn)直測(cè)角系統(tǒng)

自準(zhǔn)直測(cè)角的過(guò)程為經(jīng)過(guò)勻化的光束通過(guò)十字分劃板及分光棱鏡進(jìn)入長(zhǎng)焦物鏡,形成準(zhǔn)直光束照射到平面鏡上,反射光線通過(guò)準(zhǔn)直物鏡匯聚到CCD像面上。十字分劃板和CCD像面共軛。當(dāng)平面鏡與準(zhǔn)直光束垂直時(shí),CCD像面上的十字劃線處于像面中心,當(dāng)平面鏡與準(zhǔn)直光束存在夾角時(shí),CCD像面上的十字劃線將在像面中移動(dòng),移動(dòng)量與夾角一一對(duì)應(yīng)。

自準(zhǔn)直測(cè)角原理如圖4所示。f′為物鏡焦距,在物鏡焦點(diǎn)處發(fā)光點(diǎn)O所發(fā)出的光線經(jīng)物鏡成為一束平行光出射,再經(jīng)反射鏡反射。如果反射鏡垂直于儀器的光軸,光束將沿原路線返回,在同一位置處形成自準(zhǔn)直像O′,即發(fā)光點(diǎn)O的自準(zhǔn)直像O′與O重合,如圖4(a)所示。當(dāng)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度δ時(shí),反射光將偏轉(zhuǎn)角度2δ,自準(zhǔn)直像在O′處,相對(duì)于O產(chǎn)生位移t,如圖4(b)。

圖4 自準(zhǔn)直測(cè)角原理

從光線與O和O′所形成的直角三角形可以看出

即

沿x軸旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度δ即為天線橫滾角θx,沿z軸旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度δ即為天線偏航角θz。系統(tǒng)中CCD的測(cè)量精度可達(dá)到10μm,若光學(xué)系統(tǒng)的焦距為300mm,則系統(tǒng)的測(cè)角精度約為3.4″。

1.4 基線傾角、偏航角和天線俯仰角測(cè)量

基線傾角θ1、偏航角θ2和天線俯仰角θy的測(cè)量采用細(xì)光束測(cè)位移的方法,如圖5所示。

圖5 細(xì)光束測(cè)位移及俯仰角原理

圖5中,光束經(jīng)分束器后分成兩束光,光束1經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡1準(zhǔn)直后,作為測(cè)量光束入射到角錐棱鏡1上。角錐棱鏡1安裝在待測(cè)目標(biāo)上,隨待測(cè)目標(biāo)一起移動(dòng),經(jīng)角錐棱鏡1反射的光束入射到探測(cè)器CCD1上。同樣地,光束2經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后,作為測(cè)量光束入射到角錐棱鏡2上,經(jīng)角錐棱鏡2反射的光束入射到探測(cè)器CCD2上。當(dāng)待測(cè)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí),照射到角錐棱鏡上的光束就會(huì)發(fā)生相對(duì)位移,由探測(cè)器測(cè)量其位置變化。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,激光器和探測(cè)器固定不動(dòng),角錐棱鏡隨被測(cè)物體運(yùn)動(dòng),因此只有經(jīng)過(guò)角錐棱鏡反射到探測(cè)器上的光束會(huì)發(fā)生位移變化。相應(yīng)的探測(cè)器可以檢測(cè)到光斑沿z向和x向的位移Δz和Δx

式中:d是像元尺寸;m1,m2分別是CCD1和CCD2上光斑的x向位移;n1,n2分別是CCD1和CCD2上光斑的z向位移。

通過(guò)測(cè)量雙光束光斑的偏移及雙角錐棱鏡之間的距離,即可計(jì)算得出俯仰角

式中:D是兩個(gè)角錐棱鏡之間的中心距。

由Δz和Δx結(jié)合目標(biāo)端和測(cè)量設(shè)備端的距離L,就可計(jì)算得到基線傾角θ1和偏航角θ2,即

測(cè)角系統(tǒng)中探測(cè)器CCD1和CCD2的測(cè)量精度可達(dá)10μm,位移測(cè)量精度可達(dá)5μm,角錐棱鏡之間的距離為300mm,天線俯仰角測(cè)量精度約為3.4″。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)上述測(cè)量原理,搭建六自由度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,如圖6所示。

圖6 六自由度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

將測(cè)量設(shè)備端通過(guò)轉(zhuǎn)接支架固定在光學(xué)平臺(tái)上,將合作目標(biāo)體安裝在高精度六足臺(tái)上。六足臺(tái)是具有高精度六自由度的可調(diào)節(jié)設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級(jí)的位移和微弧級(jí)的角度轉(zhuǎn)動(dòng),并且允許設(shè)定回轉(zhuǎn)中心。系統(tǒng)測(cè)試時(shí),首先利用自準(zhǔn)直儀通過(guò)基準(zhǔn)鏡將測(cè)量設(shè)備端與合作目標(biāo)端的零位對(duì)齊,將合作目標(biāo)到測(cè)量設(shè)備的距離誤差標(biāo)定到±0.5mm,調(diào)整合作目標(biāo)位置使光軸指向偏差在2″以內(nèi);然后通過(guò)調(diào)整六足臺(tái)的位移及旋轉(zhuǎn)角度控制合作目標(biāo)的姿態(tài),記錄六足臺(tái)的調(diào)整量和六自由度測(cè)量設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)得出測(cè)量結(jié)果;最后對(duì)比測(cè)量結(jié)果和六足臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中,分別對(duì)基線相對(duì)長(zhǎng)度Δy、天線橫滾角θx、天線偏航角θz、基線傾角θ1、基線偏航角θ2和天線俯仰角θy進(jìn)行了測(cè)量。

(1)基線相對(duì)長(zhǎng)度

沿y軸向以微米級(jí)精度調(diào)整高精度六足臺(tái)位置,即改變合作目標(biāo)體的位置,采用單頻激光干涉原理測(cè)量基線相對(duì)長(zhǎng)度Δy?；€相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果如表1所示,每組數(shù)據(jù)為測(cè)量500次平均測(cè)量結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,5組基線相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量數(shù)據(jù)與真值的最大誤差為2.7μm。

表1 基線相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果

(2)天線橫滾角

繞x軸以微弧級(jí)精度調(diào)整高精度六足臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,利用自準(zhǔn)直測(cè)角原理測(cè)量天線橫滾角θx,測(cè)量結(jié)果如表5所示。每組數(shù)據(jù)為測(cè)量500次的平均測(cè)量結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,5組測(cè)量數(shù)據(jù)與真值最大誤差為4.16″。

表2 天線橫滾角測(cè)量結(jié)果

(3)天線偏航角

繞z軸以微弧級(jí)精度調(diào)整高精度六足臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,利用自準(zhǔn)直測(cè)角原理測(cè)量天線偏航角θz,測(cè)量結(jié)果如表3所示。每組數(shù)據(jù)為測(cè)量500次的平均測(cè)量結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,5組測(cè)量數(shù)據(jù)與真值的最大誤差為1.8″。

表3 天線偏航角測(cè)量結(jié)果

(4)基線傾角

沿z軸向以微米級(jí)精度調(diào)整高精度六足臺(tái)位置,采用細(xì)光束測(cè)位移方法測(cè)量合作目標(biāo)體基線傾角θ1,測(cè)量結(jié)果如表4所示。每組數(shù)據(jù)為測(cè)量500次的平均測(cè)量結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,5組測(cè)量數(shù)據(jù)與位移/角度真值的最大誤差為4.1μm/0.0846″。

表4 基線傾角測(cè)量結(jié)果

(5)基線偏航角

沿x軸向以微米級(jí)精度調(diào)整高精度六足臺(tái)位置,采用細(xì)光束測(cè)位移方法測(cè)量基線偏航角θ2,測(cè)量結(jié)果如表5所示。每組數(shù)據(jù)為測(cè)量500次的平均測(cè)量結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,5組測(cè)量數(shù)據(jù)與位移/角度真值的最大誤差為-3.1μm/-0.0639″。

表5 基線偏航角測(cè)量結(jié)果

(6)天線俯仰角

繞y軸以微弧級(jí)精度調(diào)整高精度六足臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,采用細(xì)光束測(cè)位移的方法測(cè)量天線俯仰角θy,測(cè)量結(jié)果如表6所示。每組數(shù)據(jù)為測(cè)量500次的平均測(cè)量結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,5組測(cè)量數(shù)據(jù)與真值的最大誤差為-4.42″。

表6 天線俯仰角測(cè)量結(jié)果

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,采用本文所提測(cè)試方法,利用高精度六足臺(tái)控制合作目標(biāo)的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)角度模擬長(zhǎng)基線天線在軌姿態(tài)變化,可以滿足長(zhǎng)基線天線六自由度的測(cè)量需求。測(cè)試距離為10m時(shí),長(zhǎng)度測(cè)量精度優(yōu)于5μm,基線傾角測(cè)量精度優(yōu)于0.1″,天線姿態(tài)角測(cè)量精度優(yōu)于5″。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于激光干涉測(cè)長(zhǎng)、自準(zhǔn)直測(cè)角、細(xì)光束測(cè)位移的六自由度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與P I公司高精度六足臺(tái)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,證明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量精度優(yōu)于5μm,基線傾角測(cè)量精度優(yōu)于0.1″,天線姿態(tài)角測(cè)量精度優(yōu)于5″的高精度測(cè)量。該系統(tǒng)具備操作性強(qiáng)、精度高和可靠性高的特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于空間機(jī)構(gòu)展開(kāi)、光學(xué)薄膜展開(kāi)以及大口徑天線高精度、多自由度測(cè)量等場(chǎng)合。