激光準(zhǔn)直高精度直線度測(cè)量中激光漂移的補(bǔ)償方法

激光準(zhǔn)直高精度直線度測(cè)量中激光漂移的補(bǔ)償方法

1激光準(zhǔn)直的檢測(cè)方法準(zhǔn)直技術(shù)是基于直線度、同源度、平行度和垂直度等幾何測(cè)量參數(shù)和形狀的誤差的基礎(chǔ)。在激光準(zhǔn)直技術(shù)中,激光漂移是產(chǎn)生誤差,限制激光準(zhǔn)直精度的主要原因。按產(chǎn)生激光漂移的因素來(lái)分,存在三種不同的漂移:一種是由于激光器本身原因造成的激光光線漂移,分為平行漂移和角度漂移,簡(jiǎn)稱“光漂”:由于激光器放電管內(nèi)及其表面存在著不穩(wěn)定的溫度梯度分布,使諧振腔發(fā)生變形,造成激光光線漂移,以及由于固定激光發(fā)射器的調(diào)整機(jī)構(gòu)存在機(jī)械位移;第二種是由于空氣折射率不均勻造成的激光光線彎曲;第三種是由于空氣擾動(dòng)造成的激光光線隨機(jī)漂移:在工作大氣中的氣流擾動(dòng)造成光束隨機(jī)抖動(dòng),從而使光束穩(wěn)定性下降。提高激光準(zhǔn)直的精度主要從以上三個(gè)方面入手。目前,出現(xiàn)了很多實(shí)用的方法和技術(shù)來(lái)減少激光器本身造成的光線漂移和機(jī)械連接部分造成的漂移,但是由空氣折射率不均及空氣的隨機(jī)擾動(dòng)造成的激光光線漂移一直未能很好的解決。2合理設(shè)計(jì)諧振腔和激光管系統(tǒng)抑制光漂可以從兩方面入手。一是從激光器本身著手,如合理設(shè)計(jì)諧振腔,或使激光管通風(fēng)散熱,減少激光管內(nèi)的溫度梯度;二是采用適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直方法,減少光漂的影響,具體做法可分兩大類:2.1光場(chǎng)分布監(jiān)測(cè)方法是確定光束幾何位置2.1.1激光束光漂的抑制機(jī)理其基本思想是:采用特別設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng),將激光器發(fā)出的光束分成兩束光,且當(dāng)激光束發(fā)生光漂時(shí),這兩束光朝相反的方向變化,其能量中心即兩路光的對(duì)稱中心線不變,用具有雙光電座標(biāo)的檢測(cè)靶檢測(cè)出這條中心線的相對(duì)位置,以此作為基準(zhǔn)線,從而起到抑制光漂的作用。這種方法只能抑制光漂,不能解決大氣擾動(dòng)問(wèn)題。2.1.2單模光纖激光器激光束經(jīng)顯微鏡聚焦,將光點(diǎn)耦合進(jìn)入單模光纖,光纖出射端位于準(zhǔn)直物鏡的焦點(diǎn)上,使出射光為準(zhǔn)直光束,即采用一根光纖建立新的光發(fā)射基準(zhǔn)。理論計(jì)算表明,光束經(jīng)單模光纖后,其模式重新分布,激光束的平漂、角漂只會(huì)影響耦合效率,不會(huì)影響出射光強(qiáng)分布。從理論上講,此方法可以完全消除光漂,而且,如果能保證單模傳輸,通過(guò)光纖后的光束質(zhì)量也有提高。由于光纖的柔性及隔離作用,不用將激光器安裝到被測(cè)件上去,這使得系統(tǒng)在被測(cè)件上的安裝調(diào)試較為簡(jiǎn)便,并且,此方法成本相當(dāng)?shù)汀Ｓ捎跈C(jī)械裝置的漂移,長(zhǎng)時(shí)間后光束會(huì)偏離光纖,需重新耦合,故現(xiàn)在通常都直接采用帶尾纖的激光器。但不能解決光線彎曲和大氣擾動(dòng)的問(wèn)題。2.1.3測(cè)定加光漂相關(guān)性法采用兩個(gè)或多個(gè)光靶來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量激光的漂移量,然后據(jù)此對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。但是這種方法是以兩測(cè)試量點(diǎn)的光漂相關(guān)性降低。在測(cè)量中還會(huì)引入基準(zhǔn)復(fù)位誤差,該方法以真實(shí)大氣中光線直線傳播為依據(jù),主要的目的是抑制光漂,沒(méi)有考慮光線彎曲和大氣抖動(dòng)的影響,隨著測(cè)量距離的增加,將引入較大的光漂修正誤差。2.1.4消除光照漂漂靠監(jiān)測(cè)激光束前后兩處光束漂移,反饋控制出射光束的方向、位置,使前后兩處光束回到起始位置,從而起到抑制光漂的作用。該方法仍然以真實(shí)大氣中光線直線傳播假設(shè)為依據(jù),忽視了光線彎曲和隨機(jī)抖動(dòng)的影響。由于該系統(tǒng)不具備區(qū)分光漂和抖動(dòng)的能力,隨測(cè)量距離的增加,會(huì)誤將抖動(dòng)認(rèn)為作光漂,導(dǎo)致測(cè)程中部光束隨機(jī)抖動(dòng)加劇。2.1.5基于光場(chǎng)分布監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)直法這種方法是利用了光的干涉、衍射對(duì)平漂不敏感這一特性來(lái)抑制光漂的。如用楊氏雙縫干涉在空間形成的零級(jí)亮紋中心作準(zhǔn)直基線進(jìn)行測(cè)量;又如相位板法,也稱非對(duì)稱法,最早由美國(guó)學(xué)者H.D.Betz提出,可實(shí)現(xiàn)一維或二維準(zhǔn)直,其測(cè)量原理是:相位板使部分光相位相差π,經(jīng)相位板后圖形中間為一暗線,可用于對(duì)準(zhǔn)。清華大學(xué)按此原理研制的準(zhǔn)直儀精度為10-6。由于這種方法使用了干涉、衍射圖形,因而受環(huán)境影響較大,準(zhǔn)直距離不能很長(zhǎng),更適合實(shí)驗(yàn)室使用。這類基于光場(chǎng)分布監(jiān)測(cè)的方法在克服激光漂移及光強(qiáng)不對(duì)稱分布的影響方面起到了較好的效果。然而對(duì)大氣擾動(dòng)的影響仍無(wú)法解決。2.2基于相位觀測(cè)方法，即傳感器反映了相位變化2.2.1雙束光反射鏡拍攝如圖1所示,傳感器為渥拉斯頓棱鏡,因不直度使渥拉斯頓棱鏡偏離了光軸,頻率為f1,f2的兩束光由此產(chǎn)生多普勒頻差,改變了回光信號(hào)的拍頻,準(zhǔn)直基線是雙面反射鏡的角平分面,此方案受大氣擾動(dòng)影響略小,但為一維測(cè)量,設(shè)備貴,其精度受雙面反射鏡平面度影響較大。2.2.2激光干涉法天津大學(xué)精儀系研制的準(zhǔn)直儀利用了楔形分光板的傾斜引起的光程差變化,即條紋移動(dòng),來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)直測(cè)量。測(cè)量原理如圖2所示。2.2.3激光出現(xiàn)光漂的方法英國(guó)的R.J.King利用旋光現(xiàn)象進(jìn)行激光準(zhǔn)直。與被測(cè)件相連的兩石英光楔構(gòu)成的平板,兩光楔分別為左,右旋。在沿垂直方向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生光矢量的旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)量與移動(dòng)量成正比,由于以檢測(cè)偏振角代替檢測(cè)線位移,可獲得很高的靈敏度。若激光束有漂移,則兩次通過(guò)光楔的光旋角相等,旋向相反,起到了抑制光漂的作用。前兩種方法在克服激光漂移的影響方面有較好的效果;當(dāng)兩束光靠得很近時(shí),對(duì)大氣擾動(dòng)的影響也能有所減輕。而旋光法測(cè)量靈敏度高;其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的測(cè)量元件可在光路中移進(jìn)移出,這個(gè)特點(diǎn)可使它應(yīng)用于同軸度測(cè)量。2.2.4空氣擾動(dòng)和噪聲一種在克服大氣擾動(dòng)方面成效顯著的方案是采用自適應(yīng)準(zhǔn)直技術(shù),這是將自適應(yīng)消噪的理論與方法用于激光準(zhǔn)直測(cè)量。采用足夠靠近的相鄰光束,其中一束用于測(cè)量,另一束則專用于采集噪聲。由于兩束光靠得很近,大氣擾動(dòng)引起的隨即噪聲在二路信號(hào)中是相關(guān)的。通過(guò)有序地采集數(shù)據(jù)并按一定的算法,可能在相當(dāng)程度上去除噪聲,提高準(zhǔn)直基線的穩(wěn)定性。自適應(yīng)準(zhǔn)直技術(shù)綜合考慮了光束漂移、光線彎曲和隨機(jī)抖動(dòng)三種誤差相互作用的影響,使三種誤差因素同時(shí)得到修正。如將其與雙頻激光準(zhǔn)直法、旋光法等結(jié)合起來(lái),可使得準(zhǔn)直精度、可靠性、穩(wěn)定性均得到改進(jìn)。2.2.5空氣擾動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于自適應(yīng)準(zhǔn)直技術(shù),該方法中測(cè)量光與補(bǔ)償光是完全共路的。測(cè)量原理如圖3所示,在測(cè)量過(guò)程中,角錐棱鏡隨著被測(cè)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),當(dāng)存在空氣擾動(dòng)時(shí),從角錐棱鏡反射回來(lái)的光就會(huì)帶有角度漂移信息,從而引起探測(cè)器PSD上的電信號(hào)發(fā)生變化。根據(jù)PSD探測(cè)到的角度漂移,再結(jié)合測(cè)量距離大小,可以對(duì)四象限探測(cè)中由于空氣擾動(dòng)帶來(lái)的附加位置誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。此系統(tǒng)能用于長(zhǎng)距離直線度測(cè)量,并能實(shí)時(shí)補(bǔ)償空氣擾動(dòng)所帶來(lái)的附加位置誤差。但此系統(tǒng)采用的方案只能補(bǔ)償空氣擾動(dòng)所帶來(lái)的角度漂移。此系統(tǒng)還可補(bǔ)償激光器本身帶來(lái)的角漂,從而提高直線度測(cè)量的精度。3溫度梯度的影響大氣折射率梯度導(dǎo)致激光束發(fā)生彎曲。大氣折射率梯度主要是由溫度梯度決定的,氣壓梯度及水蒸氣梯度的影響遠(yuǎn)小于前者。又由于水平方向的折射率梯度一般比垂直方向小得多,因此可以僅考慮垂直方向上溫度梯度的影響。如圖4所示,通常用圓弧來(lái)近似光線的實(shí)際軌道,溫度梯度所引起的光束彎曲的曲率半徑均為式中,L為傳播路徑。在準(zhǔn)直測(cè)量中總是以光線兩端作為基準(zhǔn)的(AB連線),根據(jù)幾何關(guān)系,可以方便地求出光線的實(shí)際彎曲量ω:3.1單參數(shù)測(cè)量法該方法通過(guò)對(duì)溫度、壓力梯度等參數(shù)的測(cè)量來(lái)計(jì)算折射率梯度,方法簡(jiǎn)單,精度主要受溫度、壓力傳感器精度及響應(yīng)速度的影響。3.2折射梯度測(cè)量根據(jù)不同波長(zhǎng)的光在傳播過(guò)程中彎曲不同,由激光器發(fā)出兩種不同波長(zhǎng)的光,測(cè)量同時(shí)由同一點(diǎn)發(fā)出的兩個(gè)波長(zhǎng)的光在傳播一段距離后彼此分開(kāi)的量可求出折射率梯度。這種方法適用于修正幾公里以上的長(zhǎng)距離測(cè)量。3.3分散法的反演可通過(guò)測(cè)量強(qiáng)大激光反向散射而發(fā)生的頻率移動(dòng)來(lái)求光線彎曲。即由測(cè)量空氣介質(zhì)調(diào)幅載波頻率的偏差求得。3.4波面變形測(cè)量法空氣折射率梯度導(dǎo)致平面電磁波波面變形,通過(guò)測(cè)量波面不同點(diǎn)處的相位差,可求出光線彎曲。將波面變形轉(zhuǎn)換成相位測(cè)量,具有較高的靈敏度。4光束直徑的測(cè)量大氣湍流反映到對(duì)光傳播的影響上,可分為光強(qiáng)閃爍、相位起伏、到達(dá)角起伏、波面畸變、光束漂移和擴(kuò)展等?，F(xiàn)有多種描述湍流本身及其對(duì)光傳播影響的理論方法和模型,但這些方法都是以一系列有關(guān)大氣環(huán)境的數(shù)學(xué)假設(shè)為基礎(chǔ)的,往往只能針對(duì)一些特殊場(chǎng)合提出一些定性的描述。T.Chiba利用函數(shù)方程,并考慮kolmogorov湍流模型,得出了比較嚴(yán)格的表達(dá)式:式中,S為光斑抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差,W0為光束半徑,L為傳播距離,Cn2為光傳播問(wèn)題中十分重要的折射率結(jié)構(gòu)參數(shù),Cn可由下式表示(設(shè)λ=0.6328μm):式中,P為氣壓(毫巴),T為溫度(K),<>表示集平均,(T1-T2)表示工作路徑上相距γ的兩點(diǎn)的溫差。Cn區(qū)域的劃分如下:強(qiáng)湍流Cn>0.5·10-6;弱湍流Cn<0.8·10-8;中等湍流Cn在二者之間。一般工作大氣均為中等湍流或弱湍流。根據(jù)(6)式推算,如果W0=5mm,L=1m,S約為0.03μm~1.8μm。從前面的分析可以看出,在準(zhǔn)直測(cè)量中,光束太細(xì)會(huì)使光束抖動(dòng)幅度增加。然而,光束太粗會(huì)造成光束本身質(zhì)量的下降,并且使光靶測(cè)量靈敏度下降。研究表明,當(dāng)d<<l0(d為光束直徑,l0為湍流尺度),即光束直徑遠(yuǎn)小于湍流尺度時(shí),湍流的作用是使整個(gè)光束傾斜,光束在屏幕上隨機(jī)抖動(dòng);當(dāng)d≈l0,湍流的作用是使光束的截面發(fā)生隨機(jī)傾斜;當(dāng)d>>l0,光束截面內(nèi)包含許多湍流元,光束發(fā)生分裂,導(dǎo)致光束質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。光束分裂d>>l0所造成的能量中心抖動(dòng)要比細(xì)光束d<<l0能量中心抖動(dòng)要小,而光束波面傾斜d≈l0造成的抖動(dòng)比前兩者均小,因此,確定光束直徑應(yīng)滿足:d/l0≥1。湍流越強(qiáng),l0越小,l0范圍為1~10㎜,如果是室內(nèi)測(cè)量,湍流為中等或弱湍流,光束直徑選擇10㎜左右是比較合適的。目前降低大氣擾動(dòng)對(duì)激光準(zhǔn)直影響的方法主要有兩種:4.1低大氣擾動(dòng)的影響Harrison等人以及杭州大學(xué)建立了真空管道系統(tǒng)來(lái)降低大氣擾動(dòng)的影響;N.Ikawa等人也采用了光束屏蔽罩(距離短,但不抽真空)。這些研究都達(dá)到了比較高的精度,但是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用屏蔽系統(tǒng)是非常不方便甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。4.2測(cè)值穩(wěn)定性測(cè)試T.Pfeifer等人認(rèn)為在30秒至100秒內(nèi)多次采樣進(jìn)行平均可以使測(cè)值穩(wěn)定性大大提高。每點(diǎn)測(cè)量需30~100秒平均,使得整個(gè)測(cè)量時(shí)間大大加長(zhǎng)。5激光準(zhǔn)直技術(shù)的特點(diǎn)光漂、光線彎曲、隨機(jī)抖動(dòng)的低頻成分基本相同,給誤差分離帶來(lái)了困難。在中短距離準(zhǔn)直測(cè)量中,主要解決好光漂和抖動(dòng)兩個(gè)問(wèn)題,而在長(zhǎng)距離測(cè)量中還需解決彎曲問(wèn)題。通過(guò)以上各種激光準(zhǔn)直技術(shù)的介紹,可以看出,目前單