光電測量 激光跟蹤測量系統(tǒng)性能檢測方法

3本文件描述了激光跟蹤測量系統(tǒng)（簡稱待測系統(tǒng)）的激光干涉儀和絕對測距儀測距精度、目標(biāo)跟蹤速度及加速度、空間長度測量精度、姿態(tài)角測量精度等性能參數(shù)測試的原理，測試條件及要求，測本文件適用于新研制和已生產(chǎn)的激光跟蹤測量系統(tǒng)性能測試，包括三自由度激光跟蹤測量系統(tǒng)和下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適3.1激光跟蹤測量系統(tǒng)lasertrackin通過激光束跟蹤合作目標(biāo)，由距離（極徑）和兩個(gè)角度確定其位置坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，結(jié)合姿態(tài)角注：兩個(gè)角度被稱為水平角（繞著立軸線即待測系統(tǒng)的立軸的轉(zhuǎn)動）和垂直角（與水平面3.2注：激光干涉儀可用來測量距離的差，需要有一個(gè)3.3內(nèi)置于待測系統(tǒng)的絕對距離測量單元，用于目標(biāo)距離（極徑）測量，可用于激光跟蹤測量過程中3.4球面靶標(biāo)sphericallymountedretro4固定在球殼中的反射靶標(biāo)，其中反射靶標(biāo)是能夠?qū)υ诳山邮辗秶鷥?nèi)的入射光進(jìn)行平行反射的無源3.5六自由度靶標(biāo)sixdegreeoffre3.63.74測試原理激光跟蹤測量系統(tǒng)性能測試裝置示意圖見圖1，通過建立長度、速度、加速度、角度等參考裝置與激光跟蹤測量系統(tǒng)待測參數(shù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)激光干涉儀及絕對測距儀測距精度、目標(biāo)跟蹤速度及加速23標(biāo)引序號說明：5123456a)環(huán)境溫度：15℃~35℃;b)環(huán)境濕度：2080%;c)環(huán)境光照：室內(nèi)照明環(huán)境，避免外界強(qiáng)太陽光照干擾；c)測試儀器性能指標(biāo)高于待測系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)，所需主要測試儀器性能指標(biāo)要求見61234半徑不大于0.8m；5EF√√EA√√vH√√vVaH√√aVEL√√—√由精密長導(dǎo)軌和已校準(zhǔn)激光干涉儀組成長度參考裝置，待測系統(tǒng)激光干涉儀和已校準(zhǔn)激光干涉儀同時(shí)測量多個(gè)位置的長度變化量，通過比對待測系統(tǒng)激光干涉儀和已校準(zhǔn)激光干涉儀的距離測量值，7得到待測系統(tǒng)激光干涉儀測距誤差，以相對測距誤差極限值作為待測系統(tǒng)激光干涉儀的測距精度。激35328217461——待測系統(tǒng)；2——已校準(zhǔn)激光干涉儀；3——已校準(zhǔn)激光干涉儀測量鏡；a)將待測系統(tǒng)和已校準(zhǔn)激光干涉儀（兩臺及以上）置于精密長導(dǎo)軌的一端，將球面靶標(biāo)和已校準(zhǔn)激光干涉儀測量鏡安裝于精密長導(dǎo)軌的同一移動滑塊上，其中球面靶標(biāo)可利用靶座固定，移動滑塊運(yùn)動到精密長導(dǎo)軌的兩端，分別調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)和已校準(zhǔn)激光干涉儀的測量激光輸出方向，使兩束測量激光各自指向球面靶標(biāo)和已校準(zhǔn)激光干涉儀測量鏡的同一位置，保證激光b)將移動滑塊置于靠近待測系統(tǒng)一側(cè)的精密長導(dǎo)軌起始端，記錄當(dāng)前位置處待測系統(tǒng)激光干涉儀測量值LF0和已校準(zhǔn)激光干涉儀輸出的測距值D0；到待測系統(tǒng)最大測量范圍或精密長導(dǎo)軌末端每個(gè)測量點(diǎn)位記錄相應(yīng)待測系統(tǒng)激光干涉儀測量值LFi與已校準(zhǔn)激光干涉儀的測距值Di。激光干涉儀測距誤差ΔlFi按照公式（1）計(jì)算：··········································ΔlFi=LFi?LF0?Di?D0··········································ΔlFi——第i個(gè)位置處，待測系統(tǒng)激光干涉儀測距誤差，單位為米（mLFi——第i個(gè)位置處，待測系統(tǒng)激光干涉儀輸出的測量值，單位為米（mLF0——初始位置處，待測系統(tǒng)激光干涉儀輸出的測量值，單位為米（m）；Di——第i個(gè)位置處，已校準(zhǔn)激光干涉儀輸出的測距值，單位為米（m）；D0——初始位置處，已校準(zhǔn)激光干涉儀輸出的測距值，單位為米（m8以極限值EF表示待測系統(tǒng)激光干涉儀測距精度，按照公式（3）計(jì)算：··············································由精密長導(dǎo)軌和已校準(zhǔn)激光干涉儀組成長度參考裝置，待測系統(tǒng)絕對測距儀（含遮光前后斷光續(xù)接數(shù)據(jù)）和已校準(zhǔn)激光干涉儀同時(shí)測量多個(gè)位置的長度變化量，通過比對待測系統(tǒng)絕對測距儀和已校準(zhǔn)激光干涉儀的距離測量值，得到待測系統(tǒng)絕對測距儀測距誤差，以測距誤差極限值作為待測系統(tǒng)絕15328532<7<94962——已校準(zhǔn)激光干涉儀；a)將待測系統(tǒng)和已校準(zhǔn)激光干涉儀（兩臺及以上）置于精密長導(dǎo)軌的一端，將球面靶標(biāo)和已校準(zhǔn)激光干涉儀測量鏡安裝于精密長導(dǎo)軌的同一移動滑塊上，其中球面靶標(biāo)可利用靶座固定，移動滑塊運(yùn)動到精密長導(dǎo)軌的兩端，分別調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)和已校準(zhǔn)激光干涉儀的測量激光輸出方向，使兩束測量激光各自指向球面靶標(biāo)和已校準(zhǔn)激光干涉儀測量鏡的同一位置，保證激光b)將移動滑塊置于靠近待測系統(tǒng)一側(cè)的精密長導(dǎo)軌起始端，記錄當(dāng)前位置處待測系統(tǒng)絕對測距儀測量值LA0,和已校準(zhǔn)激光干涉儀輸出的測距值D0；c)使用遮光板遮擋待測系統(tǒng)測量光束，1s后去掉遮光板，記錄待測測系統(tǒng)最大測量范圍或精密長導(dǎo)軌末端,共計(jì)N個(gè)測量點(diǎn)每個(gè)測量點(diǎn)位記錄相應(yīng)待測系統(tǒng)9絕對測距儀測量值LAi（i=1,2,…,N-1）與已校準(zhǔn)激光干涉儀的測距值Di（i=0,1,…,Ne)當(dāng)滑塊移動到待測系統(tǒng)最大測量范圍或精密長導(dǎo)軌末端時(shí)，記錄絕對測距儀測量值為LAN,，針對起始位置和末尾測試點(diǎn)位置的絕對測距儀斷光前后的測量值，以平均值作為絕對測距儀首末絕對測距儀測距誤差ΔlAi按照公式（5）計(jì)算：ΔlAi=LAi?LA0?Di?D0 ΔlAi——第i個(gè)位置處，待測系統(tǒng)絕對測距儀測距誤差，單位為米（mLAi——第i個(gè)位置處，待測系統(tǒng)絕對測距儀輸出的測量值，單位為米（m）；LA0——初始位置處，待測系統(tǒng)絕對測距儀斷光前后測量值均值，單位為米（mDi——第i個(gè)位置處，已校準(zhǔn)激光干涉儀輸出的測距值，單位為米（mD0——初始位置處，已校準(zhǔn)激光干涉儀輸出的測距值，單位為米（mi——測量位置點(diǎn)數(shù)，i=0,1,…,N。以極限值EA表示待測系統(tǒng)絕對測距儀測距精度，按照公式（6）計(jì)算：利用標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器構(gòu)建目標(biāo)運(yùn)動速度參考裝置帶動球面靶標(biāo)轉(zhuǎn)動，待測系統(tǒng)正對標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器，待測系統(tǒng)保持正常跟蹤狀態(tài)所能允許標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的球面靶標(biāo)運(yùn)動速度即2143標(biāo)引序號說明：a)將直徑38.1mm球面靶標(biāo)安置在標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器回轉(zhuǎn)臂的靶座上，待測系統(tǒng)正對標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器，距離5m±0.5m；b)啟動待測系統(tǒng)并將激光照準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器上的球面靶標(biāo)；c)控制電機(jī)驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器帶動球面靶標(biāo)運(yùn)動，以規(guī)定的橫向跟蹤速度為vref,從0.5vref對應(yīng)的轉(zhuǎn)速開始逐步增加標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器轉(zhuǎn)速（步距對應(yīng)的速度≤0.1vref使跟蹤目標(biāo)速度達(dá)到規(guī)定的橫向跟蹤速度vref，記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器轉(zhuǎn)速NL，要求標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)目標(biāo)橫向跟蹤速度vH按照公式（7）計(jì)算。R···················································若未規(guī)定速度極限，可逐步增加標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器旋轉(zhuǎn)速度，至待測系統(tǒng)脫離跟蹤狀態(tài)，降低標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器旋轉(zhuǎn)速度直至待測系統(tǒng)可穩(wěn)定對球面靶標(biāo)進(jìn)行跟蹤，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器轉(zhuǎn)速NL，利用電控直線導(dǎo)軌構(gòu)建目標(biāo)運(yùn)動速度參考裝置帶動球面靶標(biāo)徑向運(yùn)動，待測系統(tǒng)保持正常跟蹤狀態(tài)所能允許電控直線導(dǎo)軌帶動球面靶標(biāo)運(yùn)動的最大速度即為最大目標(biāo)徑向跟蹤速度。目標(biāo)徑向跟蹤速412352——球面靶標(biāo)；a)將直徑38.1mm球面靶標(biāo)固定于電控直線導(dǎo)軌的移動滑塊上，將待測系統(tǒng)安裝于電控直線導(dǎo)軌移動滑塊的延長線方向，距離5m±0.5m；b)啟動待測系統(tǒng)并將激光照準(zhǔn)電控直線導(dǎo)軌移動滑塊上的球面靶標(biāo)；c)設(shè)定電控直線導(dǎo)軌所需加速度/減速度、速度、行程等參數(shù)，控制電控直線導(dǎo)軌使其帶動球面靶球依次進(jìn)行如下線性運(yùn)動：勻加速、勻速、勻減速、停止，反向后勻加速、勻速、勻減速、停止，電控直線導(dǎo)軌的工作范圍應(yīng)滿足所需加減d)以規(guī)定的徑向跟蹤速度為vref2,要求勻速階段的速度從0.5vref2開始逐步增加（步距對應(yīng)的速度≤0.1vref2），使待測系統(tǒng)跟蹤速度達(dá)到規(guī)定的徑向跟蹤速度，要求待測系統(tǒng)可穩(wěn)定對球面靶e)記錄待測系統(tǒng)所能保持正常穩(wěn)定跟蹤的電控直線導(dǎo)軌最大勻速運(yùn)動速度vV。目標(biāo)徑向跟蹤速度即為待測系統(tǒng)所能保持正常穩(wěn)定跟蹤時(shí)電控直線導(dǎo)軌最大勻速運(yùn)動速度vV。若未規(guī)定速度極限，可逐步增加電控直線導(dǎo)軌運(yùn)動速度，至待測系統(tǒng)脫離跟蹤狀態(tài)，降低電控直線導(dǎo)軌運(yùn)動速度直至待測系統(tǒng)可穩(wěn)定對球面靶標(biāo)進(jìn)行跟蹤，此時(shí)電控直線導(dǎo)軌最大勻速運(yùn)動速度即為利用標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器構(gòu)建目標(biāo)運(yùn)動加速度參考裝置帶動球面靶標(biāo)轉(zhuǎn)動，待測系統(tǒng)正對標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器，待測系統(tǒng)保持正常跟蹤狀態(tài)所能允許標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的球面靶標(biāo)運(yùn)動加速a)將直徑38.1mm球面靶標(biāo)安置在標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器回轉(zhuǎn)臂的靶座上，待測系統(tǒng)正對標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器，距離5m±0.5m；b)啟動待測系統(tǒng)并將激光照準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器上的球面靶標(biāo)；c)控制標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器帶動球面靶標(biāo)轉(zhuǎn)動，以規(guī)定的橫向跟蹤加速度為aref,從0.5aref對應(yīng)的轉(zhuǎn)速開始逐步增加標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器轉(zhuǎn)速（步距對應(yīng)的加速度≤0.1aref使球面靶標(biāo)運(yùn)動加速度達(dá)到或超過規(guī)定的跟蹤加速度，記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器轉(zhuǎn)速NL，要求標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡(πNL)2H(30,H(30,若未規(guī)定加速度極限，可逐步增加標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器旋轉(zhuǎn)加速度，至待測系統(tǒng)脫離跟蹤狀態(tài)，降低標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器旋轉(zhuǎn)加速度直至待測系統(tǒng)可穩(wěn)定對球面靶標(biāo)進(jìn)行跟蹤，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡發(fā)生器轉(zhuǎn)利用電控直線導(dǎo)軌構(gòu)建目標(biāo)運(yùn)動加速度參考裝置帶動球面靶標(biāo)徑向運(yùn)動，待測系統(tǒng)保持正常跟蹤狀態(tài)所能允許電控直線導(dǎo)軌帶動球面靶標(biāo)運(yùn)動的最大加速度即為最大目標(biāo)徑向跟蹤加速度。目標(biāo)徑向a)將直徑38.1mm球面靶標(biāo)固定于電控直線導(dǎo)軌的移動滑塊上，將待測系統(tǒng)安裝于電控直線導(dǎo)軌移動滑塊的延長線方向，距離5m±0.5m；c)設(shè)定電控直線導(dǎo)軌所需加速度/減速度、速度、行程等參數(shù)，控制電控直線導(dǎo)軌使其帶動球面靶球依次進(jìn)行如下線性運(yùn)動：勻加速、勻速、勻減速、停止，反向后勻加速、勻速、勻減d)以規(guī)定的徑向跟蹤加速度為aref2,要求勻加減速階段的加速度從0.5aref2開始逐步增加（步距對應(yīng)的加速度≤0.1aref2），使待測系統(tǒng)跟蹤加速度達(dá)到規(guī)定的徑向跟蹤加速度，要求待測系e)記錄待測系統(tǒng)所能保持正常穩(wěn)定跟蹤的電控直線導(dǎo)軌最大加速度aV。目標(biāo)徑向跟蹤加速度即為待測系統(tǒng)所能保持正常穩(wěn)定跟蹤時(shí)電控直線導(dǎo)軌最大運(yùn)動加速度aV。若未規(guī)定加速度極限，可逐步增加電控直線導(dǎo)軌運(yùn)動加速度，至待測系統(tǒng)脫離跟蹤狀態(tài)，降低電控直線導(dǎo)軌運(yùn)動加速度直至待測系統(tǒng)可穩(wěn)定對球面靶標(biāo)進(jìn)行跟蹤，此時(shí)電控直線導(dǎo)軌最大運(yùn)動加速度6363利用電控直線導(dǎo)軌和已校準(zhǔn)的激光干涉儀構(gòu)建空間長度標(biāo)準(zhǔn)，待測系統(tǒng)通過測量導(dǎo)軌上的兩點(diǎn)坐標(biāo)，將其換算成長度值，與已校準(zhǔn)激光干涉儀所得長度測量值進(jìn)行比較，通過多點(diǎn)比較結(jié)果評估待測72829595a)如圖6所示建立測試裝置，將電控直線導(dǎo)軌水平放置在距離待測系統(tǒng)5m±0.5m位置處；b)將已校準(zhǔn)的激光干涉儀置于電控直線導(dǎo)軌的一端，調(diào)節(jié)已校準(zhǔn)激光干涉儀的輸出激光方向，c)將待測系統(tǒng)的球面靶標(biāo)和已校準(zhǔn)激光干涉儀測量鏡沿導(dǎo)軌方向排列安裝于電控直線導(dǎo)軌的同一移動滑塊上，并分別對準(zhǔn)待測系統(tǒng)和已校準(zhǔn)激光干涉儀兩束激光，球面靶標(biāo)的通光孔面向待測系統(tǒng)，記錄此時(shí)待測系統(tǒng)水平角度示值φ0，已校準(zhǔn)干涉儀測量鏡的通光孔面向已校準(zhǔn)激d)將移動滑塊置于電控直線導(dǎo)軌一端，記錄當(dāng)前位置處待測系統(tǒng)輸出的起始位置坐標(biāo)值（x0,y0,進(jìn)行多次測量，測量次數(shù)不低于5次，記錄每次移動后待測系統(tǒng)輸出的f)調(diào)節(jié)待測系統(tǒng)水平角使其對準(zhǔn)球面靶標(biāo)時(shí)，水平方位相對起始位置（水平角度示值φ0）分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90±5°、180±5°、270±5°,重復(fù)步驟d）~e）；g)將電控直線導(dǎo)軌與已校準(zhǔn)激光干涉儀組成的測試平臺分別置于距離待測系統(tǒng)0.5Lmax、Lmax位置處（均允許±0.5m誤差重復(fù)步驟a）~f其中Lmax為待測系統(tǒng)測量范圍。h)通過獲取待測系統(tǒng)在不同位置輸出的三維坐標(biāo)值以計(jì)算空間兩點(diǎn)間距離值，與已校準(zhǔn)激光干涉儀測量的標(biāo)準(zhǔn)距離值進(jìn)行比對，得到待測系統(tǒng)在不同距離下的空間長 (yi?y0)2+(zi?z0)2?Di?D0················待測系統(tǒng)最大允許誤差規(guī)定值采用E1μm+E2μm/m形式，則可將空間長度測量誤差絕對值Δli與空間長度測量最大允許誤差ΔlEi相比較，其中ΔlEi按照公式（10）計(jì)算。Ei=·································若待測系統(tǒng)空間長度測量誤差絕對值Δli不超過空間長度測量最大允許誤差ΔlEi，可判定待測系統(tǒng)空間長度測量誤差達(dá)到規(guī)定要求，空間長度測量精度EL可按公式（11）計(jì)算。EL=E1μm+E2μm/m 由已校準(zhǔn)精密轉(zhuǎn)臺作為姿態(tài)角參考裝置，六自由度靶標(biāo)經(jīng)轉(zhuǎn)接件緊固在精密轉(zhuǎn)臺安裝面上，待測系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤六自由度靶標(biāo)。利用待測系統(tǒng)與精密轉(zhuǎn)臺同時(shí)記錄多個(gè)姿態(tài)角測量值，通過將待測系統(tǒng)與精密轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系統(tǒng)一，進(jìn)而比對兩者姿態(tài)角測量值，得到待測系統(tǒng)姿態(tài)角多點(diǎn)測量誤差，以多點(diǎn)姿41234123標(biāo)引序號說明：a)將六自由度靶標(biāo)安裝于精密轉(zhuǎn)臺上，精密轉(zhuǎn)臺與待測系統(tǒng)距離調(diào)整為姿態(tài)角測量距離范圍最c)以精密轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)軸角度顯示0位置起，記錄精密轉(zhuǎn)臺的初讀數(shù)θi,0與待測系統(tǒng)相應(yīng)姿態(tài)角示值時(shí)記錄待測系統(tǒng)姿態(tài)角示值(αi,1,βi,1,d)正向測至待測系統(tǒng)姿態(tài)角測量極限后，同樣的方法從精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸角度顯示0位置起，反向測至待測系統(tǒng)姿態(tài)角測量極限，記為θi,n+1，?,θi,2n，與(αi,n+1,βi,n+1,γi,n+1?,其中，θi,j為精密轉(zhuǎn)臺讀數(shù)，i=1,2,3，用于指代精密轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)軸；j=1,2,…,2n，用于指代精密轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)軸第j個(gè)測點(diǎn)。(αi,j,βi,j,γi,j）為待測系統(tǒng)姿態(tài)角測量值，i=1,2,3，用于指代精密轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)軸；j=1,2,…,2n，用于指代待測系統(tǒng)對精密轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)軸第j個(gè)測點(diǎn)。Δ為測量步(Δ×2n)≥(跟蹤儀空間姿態(tài)角量程)，各軸測點(diǎn)總數(shù)存在不同時(shí)，n的取值分別記為n1，n2，n3；e)通