自適應直線度測量方法及其裝置的製作方法
2023-08-12 23:10:51
專利名稱：自適應直線度測量方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於直線度的光學測量技術領域。
直線度測量的關鍵是提供一個穩定的直線基準。以準直雷射光線作基準是目前最常用的方法。雷射準直中，產生誤差的主要因素有雷射光束漂移、光線彎曲和隨機抖動。三者互相影響，互相牽聯。以往在這方面的工作多是針對每個誤差環節單獨校正。修正光漂的方法有對稱光束法、幹涉衍射法、光纖準直法、伺服控制法等等;修正彎曲主要是靠測量溫度梯度進行數值補償，修正抖動則靠多次測量平均。單獨修正的缺點是對它們之間的相互作用考慮的不多，因而效果不十分理想。
1988年，航空部303所使用了定點監測、單板機補償的準直方案建立直線基準。原理如圖1。
假設t1時刻雷射束通過AC;t2時刻漂到A′C′，根據A，C兩處所測到的光束漂移量△lA△lC，由幾何關係可求出測點B的光束漂移△lB，從而進行修正。這種方法以A、C兩處測量靶中心連線作基準，而不是直接以光束能量中心做基準，一旦A、C靶位置確定，A、C靶中心連線在空間的位置就被唯一確定。因為測量靶是不透明等，測量過程中只好將A、B、C三個測試靶依次推入，測遠處的光漂時，需將近處的靶子拿開。這種方法的缺點是光漂監測和測量不能同時進行，由於換靶時間大於光束抖動周期，降低了A、B、C三點光漂相關性，在測量中還會引入基準復位誤差。該方法以真實大氣中光線直線傳播為依據，沒有考慮光線彎曲及抖動的影響，隨著測量距離的增加，將引入較大的光漂修正誤差。
為了對光漂進行實時修正，上海光機所使用了伺服控制準直技術，即通過監測雷射束前後兩處的光束漂移，反饋控制出射光束的方向、位置，使前後兩處光束回到初始位置，從而起到抑制光漂的目的。這種方法仍以「光直線傳播」為依據，而這一點只有在真空中或在各向同性均勻介質中才正確而在真實大氣中是不成立的。忽略了光線彎曲和隨機抖動的影響，只能保證監控點的穩定性，會誤將抖動認為是光漂輸入到反饋控制系統，導致中部光束抖動加劇。理論和實驗都證明，監測點和測量點之間光漂關係隨測量環境不同，而有所變化。而伺服控制系統卻只能以同一種方式抑制光漂。沒有對環境的適應能力。
本發明的目的在於克服上述測量方法的不足之處，綜合考慮光束漂移、光線彎曲和隨機抖動三種誤差相互作用的影響，使三種誤差因素同時得到修正，而且在測量之前引入自學習建模過程，具有對不同環境條件的自適應能力。保證了測量基準的穩定性，提高了直線測量的精度。
本發明提出一種自適應直線度測量方法，如圖(2)所示。包括準直雷射光源，用以產生準直雷射光束，兩個設置一定間距的A、B監測靶。這兩個監測靶在測量中不動，它們的中心所確定的直線為測量基準，一個與測量物相聯的測量靶(C)設置在所說的兩監測靶所確定的直線上，其特徵在於當雷射光束通過所說的A、B、C靶時，同時對A、B、C三點採樣，得到各點數據經過多元逐步回歸方法建立的修正模型進行處理，消除光束漂移誤差，測量過程中隨時監測溫度梯度值對光線彎曲進行實時修正。為進一步提高精度克服由大氣抖動引起的誤差，在上述方法中可添加一抖動監視靶D。該靶與測量靶C距離儘可能靠近，並固定在一基準面上使其在測量中位置保持不變。D點與A、B、C點同時採樣，取C、D所採數據進行自適應除噪技術處理，以清除測量靶C的抖動噪聲。
本發明所述測量方法的原理及步驟①A、B、C、D均為光電接收靶，它們按一定距離設置，使它們同時能接收到雷射光源所發射出的光線;②在測量開始前，首先經A/D板對A、B、C、D四點採樣，每點取n個採樣值取平均後輸出，每次採樣之前，由計算機通過I/O口向各點的採樣保持器同時發送保持信號，以保證A/D所採用的各點信號是同一時刻的瞬時值。③根據採樣平均值用多元逐步回歸方法建立光漂修正模型如式(1)Xc＝Xc測-b1XA測-b2XB測
XD＝XD測-a1XA測-a2XB測(1)上式中，b1b2a1a2為回歸係數，XA測XB測XC測XD測為A、B、C、D點的採樣平均值，XCXD為修正後的輸出值。
④用自適應除噪技術除去Xc中所包含的噪聲KX得到XC1＝Xc-K
D(2)⑤按等距在測試區設置一定數量的溫度測量點，取10次平均後輸出，建立彎曲修正模型。從Xc中減去光線彎曲引入的誤差δ得到最終輸出結果Xc。
XC2＝XC1-δ (3)當空氣幹擾不大的情況下，可不用抖動監測靶D則上述第四步驟可以省去。
本發明採用的這種直線度測量方法，因建立模型所用數據是在測試現場採集的，數據中包含了影響準直的各誤差因素，即光漂、光線彎曲和隨機抖動及其相互影響，而回歸方程就是建立在這些數據的基礎上的，因此它能綜合體現準直誤差及其內在聯繫。這樣的模型也一定能正確描述當時的環境影響，直接得到實際測量值。監測靶D與測量靶C靠得很近，利用抖動噪聲具有一定相關性這一特點，使用自適應消噪技術消除大氣抖動噪聲。自適應消噪原理如圖3所示。圖中的兩個傳感器中一個為主輸入，它的測量信息有主噪聲no和被其淹沒的信號S，即輸入為S+no，另一個為參考輸入，其中主要包括與主噪聲no有關的噪聲n。參考輸入n進入自適應濾波且後的輸出y，經過和主輸入S+no相減，得到系統輸出c＝s+no-y。若no＝y，系統輸出就是有效信號S，當no與y十分相近時，系統輸出就是有效信號S與殘餘幹擾量no-y之和。為使此殘餘幹擾量達最小，將系統的輸出反饋到自適應濾波器，用最小二乘法隨時調整濾波器中的加權值，使系統的總輸出功率達最小，由於信號功率保持不變，系統輸出端的信號噪比達最大。經計算得到自適應濾波器的最佳權向量為
為自相關矩陣
(5)
為互相關矩陣P＝E[(s+no)·
](6)濾波器j時刻的輸出Cj為Cj＝(s+no)-
j·
(7)使用最小二乘迭代算法，可容易地求出最佳權向量
,達到自適應除噪的目的。
在雷射準直方案中，C靶的輸入作為主輸入，它包含有信號和噪聲。D靶的輸入作為參考輸入，主要用於測量噪聲，在長距離雷射準直中，產生噪聲的一個主要因素是大氣抖動，據大氣特性方向面的研究資料介紹，大氣湍流經常包含大尺度的氣團，使得大氣場成為非平穩的和非均勻的各向異性場，而在大氣團內部，可以認為是均勻的和各向同性的，稱為局部均勻的各向同性隨機場。以此觀點為依據，選擇參考靶D使其儘量靠近測量靶C，當D、C接收到的光信號在一個氣團內時，C與D的抖動噪聲有一定的相關性，用自適應除噪技術可在一定程度上抑制抖動噪聲。經典理論及統計學計算結果表明，當在光線傳播路徑上存在溫度梯度時，光線傳播呈二次曲線，光線彎曲及抖動與距離的平方成正比，因此只要測得各點的溫度梯度，即可算出光線彎曲引起的誤差。
y＝1/2 dn/dT·dT/dy L2(8)式中n為空氣折射率T為空氣溫度dT/dy為空氣溫度梯度L為測量點之間的距離dn/dT有現成的公式可計算。
本發明設計出採用上述自適應直線度測量方法的測量裝置。包括雷射光源及分光部件，光電接收部件，測溫部件，信號處理單元，數據輸出部件，其特徵在於所說光電接收部件是在準直光路中的測量區設置兩個以上監測靶和與被測物相連的測試靶，所說的信號處理單元是對監測及靶及測試靶同時、多次採集的數據用多元回歸方法及自適應除噪技術進行處理，用於實時修正光漂及光抖動誤差，所說的測溫部件是在該測量區中等距設置3個以上測溫元件，得到的誤差數據送到信號處理單元，用以實時修正光線彎曲度。
圖1為已有技術測量方法示意2為本發明的測量方法示意3為自適應消噪聲原理4為本發明的裝置總體結構5為本發明的實施方案裝置圖其中[1]雷射器[2]擴束系統[3]分光鏡[4]溫差傳感器[5]光電接收靶[6]前置放大器[7]模擬開關[8]採樣保持[9]加減運算[10]低通濾波[11]A/D轉換[12]微型計算機(IBM/PC)[13]I/O口[14]RS232通訊口[15]數字萬用表[16]多路選擇開關[17]信號接收[18]放大[19]整形本發明設計的一種自適應直線度測量裝置的基本實施例方案如圖5所示，①選用帶布儒斯特窗的低功耗氣體脈衝雷射器[1]為準直雷射光源，其輸出功率為0.02mw，它能保證多次分光後得到穩定的光強輸出，且輸出為交流信號，便於接收，有利於提高信噪比。②光電接收由A、B、C、D四個光電接收靶組成，其中A、B、C靶分別由設置在光路中的半透半反光學元件[3]，與接收各自的反射光的四象限矽光電池[5]構成，A、B為固定監測靶，其間距為3米，主要用於確定直線基準，C靶為測量靶固定在被測物體上，AC兩靶間距為9米，D靶為一光電接收元件[5]，接收從C靶透射過來的光，固定在與C靶相距50mm左右的基面上。③採用峰值採樣的信號接收處理方法，即從雷射器另一端再引出一束光，經放大整形後，作模擬開關的開關控制脈衝，該脈衝與A、B、C、D靶接收到的信號同頻率，且可調得很窄，開關開啟時只允許信號中的尖峰通過，其他頻率的幹擾噪聲經此開關後正負互相抵消，起到濾波作用，在開關輸出端接了容值較大的鉭電容，它將所通過的峰值信號保持住，直到下一次開關開啟。這樣在濾波的同時，得到與交流信號峰值相同的直流信號，便於以後加減運算。④測溫部分如圖中虛線所示，在準直光路的前、中、後部沿水平、垂直方向各放置由雙結熱電耦組成的溫度梯度傳感器[4]，計算機由I/O口[13]向多路選擇開關發送控制信號，使數字萬用表[15]依次讀取各路溫差測量值，經RS232通訊口[14]傳入計算機[12]，進行光線彎曲修正。
該實施裝置的工作流程如下所述雷射束經擴束、分光後，分別由四個接收器[5]接收。經各自的前置放大器[6]放大後，輸入到模擬開關[7]。同時利用雷射器尾部發出的光，經放大(18)，整形(19)後，得到窄脈衝信號。用來控制模擬開關。靠調整控制脈衝的寬度和位置，使模擬開關開門時剛好信號峰值到來。在模擬開關的輸出端接電容值較大的鉭電容，它對通過模擬開關的峰值信號起保持作用。這樣，進入採樣保持器(8)的就是一個與原信號峰值大小相同的直流信號。由於開關控制脈衝很窄，開關開門時只允許信號中的尖峰通過，其它頻率的幹擾噪聲經此開關後正負互相抵消，起到了濾波作用。微機(12)經I/O口(13)向各路採樣保持器(8)發送採樣，或保持信號。當(8)處於保持狀態時，(9)對它的輸出進行加減運算，結果經(10)低通濾波，由A/D板(11)完成A/D轉換及採樣，結果送入CPU(12)，計算機根據修正模型對測量結果作時實修正，輸出最終結果。
本發明的另一實施例是採用紅外雷射輻射作為光源，由於矽探測器的基片對紅外波段是透明的，因此，可以將幾個探測器串聯使用，不需要分光部件，從而使系統簡化。
自然，有些情況下，光束某一端的位置是穩定的，不需要監測，前述實施例中的第一個探測器可以省去，通常探測器D也可以省去。
權利要求
1.一種自適應直線度測量方法，包括準直雷射光源用以產生準直雷射光束，兩個設置一定間距的A、B監測靶。這兩個監測靶在測量中不動，它們的中心所確定的直線為測量基準，一個與測量物相聯的測量靶(C)設置在所說的兩監測靶所確定的直線上，其特徵在於當雷射光束通過所說的A、B、C靶時，同時對A、B、C三點採樣，得到各點數據經過多元逐步回歸方法建立的修正模型進行處理，消除光束漂移誤差，測量過程中隨時監測溫度梯度值對光線彎曲進行實時修正。
2.一種如權利要求1所述的自適應直線度測量方法，其特點在於還包括一抖動監視靶D，該靶與測量靶C距離儘可能靠近，並固定在一基準面上使其在測量中位置保持不變。D點與A、B、C點同時採樣，取C、D所採數據進行自適應除噪技術處理，以清除測量靶C的抖動噪聲。
3.一種自適應直線度測量方法的測量裝置，包括雷射光源及分光部件，光電接收部件，測溫部件，信號處理單元，數據輸出部件，其特徵在於所說光電接收部件是在準直光路中的測量區設置兩個以上監測靶和與被測物相連的測試靶，所說的信號處理單元是對監測靶及測試靶同時、多次採集的數據用多元回歸方法及自適應除噪技術進行處理，用於實時修正光漂及光抖動誤差，所說的測溫部件是在該測量區中等距設置3個以上測溫元件，得到的誤差數據送到信號處理單元，用以實時修正光線彎曲度。
4.一種如權利要求3所述的測量裝置，其特徵在於所說的雷射光源用帶布儒斯特窗的低功耗氣體脈衝雷射器[1]，所說的光電接收部件由A、B、C、D四個光電接收靶組成，其中A、B、C靶分別由設置在光路中的半透半反光學元件[3]，與接收各自的反射光的四象限矽光電池[5]構成，A、B為固定監測靶，主要用於確定直線基準，C靶為測量靶固定在被測物體上，D靶為一光電接收元件，接收從C靶透射過來的光，所說的信號處理系統採用峰值採樣的信號接收處理方法，即從雷射器另一端再引出一束光，經放大整形後，作模擬開關的開關控制脈衝，在開關輸出端接了容值較大的鉭電容，它將所通過的峰值信號保持住，直到下一次開關開啟。所說的測溫部分是在準直光路的前、中、後部沿水平、垂直方向各放置由雙結熱電耦組成的溫度梯度傳感器[4]，計算機由I/O口[13]向多路選擇開關發送控制信號，使數字萬用表[15]依次讀取各路溫差測量值，經RS232通訊口[14]傳入計算機[12]，進行光線彎曲修正。
5.一種如權利要求3所述的測量裝置，其特徵在於所說的雷射光源採用紅外雷射光源，所說的光電接收部件A、B、C、D均由能透過紅外光的矽探測器組成。
6.一種如權利要求3的測量裝置，其特徵在於所說的光電接收部件由二個探測器組成，一個為固定的監視探測器，另一個為與被測物聯在一起的測量探測器。
全文摘要
一種自適應直線度測量方法及其裝置，屬於直線度的光學測量技術領域。本發明所述方法是在測量現場採集數據利用多元逐步回歸方法，建立適合當時當地條件的模型，並以自適應除噪技術以及對測試區溫度梯度的監測達到消除測量中由於光束本身的漂移、抖動、彎曲造成的誤差，以保證測量基準的穩定性，提高直線測量的精度，本發明所述裝置是在準直光束路徑上設置兩個以上固定的監測靶，一個與被測物相連的測試靶，同時對各靶多次採樣取平均值後進行計算機數據處理，並實時輸出測試結果。
文檔編號G01B11/24GK1047385SQ89103290
公開日1990年11月28日 申請日期1989年5月18日 優先權日1989年5月18日
發明者殷純永, 曾理江, 梁晉文, 丁慎訓 申請人:清華大學