基于宽带扫频干涉的高精度绝对距离测量方法研究

摘要

大型构件三维形貌测量在航空航天、国防以及民用等众多领域有着重要的意义。例如在大型飞机的装配中，长达20m的飞机机翼的装配中加工精度要求达到40μm；大型航天器的装配与加工中同样有着类似的需求。目前用于大型构件三维形貌测量的仪器通常采用高精度绝对距离测量配合高精密二维转台的方式。其中高精度绝对距离测量是其中的核心技术。
　　现有的绝对距离测量方法中，扫频干涉测距方法具有测量范围大、无测距盲区、不依赖合作目标等优点。目前的扫频干涉测距系统通常采用半导体激光器作为扫频激光器，但半导体激光器扫频范围较小（约100GHz），导致该方法测量精度较低，已渐渐不能满足应用需求。理论上采用外腔式激光器(扫频范围10THz)和频域采样法构建的扫频干涉测距系统可以达到更高的测量精度，但该方法仍存在3个问题，一是环境温度变化导致测量基准漂移的问题；二是由于振动引入的多普勒效应，导致测量误差是实际振动量的数百倍的问题；三是由于色散的影响，导致随着扫频范围的增加，测量精度不增反降的问题。
　　本课题针对上述问题，提出了一种能够进行大范围高精度绝对距离测量的扫频干涉绝对距离测量方法，并对该方法进行了原理分析以及大测量范围实验验证。主要研究内容如下：
　　研究了扫频干涉测距基本原理，理论上分析了现有扫频干涉测距系统存在的问题。在此基础上提出了一种宽带扫频干涉绝对距离测量系统，该系统以扫频范围可达10THz的外腔式激光器作为扫频光源，为了克服激光器扫频非线性的影响，采用频率采样法对测量信号进行采样，实验中发现，相比于比相法，频域采样法可以获得更高的信噪比，更适用于非合作目标测量；为了克服温度漂移对测量系统带来的影响，系统中引入了气体吸收室，建立了基于气体光谱吸收法的测量基准在线校正数学模型；为了克服目标振动对测量的影响，系统中引入了双声光调制器测振模块；为了克服色散失配的影响，采用啁啾分解色散失配补偿算法。分析与实验表明，该测量系统可以针对非合作目标进行高精度测距，并且具有较高的稳定性。
　　针对振动导致扫频干涉测距测量误差数百倍于实际振动量的问题，通过建立振动引入的多普勒数学模型，仿真分析不同振幅、频率条件下的扫频干涉测距结果，提出了基于双声光调制器的多普勒效应校正方法，同时针对非线性时钟对测振信号的影响，引入了锁相环模块，保证非合作目标测量时的测振信号信噪比。实验中，针对16m处的合作目标进行测量，未校正多普勒效应时，测量重复性为645μm，校正多普勒效应后，测量重复性为3.15μm；针对15m处的非合作目标测量时，若采用无锁相环的多普勒效应校正方法，测量重复性为53.52μm，若采用带锁相环的多普勒效应校正方法，即使回光功率仅有几纳瓦，测量重复性也可以达到3.43μm。
　　针对大扫频带宽带来的色散失配进行理论分析，建立色散失配数学模型，针对不同距离、不同扫频带宽前提下的色散失配问题进行仿真分析，指出传统色散失配校正算法引入额外随机误差的问题，并在此基础上提出了啁啾分解色散失配补偿算法，该算法无需在每次测量前针对距离以外的其它参量进行判断，因此不会引入额外的随机误差，同时针对啁啾分解算法运算量庞大的问题，提出结合欠采样思想的快速啁啾分解算法。实验中，在不考虑振动影响的前提下，针对位于约3.9m处的非合作目标，采用啁啾分解算法，测量重复性最高可达0.72μm，采用传统色散失配校正算法测量重复性仅有2.11μm；针对3200000采样点的数据进行运算，采用普通啁啾分解算法需要耗时269.8s，采用快速啁啾分解算法，仅需要1.9s。
　　在上述研究的基础上，设计并搭建基于扫频干涉的绝对距离测量系统。系统针对15m处的非合作目标，测量重复性为3.43μm，验证了系统针对远距离非合作目标也可以达到较高的测量精度。针对不同目标测量实验表明，当回光仅包含一个距离信息时，即使信噪比较低，也可以达到较高的测量精度。针对2.2m处的非合作目标进行长达两天的测量，其稳定性为3.70μm，验证了系统长时间测量的稳定性。最后通过与激光干涉仪的比对实验表明，在24m范围内，针对合作目标系统的测量不确定度优于8.3μm(k=2)，在24m时，其相对不确定度可以达到3.5×10-7(k=2)。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 激光绝对距离测量技术的研究现状

1.3 扫频干涉绝对距离测量技术

1.4 本研究领域存在的重要科学问题与关键技术问题

1.5 本文的主要研究内容

第2章 大范围高精度扫频干涉绝对距离测量方法研究

2.1 引言

2.2 基本扫频干涉测距原理

2.3 现有基于扫频干涉的绝对距离测量方法

2.4 基于宽带扫频干涉的绝对距离测量系统

2.5 本章小结

第3章 目标相对振动引入的多普勒效应影响及其补偿方法研究

3.1 引言

3.2 目标相对振动引入的多普勒效应对FSI绝对距离测量的影响

3.3 基于双声光调制器的多普勒效应校正方法研究

3.4 振动环境FSI绝对距离测量实验与分析

3.5 本章小结

第4章 色散失配校正方法研究

4.1引言

4.2 FSI中色散失配的影响

4.3 啁啾分解色散失配补偿算法

4.4 快速啁啾分解算法

4.5 本章小结

第5章 绝对距离测量系统设计与实验

5.1 引言

5.2 基于扫频干涉的绝对距离测量系统设计

5.3 测量系统整体性能实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历

附录