激光精密测量中光束抖动抑制技术研究

摘要

激光因为具有一系列显著的特性优势被应用于众多精密机械行业，包括精密制造、精密测量等，但是在激光应用的实际处理中仍然存在很多干扰因素使其精度受到限制。其干扰因素主要有激光器的内部构造热变形影响、空气折射率变化影响、大气湍流干扰等。在较长距离的测量中空气扰动干扰会造成激光束抖动现象，是造成测量不确定度大的主要原因，本文研究目的即为提升激光精密测量稳定性。基于激光束抖动的随机性特点，本文首先采用时间序列分析方法，设计了ARMA滤波器对激光束抖动进行主动滤除，其次利用PZT微位移执行器设计了一套光程终端反馈测量方法，对激光束抖动误差进行被动控制补偿，最终通过实验验证测量结果的稳定性在很大程度上得到了提高。 本文首先分析了激光束抖动的产生原因以及抖动引起的误差形式，其中重点研究了大气湍流这一影响因素，并结合四象限探测器的检测原理研究了对激光束角漂的分离检测，在实现了四自由度误差测量的基础上设计了一种新的带反馈测量方法。 然后，根据激光束抖动的随机性特点，本文利用时间序列分析方法对激光测量的漂移数据进行了相关分析，在建立一般理论的ARMA模型基础上经过数学推导设计了ARMA滤波器，其次编写相应的MATLAB程序对已有的激光漂移数据进行了滤波仿真，仿真结果显示了很好地抑制效果。后又搭建了激光直线度测量平台进行实时滤波实验，实验结果表明ARMA滤波器可减小激光测量大约20%的测量不确定度。 最后，基于四自由度测量原理以及利用PZT反馈执行器，搭建了长达4m的光程终端反馈测量光路，为了验证反馈效果，在整个光程的0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m处分别进行了大量验证实验。在最终的实验结果中，由于漂移数据存在不等的趋势性漂移，对数据进行了趋势性去除措施后分别计算了数据的不确定度，结果表明，通过反馈补偿误差可在很大程度上减小激光测量的不确定度。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 激光束抖动抑制技术的研究现状

1.2.1 被动控制补偿法

1.2.2 主动自适应滤除法

1.3 本课题的主要内容

2 激光束抖动分析及其检测

2.1 激光束抖动分析

2.1.1 激光束抖动产生原因

2.1.2 激光束抖动漂移形式

2.2 激光大气湍流效应

2.2.1 激光传输中的大气闪烁

2.2.2 到达角起伏

2.2.3 光束扩展

2.2.4 光束漂移

2.3 长距离四自由度激光测量系统

2.3.1 光电检测原理

2.3.2 四自由度激光测量系统

2.3.3 激光束抖动抑制系统设计

2.4 本章小结

3 基于时间序列分析理论的ARMA滤波器设计

3.1 时间序列分析简介

3.1.2 时间序列分析定义及方法

3.1.3 时间序列分析与数学模型

3.2 激光束抖动漂移时间序列分析建模

3.2.1 ARMA滤波模型建立步骤

3.2.2 数据分析及平稳性预处理

3.2.3 ARMA模型识别

3.2.4 ARMA模型参数估计

3.2.5 模型适用性检验

3.2.6 光束抖动滤波器模型建立

3.3 ARMA滤波仿真及结果分析

3.4 ARMA滤波实验及结果分析

3.5 本章小结

4 激光束抖动抑制实验搭建及实验结果分析

4.1 激光测量系统搭建

4.1.1 基于压电陶瓷的执行系统分析

4.1.2 精密反射镜选型

4.1.3 激光器选型

4.1.4 供电电源选择

4.2 实验室环境误差源分析及解决

4.2.1 电噪声误差影响估算

4.2.2 实验室机械结构及工装影响

4.3 激光测量系统实验研究

4.3.1 四象限探测器标定实验

4.3.2 激光分光束对比实验

4.4 稳定性实验及结果分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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