激光准直高精度直线度测量中激光漂移的补偿方法

激光准直高精度直线度测量中激光漂移的补偿方法

1激光准直的检测方法准直技术是基于直线度、同源度、平行度和垂直度等几何测量参数和形状的误差的基础。在激光准直技术中,激光漂移是产生误差,限制激光准直精度的主要原因。按产生激光漂移的因素来分,存在三种不同的漂移:一种是由于激光器本身原因造成的激光光线漂移,分为平行漂移和角度漂移,简称“光漂”:由于激光器放电管内及其表面存在着不稳定的温度梯度分布,使谐振腔发生变形,造成激光光线漂移,以及由于固定激光发射器的调整机构存在机械位移;第二种是由于空气折射率不均匀造成的激光光线弯曲;第三种是由于空气扰动造成的激光光线随机漂移:在工作大气中的气流扰动造成光束随机抖动,从而使光束稳定性下降。提高激光准直的精度主要从以上三个方面入手。目前,出现了很多实用的方法和技术来减少激光器本身造成的光线漂移和机械连接部分造成的漂移,但是由空气折射率不均及空气的随机扰动造成的激光光线漂移一直未能很好的解决。2合理设计谐振腔和激光管系统抑制光漂可以从两方面入手。一是从激光器本身着手,如合理设计谐振腔,或使激光管通风散热,减少激光管内的温度梯度;二是采用适当的准直方法,减少光漂的影响,具体做法可分两大类:2.1光场分布监测方法是确定光束几何位置2.1.1激光束光漂的抑制机理其基本思想是:采用特别设计的光学系统,将激光器发出的光束分成两束光,且当激光束发生光漂时,这两束光朝相反的方向变化,其能量中心即两路光的对称中心线不变,用具有双光电座标的检测靶检测出这条中心线的相对位置,以此作为基准线,从而起到抑制光漂的作用。这种方法只能抑制光漂,不能解决大气扰动问题。2.1.2单模光纤激光器激光束经显微镜聚焦,将光点耦合进入单模光纤,光纤出射端位于准直物镜的焦点上,使出射光为准直光束,即采用一根光纤建立新的光发射基准。理论计算表明,光束经单模光纤后,其模式重新分布,激光束的平漂、角漂只会影响耦合效率,不会影响出射光强分布。从理论上讲,此方法可以完全消除光漂,而且,如果能保证单模传输,通过光纤后的光束质量也有提高。由于光纤的柔性及隔离作用,不用将激光器安装到被测件上去,这使得系统在被测件上的安装调试较为简便,并且,此方法成本相当低。由于机械装置的漂移,长时间后光束会偏离光纤,需重新耦合,故现在通常都直接采用带尾纤的激光器。但不能解决光线弯曲和大气扰动的问题。2.1.3测定加光漂相关性法采用两个或多个光靶来实时测量激光的漂移量,然后据此对测量值进行修正以实现补偿。但是这种方法是以两测试量点的光漂相关性降低。在测量中还会引入基准复位误差,该方法以真实大气中光线直线传播为依据,主要的目的是抑制光漂,没有考虑光线弯曲和大气抖动的影响,随着测量距离的增加,将引入较大的光漂修正误差。2.1.4消除光照漂漂靠监测激光束前后两处光束漂移,反馈控制出射光束的方向、位置,使前后两处光束回到起始位置,从而起到抑制光漂的作用。该方法仍然以真实大气中光线直线传播假设为依据,忽视了光线弯曲和随机抖动的影响。由于该系统不具备区分光漂和抖动的能力,随测量距离的增加,会误将抖动认为作光漂,导致测程中部光束随机抖动加剧。2.1.5基于光场分布监测的准直法这种方法是利用了光的干涉、衍射对平漂不敏感这一特性来抑制光漂的。如用杨氏双缝干涉在空间形成的零级亮纹中心作准直基线进行测量;又如相位板法,也称非对称法,最早由美国学者H.D.Betz提出,可实现一维或二维准直,其测量原理是:相位板使部分光相位相差π,经相位板后图形中间为一暗线,可用于对准。清华大学按此原理研制的准直仪精度为10-6。由于这种方法使用了干涉、衍射图形,因而受环境影响较大,准直距离不能很长,更适合实验室使用。这类基于光场分布监测的方法在克服激光漂移及光强不对称分布的影响方面起到了较好的效果。然而对大气扰动的影响仍无法解决。2.2基于相位观测方法，即传感器反映了相位变化2.2.1双束光反射镜拍摄如图1所示,传感器为渥拉斯顿棱镜,因不直度使渥拉斯顿棱镜偏离了光轴,频率为f1,f2的两束光由此产生多普勒频差,改变了回光信号的拍频,准直基线是双面反射镜的角平分面,此方案受大气扰动影响略小,但为一维测量,设备贵,其精度受双面反射镜平面度影响较大。2.2.2激光干涉法天津大学精仪系研制的准直仪利用了楔形分光板的倾斜引起的光程差变化,即条纹移动,来进行准直测量。测量原理如图2所示。2.2.3激光出现光漂的方法英国的R.J.King利用旋光现象进行激光准直。与被测件相连的两石英光楔构成的平板,两光楔分别为左,右旋。在沿垂直方向移动时产生光矢量的旋转,其旋转量与移动量成正比,由于以检测偏振角代替检测线位移,可获得很高的灵敏度。若激光束有漂移,则两次通过光楔的光旋角相等,旋向相反,起到了抑制光漂的作用。前两种方法在克服激光漂移的影响方面有较好的效果;当两束光靠得很近时,对大气扰动的影响也能有所减轻。而旋光法测量灵敏度高;其另一个优点是它的测量元件可在光路中移进移出,这个特点可使它应用于同轴度测量。2.2.4空气扰动和噪声一种在克服大气扰动方面成效显著的方案是采用自适应准直技术,这是将自适应消噪的理论与方法用于激光准直测量。采用足够靠近的相邻光束,其中一束用于测量,另一束则专用于采集噪声。由于两束光靠得很近,大气扰动引起的随即噪声在二路信号中是相关的。通过有序地采集数据并按一定的算法,可能在相当程度上去除噪声,提高准直基线的稳定性。自适应准直技术综合考虑了光束漂移、光线弯曲和随机抖动三种误差相互作用的影响,使三种误差因素同时得到修正。如将其与双频激光准直法、旋光法等结合起来,可使得准直精度、可靠性、稳定性均得到改进。2.2.5空气扰动测量系统相对于自适应准直技术,该方法中测量光与补偿光是完全共路的。测量原理如图3所示,在测量过程中,角锥棱镜随着被测导轨运动,当存在空气扰动时,从角锥棱镜反射回来的光就会带有角度漂移信息,从而引起探测器PSD上的电信号发生变化。根据PSD探测到的角度漂移,再结合测量距离大小,可以对四象限探测中由于空气扰动带来的附加位置误差进行实时修正。此系统能用于长距离直线度测量,并能实时补偿空气扰动所带来的附加位置误差。但此系统采用的方案只能补偿空气扰动所带来的角度漂移。此系统还可补偿激光器本身带来的角漂,从而提高直线度测量的精度。3温度梯度的影响大气折射率梯度导致激光束发生弯曲。大气折射率梯度主要是由温度梯度决定的,气压梯度及水蒸气梯度的影响远小于前者。又由于水平方向的折射率梯度一般比垂直方向小得多,因此可以仅考虑垂直方向上温度梯度的影响。如图4所示,通常用圆弧来近似光线的实际轨道,温度梯度所引起的光束弯曲的曲率半径均为式中,L为传播路径。在准直测量中总是以光线两端作为基准的(AB连线),根据几何关系,可以方便地求出光线的实际弯曲量ω:3.1单参数测量法该方法通过对温度、压力梯度等参数的测量来计算折射率梯度,方法简单,精度主要受温度、压力传感器精度及响应速度的影响。3.2折射梯度测量根据不同波长的光在传播过程中弯曲不同,由激光器发出两种不同波长的光,测量同时由同一点发出的两个波长的光在传播一段距离后彼此分开的量可求出折射率梯度。这种方法适用于修正几公里以上的长距离测量。3.3分散法的反演可通过测量强大激光反向散射而发生的频率移动来求光线弯曲。即由测量空气介质调幅载波频率的偏差求得。3.4波面变形测量法空气折射率梯度导致平面电磁波波面变形,通过测量波面不同点处的相位差,可求出光线弯曲。将波面变形转换成相位测量,具有较高的灵敏度。4光束直径的测量大气湍流反映到对光传播的影响上,可分为光强闪烁、相位起伏、到达角起伏、波面畸变、光束漂移和扩展等。现有多种描述湍流本身及其对光传播影响的理论方法和模型,但这些方法都是以一系列有关大气环境的数学假设为基础的,往往只能针对一些特殊场合提出一些定性的描述。T.Chiba利用函数方程,并考虑kolmogorov湍流模型,得出了比较严格的表达式:式中,S为光斑抖动标准偏差,W0为光束半径,L为传播距离,Cn2为光传播问题中十分重要的折射率结构参数,Cn可由下式表示(设λ=0.6328µm):式中,P为气压(毫巴),T为温度(K),<>表示集平均,(T1-T2)表示工作路径上相距γ的两点的温差。Cn区域的划分如下:强湍流Cn>0.5·10-6;弱湍流Cn<0.8·10-8;中等湍流Cn在二者之间。一般工作大气均为中等湍流或弱湍流。根据(6)式推算,如果W0=5mm,L=1m,S约为0.03µm~1.8µm。从前面的分析可以看出,在准直测量中,光束太细会使光束抖动幅度增加。然而,光束太粗会造成光束本身质量的下降,并且使光靶测量灵敏度下降。研究表明,当d<<l0(d为光束直径,l0为湍流尺度),即光束直径远小于湍流尺度时,湍流的作用是使整个光束倾斜,光束在屏幕上随机抖动;当d≈l0,湍流的作用是使光束的截面发生随机倾斜;当d>>l0,光束截面内包含许多湍流元,光束发生分裂,导致光束质量下降,严重时会产生干涉条纹。光束分裂d>>l0所造成的能量中心抖动要比细光束d<<l0能量中心抖动要小,而光束波面倾斜d≈l0造成的抖动比前两者均小,因此,确定光束直径应满足:d/l0≥1。湍流越强,l0越小,l0范围为1~10㎜,如果是室内测量,湍流为中等或弱湍流,光束直径选择10㎜左右是比较合适的。目前降低大气扰动对激光准直影响的方法主要有两种:4.1低大气扰动的影响Harrison等人以及杭州大学建立了真空管道系统来降低大气扰动的影响;N.Ikawa等人也采用了光束屏蔽罩(距离短,但不抽真空)。这些研究都达到了比较高的精度,但是在生产现场使用屏蔽系统是非常不方便甚至是无法实现的。4.2测值稳定性测试T.Pfeifer等人认为在30秒至100秒内多次采样进行平均可以使测值稳定性大大提高。每点测量需30~100秒平均,使得整个测量时间大大加长。5激光准直技术的特点光漂、光线弯曲、随机抖动的低频成分基本相同,给误差分离带来了困难。在中短距离准直测量中,主要解决好光漂和抖动两个问题,而在长距离测量中还需解决弯曲问题。通过以上各种激光准直技术的介绍,可以看出,目前单