NOVEL METHOD FOR ERROR ANALYSIS AND SELF-CALIBRATION OF LASER TRACKING MIRROR MECHANISM

Laser tracking system （LTS） is an advanced device for large size 3D coordinates measuring with the advantages of broad range, high speed and high accuracy. However, its measuring accuracy is highly dominated by the geometric errors of the tracking mirror mechanism. Proper calibration of LTS is essential prior to the use of it for metrology. A kinematics model that describes not only the motion but also the geometric variations of LTS is developed. Through error analysis of the proposed model, it is claimed that gimbals axis misalignments and tracking mirror center off-set are the key contributors to measuring errors of LTS. A self-calibration method is presented of calibrating LTS with planar constraints. Various calibration strategies utilizing single-plane and multiple-plane constraints are proposed for different situations. For each calibration strategy, issues about the error parameter estimation of LTS are exploded to find out in which conditions these parameters can be uniquely estimated. Moreover, these conditions reveal the applicability of the planar constraints to LTS self-calibration. Intensive studies have been made to check validity of the theoretical results. The results show that the measuring accuracy of LTS has increased by 5 times since this technique for calibration is used.

基于深度降噪卷积神经网络的宽波段共相检测研究

拼接镜的共相误差检测是当前科学研究的热点问题之一,基于宽波段光源的共相检测技术解决了夏克哈特曼法由于目标流量低引起的测量时间长的问题,从而提升了piston误差的检测精度和量程。然而,当前宽波段算法在实际应用中,由于复杂的环境以及相机扰动等干扰因素的存在导致获取的圆形孔径衍射图像含有一定量的噪声,从而导致相关系数值低于设定阈值,最终使该方法精度降低,甚至失效。针对这一问题,本文提出将基于深度降噪卷积神经网络(DnCNN)的算法集成到宽波段算法中,以实现对噪声干扰的控制,并保留远场图像的相位信息。首先,将使用MATLAB获得的圆孔衍射图像作为DnCNN的训练数据,然后,将不同噪声水平的图像导入到训练好的降噪模型中,即可得到降噪后的图像以及降噪前、后圆孔衍射图像的峰值信噪比和二者与清晰无噪声图像间的结构相似度。结果表明:降噪处理后的图像与理想清晰图像之间的平均结构相似度较处理之前有了明显提升,获得了理想的降噪效果,有效增强了宽波段算法在高噪声条件下的应对能力。该研究对于探索用于实际共相检测环境宽波段光源算法具有较强的理论意义和应用价值。

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定误差分析

为满足各类装备平台对反射镜式光电系统光路内嵌复合轴高精度稳定的需求,针对实际研制中各类误差源相互耦合难以控制的难题,文中基于反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定的原理,从理论上分析了快速反射镜角度与瞄准线角度关系线性化、陀螺和快速反射镜安装正交性误差以及快速反射镜测角精度对系统瞄准线稳定误差的影响,建立了瞄准线稳定误差与上述影响因素之间量化数学模型,并根据量化模型开展了计算仿真实验。仿真结果表明,在瞄准线稳定误差要求为2μrad级别时,快速反射镜角度与瞄准线偏转角度关系不能采用简化的线性化处理,陀螺安装误差应小于0.005 mrad,快速反射镜的安装误差应小于0.003 mrad,快速反射镜的测角精度应达到0.001 mrad。在实际应用中,在保证快速反射镜测角精度的基础上,应对陀螺和快速反射镜安装误差进行校准补偿,确保陀螺和快速反射镜安装误差产生的瞄准线稳定误差绝对值之和小于瞄准线稳定精度要求。

基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。

激光跟踪仪转镜倾斜误差的标定及修正

为了提高激光跟踪仪的测量精度,分析了跟踪仪的几何结构误差,重点研究了其转镜倾斜误差的标定和修正方法。利用矢量分析和坐标转换相结合的方法建立了跟踪仪转镜倾斜误差模型,推导出了跟踪仪几何空间坐标修正公式,并基于自准直仪、多面棱体和可调反射镜建立了高精度误差标定装置。利用标定装置分析了误差标定方法,通过系统仿真研究了转镜倾斜误差对系统测角误差及最终坐标测量误差的影响。利用误差标定实验检测出的系统转镜倾斜误差约为4″,将其带入坐标修正公式,并与修正前的坐标进行了比对分析。对比结果显示,经误差修正后系统空间坐标测量误差可减小约2×10-6,验证了转镜倾斜误差标定和误差修正方法的有效性,表明利用该方法可在不改变系统硬件结构的基础上提高测量系统的测量精度。

X射线衍射和散射光束线环面聚焦镜的面形精度与像差分析

介绍了用于NSRL的X射线衍射和散射光束线中环面聚焦镜的成像原理和基本结构,分析计算了各种像差和面形精度对成像质量的影响,重点描述了镜子因受力弯曲在子午方向的曲率变化与理论值的误差以及反射表面受同步辐射光照射而产生的热载变形,进而求得实验样品上束斑成像的高度。最后用CCD探测实际光斑的尺寸,结果表明:理论计算与实测数据非常吻合。

高能激光反射镜热变形补偿

研制了一套由压电陶瓷驱动器、压力传感器、环状力施加机构和控制电路组成的反射镜动态热变形补偿系统用于补偿激光反射镜热变形球差。圆形反射镜在两个同轴不同半径的环形力作用下,其内环区域产生曲率可变的抛物面形变,由此补偿反射镜热变形带来的球差项。对镜体进行了有限元数值计算,建立了变形量与沉积热量与受力的关系。采用口径为100mm,厚度为8mm平面反射镜进行了受力-变形以及辐照-受力-变形实验,利用干涉仪对面型进行监测。研究表明,在不同推力作用下,有效区域内变形始终保持抛物面形。给出了推力-面型变化曲线,在225N推力下,中心最大变形超过3μm。在不同热沉积量下,镜体中心位移和受力保持线性关系,力-变形系数为0.013μm/N。

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

介绍了一种基于三反消像散系统的大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上对子出瞳波前进行了像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构;通过高次曲面平衡像差,并在结构优化时使用较小F数的系统增加结构对子镜失调误差的冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距为44 m,f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°×0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。

主次镜系统的计算机辅助装调

为了实现大口径望远镜系统的装调,提高其光学成像质量,研究了望远镜装调像差和计算机辅助装调技术。首先针对RC式望远镜系统,分析了装调过程中由于次镜偏心和倾斜导致系统模型产生的扰动误差。针对实际调整过程中选择零彗差点和曲率中心作为旋转中心进行调整的特点,分析了这两个旋转点的选择对系统像差和指向精度的影响。然后结合计算机辅助装调原理,研究了关于恒定彗差、线性像散与模型相关的灵敏度矩阵的特殊形式,结合波像差理论与光学软件Code V模型仿真来实现装调技术。最后,针对1 m级望远镜系统进行了安装调整。实验结果表明:装调后系统的RMS达到了0.144 5λ,大大优于装调前的1.214λ,证实了该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。

拼接误差对拼接式大口径反射镜成像质量的影响

以由七片边长为0.5m的正六边形子镜组成的拼接式大口径反射镜为例,理论分析和数值模拟各种拼接误差对成像质量的影响.利用傅里叶变换的特殊性质简化求解大反射镜的点扩散函数过程并推导各种误差下的解析表达式.采用快速傅里叶变换数值模拟边缘失配误差、平移误差及倾斜误差情况下的点扩散函数,并根据光学系统的成像原理模拟成像效果.结果表明,边缘失配误差对成像质量无影响,而平移误差影响较大,倾斜误差影响相对较小.

应用多模式组合加工技术修正大口径非球面环带误差

为了满足大口径非球面光学元件加工的需求,提出了用多模式组合加工(MCM)技术修正大口径非球面反射镜环带误差的方法。本文讨论的MCM技术以经典加工工艺为基础,采用抛光盘的多工位加工和抛光模式的组合完成光学元件的抛光,实现对光学表面中低频段误差的有效控制。介绍了MCM技术的重要组成部分JP-01抛光机械手的工作原理,分析了MCM的工作模式。采用MCM技术对Φ1230mm的非球面反射镜进行环带误差的修正,给出了镜面面形检测结果。实验结果表明,MCM技术可以有效地控制光学表面的中低频误差,使光学表面误差得到有效收敛,从而显著提高抛光效率。目前,采用MCM技术加工1～2m口径的同轴非球面,其精度可以达到30nm(RMS)。

大口径主镜轴向支撑点位置优化分析

光电系统中,主镜轴向支撑点位置对面形精度起着非常重要的作用,主镜支撑点位置合理与否,在一定程度上影响着光学系统的成像质量。研究了镜面变形与径厚比的关系以及如何确定不同口径主镜的支撑点的数目,利用有限元法对不同口径主镜的支撑位置进行优化设计,给出了最佳支撑点的位置。

几何量测量技术进展

为将排列互比法用于超精测角研究、大型机械零部件形位误差在位测量技术研究及非球面主镜面形误差测量技术研究等几何量测量课题,在理论分析及实验验证的基础上推导出了排列互比法理论公式及系统误差产生的原因,在优化组合传统检验方法的基础上提出了大型机械零部件形位误差测量方案,并解决了Φ4.5m×5m高精度机架测量难题,采用拼接技术、哈特曼技术及补偿技术等解决了Φ1.8m大口径非球面主镜面形误差测量难题。

大口径空间光学反射镜面形动力学响应分析

反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素,随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低,从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而,遥感器在轨工作状态下,星上具有多种振动源,如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响,提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态,其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合,并得到一组泽尼克系数。然后,通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差,该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义,所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。

拼接镜面合成孔径光学系统的像质评价

拼接镜面合成孔径光学系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论来拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质。对比了两种像质评估的方法:其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅进行叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPIXP干涉仪对两种方法计算的像质进行了验证和对比。结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射极限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小。

一种改进DV-HOP无线传感器网络定位算法

针对大型网络不规则性及翻转歧义造成距离向量-跳段(DV-HOP)定位算法性能较差的问题,提出了一种改进的DV-HOP定位算法。针对不规则网络,提出了一种基于节点密度的误差修正方法。网络区域部署节点数量大,节点翻转歧义误差不可避免,故提出了一种基于半圆模型的定位误差修正方法。仿真实验表明:本文改进算法比现有改进算法的定位精度提高了6%,并且能够有效地弱化翻转歧义造成的误差,因此能够较好地实现对未知节点的实时精准定位。

X射线环面聚焦镜压弯调整与面形测量

长条形柱面镜在一特制机构中压弯成环面镜，用以水平和垂直两个方向上聚焦同步辐射，是Ｘ射线光束线中常用的成像装置。压弯后的镜面精度直接影响成像质量。合肥Ｘ射线衍射光束线上的环面聚焦镜由德国ＺＩＥＳＳ公司生产的柱面镜，配以国内自行研制的压弯机构，最后在法国ＥＳＲＦ对实验室组合、调试和测量。结果可见，压弯半径随载荷增加而减小，三个循环的重复度＜２％，面形误差＜５μｒａｄ。

空间光通信中的快速倾斜镜精跟踪实验系统

针对在空间光通信中影响ATP系统跟瞄精度的主要因素,提出了采用提高精跟踪控制系统 闭环带宽来保证系统跟瞄精度的方法。实验系统包括激光光源、四象限光电探测器、压电陶瓷驱动的快速倾斜镜和计算机等,实验结果表明,系统闭环带宽达到600Hz以上,有效地抑制了平台扰动误差,使跟瞄精度达到5μrad。

干涉光谱仪动镜倾斜误差容限分析

本文从调制度和相位误差角度，系统分析了双光束干涉光谱仪中，当光束孔径为圆形和矩形时，动镜运动过程中发生倾斜的影响，讨论了动镜倾斜容限以及减小动镜倾斜误差的方法．

傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜和动态校准研究

分析了迈克尔逊干涉仪中动镜和定镜在圆形通光孔径情况下动镜在扫描过程中倾斜对干涉调制度的影响.为满足干涉调制度要求,理论计算发现动镜倾斜角度需控制在1″以内,对应的相位误差为±6.6°以内.为了解决此问题,使动镜和定镜保持准直,采用定镜动态校准系统对动镜倾斜误差进行校准.实验结果表明,校准后的XR和YR相位误差的均方根分别为1.02°和1.25°,满足系统要求.动态校准系统能够有效地校准动镜长距离运动过程中发生的倾斜误差,对高分辨光谱仪的设计和研制具有一定的指导意义.