激光準(zhǔn)直光束漂移快速反饋補(bǔ)償技術(shù)研究.pdf

1、隨著精密加工在線監(jiān)測(cè)和光通信光學(xué)跟蹤瞄準(zhǔn)等技術(shù)的迅猛發(fā)展,超精密激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越多,尤其是在精密工程方面,高穩(wěn)定性的激光光束參考基準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)精密激光測(cè)量和精密加工的保證,這對(duì)現(xiàn)有激光準(zhǔn)直技術(shù)有更多期待的同時(shí)也對(duì)其提出了更高、更嚴(yán)格的性能要求;但另一方面,由于激光存在低頻光束漂移和中高頻光斑抖動(dòng)引起的紋波誤差,對(duì)精密激光測(cè)量的影響十分嚴(yán)重,也成為限制超精密激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙。
　　課題“激光準(zhǔn)直光束漂移快速

2、反饋補(bǔ)償技術(shù)研究”的目的是探討一種基于光束漂移的均值濾波提取算法和實(shí)時(shí)反饋補(bǔ)償技術(shù)來(lái)改善激光準(zhǔn)直測(cè)量穩(wěn)定性的方法,解決目前由于存在光束漂移等動(dòng)態(tài)誤差顯著影響激光準(zhǔn)直測(cè)量穩(wěn)定性的問(wèn)題。本課題的技術(shù)難點(diǎn)在于:上述光學(xué)動(dòng)態(tài)誤差是伴隨著測(cè)量光束不可避免的現(xiàn)象,而引起上述動(dòng)態(tài)誤差的諸多因素大都具有隨機(jī)性和不確定性,難以用數(shù)學(xué)建模和軟件補(bǔ)償方法對(duì)其進(jìn)行校正;為了進(jìn)一步提高激光準(zhǔn)直光束的測(cè)量穩(wěn)定性,通過(guò)反饋控制方式對(duì)上述光束漂移進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,這要求系

3、統(tǒng)對(duì)光束漂移具有良好的檢測(cè)精度和快速穩(wěn)定的反饋補(bǔ)償能力。
　　本文提出基于光束漂移均值濾波提取算法和反饋補(bǔ)償技術(shù)以改善激光準(zhǔn)直測(cè)量穩(wěn)定性水平的方法。對(duì)激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)中光學(xué)漂移誤差的產(chǎn)生機(jī)理、QPD檢測(cè)光束偏移原理、光束漂移形式、光束漂移分離檢測(cè)及其控制方法等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討,構(gòu)建了準(zhǔn)直光束漂移檢測(cè)、提取和閉環(huán)反饋補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng),用滑動(dòng)均值濾波方法去除測(cè)量信號(hào)中的高頻噪聲,以有效地提取其中的光束漂移信號(hào),用快速壓電偏轉(zhuǎn)鏡對(duì)光束漂

4、移進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋補(bǔ)償?shù)姆椒?以期達(dá)到抑制光束動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)而提高激光準(zhǔn)直測(cè)量的穩(wěn)定性水平的目的。
　　課題還分析并研制了小慣量二維柔性快速偏轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu),通過(guò)對(duì)影響其工作頻率的因素進(jìn)行深入分析,表明材料屬性、結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)、負(fù)載情況、作用臂長(zhǎng)和預(yù)緊力等因素均會(huì)對(duì)柔性偏轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)的工作頻率特性產(chǎn)生顯著影響。結(jié)合有限元分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改技術(shù)來(lái)優(yōu)化和改善該偏轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)的工作頻率參量,實(shí)測(cè)其前兩階固有頻率分別為1035Hz和1050Hz,有限元仿真其疲

5、勞壽命達(dá)到1.4×108周次,設(shè)計(jì)了二級(jí)縮小式柔性偏轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)以改善其工作性能,有限元仿真其固有頻率達(dá)到5190Hz。
　　同時(shí)建立了基于機(jī)電耦合模型的壓電偏轉(zhuǎn)鏡的快速控制策略,通過(guò)對(duì)該壓電偏轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)的機(jī)電耦合模型進(jìn)行了深入分析,推導(dǎo)出該系統(tǒng)的控制方程,采用“增量式PID+前饋控制+滑動(dòng)均值濾波”的快速?gòu)?fù)合控制策略可以提高該機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)跟蹤能力且能保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定,并對(duì)其控制特性進(jìn)行了仿真分析,表明該壓電偏轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)對(duì)類似前述的光束漂移

6、等動(dòng)態(tài)誤差信號(hào)具有良好的跟蹤能力。
　　搭建了激光準(zhǔn)直光束漂移檢測(cè)、提取和反饋補(bǔ)償控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并對(duì)其中各個(gè)主要環(huán)節(jié)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,包括:PZT性能測(cè)試、壓電驅(qū)動(dòng)電源性能測(cè)試、壓電偏轉(zhuǎn)鏡性能測(cè)試、QPD光電檢測(cè)電路性能測(cè)試、光束動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試等實(shí)驗(yàn),在此基礎(chǔ)上對(duì)激光準(zhǔn)直中的光束漂移進(jìn)行精密檢測(cè)和閉環(huán)反饋補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在恒溫恒濕隔振的精密實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,使用JDSU的He-Ne激光器作為激光準(zhǔn)直測(cè)量光束,在140s內(nèi)1m準(zhǔn)直距