[发明专利]自适应直线度测量方法及其装置

说明书

本发明属于直线度的光学测量技术领域。

直线度测量的关键是提供一个稳定的直线基准。以准直激光光线作基准是目前最常用的方法。激光准直中，产生误差的主要因素有激光光束漂移、光线弯曲和随机抖动。三者互相影响，互相牵联。以往在这方面的工作多是针对每个误差环节单独校正。修正光漂的方法有：对称光束法、干涉衍射法、光纤准直法、伺服控制法等等;修正弯曲主要是靠测量温度梯度进行数值补偿，修正抖动则靠多次测量平均。单独修正的缺点是对它们之间的相互作用考虑的不多，因而效果不十分理想。

1988年，航空部303所使用了定点监测、单板机补偿的准直方案建立直线基准。原理如图1。

假设t₁时刻激光束通过AC;t₂时刻漂到A′C′，根据A，C两处所测到的光束漂移量△l_A△l_C，由几何关系可求出测点B的光束漂移△l_B，从而进行修正。这种方法以A、C两处测量靶中心连线作基准，而不是直接以光束能量中心做基准，一旦A、C靶位置确定，A、C靶中心连线在空间的位置就被唯一确定。因为测量靶是不透明等，测量过程中只好将A、B、C三个测试靶依次推入，测远处的光漂时，需将近处的靶子拿开。这种方法的缺点是光漂监测和测量不能同时进行，由于换靶时间大于光束抖动周期，降低了A、B、C三点光漂相关性，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，没有考虑光线弯曲及抖动的影响，随着测量距离的增加，将引入较大的光漂修正误差。

为了对光漂进行实时修正，上海光机所使用了伺服控制准直技术，即通过监测激光束前后两处的光束漂移，反馈控制出射光束的方向、位置，使前后两处光束回到初始位置，从而起到抑制光漂的目的。这种方法仍以“光直线传播”为依据，而这一点只有在真空中或在各向同性均匀介质中才正确而在真实大气中是不成立的。忽略了光线弯曲和随机抖动的影响，只能保证监控点的稳定性，会误将抖动认为是光漂输入到反馈控制系统，导致中部光束抖动加剧。理论和实验都证明，监测点和测量点之间光漂关系随测量环境不同，而有所变化。而伺服控制系统却只能以同一种方式抑制光漂。没有对环境的适应能力。

本发明的目的在于克服上述测量方法的不足之处，综合考虑光束漂移、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，而且在测量之前引入自学习建模过程，具有对不同环境条件的自适应能力。保证了测量基准的稳定性，提高了直线测量的精度。

本发明提出一种自适应直线度测量方法，如图（2）所示。包括准直激光光源，用以产生准直激光光束，两个设置一定间距的A、B监测靶。这两个监测靶在测量中不动，它们的中心所确定的直线为测量基准，一个与测量物相联的测量靶（C）设置在所说的两监测靶所确定的直线上，其特征在于当激光光束通过所说的A、B、C靶时，同时对A、B、C三点采样，得到各点数据经过多元逐步回归方法建立的修正模型进行处理，消除光束漂移误差，测量过程中随时监测温度梯度值对光线弯曲进行实时修正。为进一步提高精度克服由大气抖动引起的误差，在上述方法中可添加一抖动监视靶D。该靶与测量靶C距离尽可能靠近，并固定在一基准面上使其在测量中位置保持不变。D点与A、B、C点同时采样，取C、D所采数据进行自适应除噪技术处理，以清除测量靶C的抖动噪声。

本发明所述测量方法的原理及步骤：

①A、B、C、D均为光电接收靶，它们按一定距离设置，使它们同时能接收到激光光源所发射出的光线;②在测量开始前，首先经A/D板对A、B、C、D四点采样，每点取n个采样值取平均后输出，每次采样之前，由计算机通过I/O口向各点的采样保持器同时发送保持信号，以保证A/D所采到的各点信号是同一时刻的瞬时值。③根据采样平均值用多元逐步回归方法建立光漂修正模型：如式（1）

Xc＝Xc_测-b₁X_A测-b₂X_B测

X_D＝X_D测-a₁X_A测-a₂X_B测（1）