自适应原则在激光准直仪中的应用

　  根据大气特征和实验结果并吸收了前人的经验,在光电仪器设计中应遵从光学自适应原则[1]:在构成光学系统时不但要构成测量信号的载体,还要设法实现对于噪声(扰动)的实时或短时间的预报和补偿。从测量系统的响应函数出发,将这一原则推广到其他精密测量系统[2]。提出对主要噪声因子应实现自适应设计。自适应设计的准则是

其中f为测量系统的响应函数,SJ为主要噪声因子。本文将以激光准直仪的设计为例,详细介绍利用这一原则寻找主要噪声因子,并对主要噪声因子实现自适应设计,取得更好的测量效果。

1　激光准直仪存在的问题

发明激光准直仪已有30多年,但其效果并不象人们所想的那么好。主要是激光器本身引起的光束平漂、角漂和空气折射率不均匀引起光线弯曲[3]。激光准直仪有各种方案,在众多的方案中HP公司和Renishaw公司的产品在分辨率和稳定性方面表现出明显的优势。但也存在明显的问题:由于正交偏振的两束光是用渥拉斯顿棱镜分开,反射体必须用两个平面镜。这样测量元件到反射体的距离既不能太大,也不能太小,太大光束分开超过了反射体,太小两光束没有分开,可测量最大距离和最小距离之比约为10∶1。最大距离是由反射镜的尺寸所限,最小距离是由光束直径决定的。小于最小距离的部分通常称为近程死区。另外,在测量过程中系统不允许将测量元件移出光路之外,因此无法用于同轴度测量。由于Renishaw公司的方案同HP公司的双频激光准直仪基本相同,方案讨论仅以双频激光准直仪和旋光准直仪比较。它们的原理图分别如图1和图2所示。两个方案传感元件都是渥拉斯顿棱镜,所不同的是双频激光准直仪用的是n0和ne,旋光准直仪用的是nR和nL,对渥拉斯顿棱镜,两正交偏振态的光分开角度

α和δ如图1所示,Δn为n0与ne或nR与nL之差。

由于nR与nL之差远小于n0与ne之差,所以对旋光准直仪分开角度α非常小,实际两光束没有分开。反射体用了猫眼系统。

　　旋光准直仪的原始方案是单光束的,它可以消除光束平移产生的误差。图2是改进后的方案,它部分补偿了光束角漂产生的误差,其补偿效果同补偿元件到测量元件的距离有关,理想平均补偿效果为把原来的影响减小到50%,实际效果稍差些[3]。在此光学系统的基础上,后来加进自适应消噪技术,使效果接近理想效果,但由于理想效果并不高,所以稳定性改善不多。

测量原理相同的双频激光准直仪比旋光准直仪则稳定得多,对HP公司方案的分析表明,此方案不仅在原理上消除了光束平漂对测量的影响,也消除了光束角漂对测量的影响。