动态角测量方法研究进展

　　0 引 言

　　角度测量是几何量计量的重要内容，其中动态角度量的实时在线测量技术越来越受到重视，在精密加工制造、航天航空、军事及通信等领域中发挥着重要的作用。随着各种测量手段及技术的发展运用，各种角度测量方法相继被提出，测量分辨率和准确度有了很大的提高[1]。

　　角度测量可分为静态角测量和动态角测量。静态角是指在测量过程中被测角度量大小不随时间改变。传统的机械式测角法、电磁式测角法以及部分光学测角法等都可认为是静态角测量方法。 动态角是指在测量期间，被测角度量的大小随时间实时变化，其测量方法要求能够实时记录被测角在各个时间状态下的角度信息。目前已有的方法中，基于激光干涉及莫尔条纹技术的方法、基于位置敏感器件(positionsensitive device，PSD)和自准直技术的方法以及基于CCD 图像处理和计算机视觉技术的方法等[2-18]具有实时探测动态角度量的能力，可认为是动态角测量方法。值得注意的是，动态角的测量有别于角度的动态测量，如环形激光测角法属于典型的静态角度的动态测量方法，而不适用于测量动态角[19]。本文将结合上述3 类动态角度测量方法对动态角度测量技术及其研究进展进行介绍。

　　1 基于激光干涉及莫尔条纹技术的动态角测量方法

　　1.1 基于激光干涉技术的动态角测量方法

　　基于激光干涉技术的测角方法将被测角的变化转化成干涉光路中的光程差或条纹的相角变化，通过测量干涉信号得到角度信息，典型的有基于迈克尔逊干涉仪的角度测量方法、激光外差干涉角度测量法等[2-7]。基于迈克尔逊干涉仪的小角度测量方法系统结构如图1 所示， 光电探测器实时探测干涉条纹的变化即可计算出转台转角的变化。 转角很小的情况下，光程变化与角度的变化近似线性，可得到很高的精度。随着转角的增加，线性关系不再成立，导致各种误差急剧增大，测量范围限制在几度之内。

　　在此基础上发展起来的各种测量方法都致力于改善光路结构、 扩大测角范围和消除各种误差。天津大学用定值角代替迈克尔逊干涉仪中的2 个平面反射镜，设计出双定值角干涉仪测角系统，可在0°～360°范围内实现任意角度的高精度测量，测量不确定度优于0.3″[3]，但该方法定值角的加工难度较大，系统过于复杂不利于实际应用。文献[4]搭建显微干涉系统， 利用条纹分析技术求解物面倾角变化信息， 可一次得到面阵数据， 通过最小二乘法平抑误差，测量误差达±3nrad，但测角范围很小。

　　为加强干涉系统的抗干扰能力，提高测量精度，激光外差干涉角度测量方法发展起来[5-7]。如图 2，利用声光调制器AOM 产生频率为 f1、f2的两路光，各自经过测量光路形成拍频信号并由探测器D1、D2接收。当角锥棱镜R1、R2随被测角度变化时，干涉条纹发生相应的变化，由条纹相位信息解算出被测角度的变化[5]。其测量分辨率与两束测量光束间的距离 d有关，d 取 100 mm 时，角度测量分辨率达 0.000 6″，测量范围达±10°，该方法能较好进行动态角度的实时测量。哈尔滨大学在此原理基础上设计出双频激光楔形平板干涉法测量系统[6]，可测量 360°范围内的转角，分辨率达 0.1″。为消除 90°和 270°两个死点，采用相互垂直的两套光路，结构十分复杂，光路装调难度大，实际应用中受到限制。