外置式激光跟踪测距系统球形跟踪伺服机构的研究

　　目前激光跟踪测量系统大都采用一体化的结构,即直接转动激光器和干涉系统达到测量过程中光路不间断的目的。这样的测量系统实现比较容易,但必须对整个系统统一进行设计,现有的激光干涉仪无法实现跟踪测量。这是因为要控制完整的激光干涉仪转动以实现光线的跟踪难度很大,仪器的自重较重、转动惯量大、重心随仪器型号各异等严重影响跟踪性能。因此研究独立于激光干涉仪的跟踪系统———外置式跟踪测量系统非常有意义。设计高精度、高动态性能的跟踪伺服机构是实现系统的关键技术。在国内外的一些文献中都提到了跟踪伺服机构对整套跟踪测量系统的重要性,但都未涉及跟踪伺服机构的设计,也一直没有合理可靠的跟踪仪模型,我们根据国内外激光干涉跟踪测量系统发展情况,试验研究了一种新的球形跟踪伺服机构,配合激光干涉仪实现了无导轨精密测距的方法。

　　1　激光跟踪测量系统的测量原理

　　双频激光干涉仪是一种增量式测量仪器,测量过程中必须保持测量信号连续,不允许中断。双频激光干涉仪的测量原理请参阅参考文献[1]。一般情况下,采用导轨导向来完成测量,但在很多测量场合,由于无法使用导轨,无法使用激光干涉仪这一高精度的基准完成测量任务。在采用导轨导向来完成激光干涉测量时,若被测位移为AB,则测量反射镜在导轨上由A移动到B。实际上准直后的激光束可视为平面波,如图1所示。与A点距离等于AB的点在以A为圆心AB为半径的圆上,这个圆是平面波在旋转时形成的等相位面,可以划出一系列这种等相位圆。从三维来讲,这些等相位面是以A为中心的球面,位移由A经任意点C到B,和由A经D到B,相位的变化是一样的,即由A到B的路线可以是任意的。图1为两维情况下的等相位面,三维情况下等相位面是一系列以A为球心的球面,结论是相同的。因此测量两点间的距离只与两点间的光程差有关,而与测量反射镜移动的路线无关[2]。由于激光干涉仪是增量式测量仪,测量过程中测量信号不应中断,如果设计一个使测量光束跟踪测量反射镜的跟踪系统,就可以实现信号不中断,完成无导轨测距。

　　为解决测量信号不中断,在干涉仪测量光路中设置一个被称为球形跟踪伺服机构的装置,球形跟踪伺服机构的球心处安装平面反射镜,使测量光束在镜面上反射,这个反射镜可绕通过镜面中心的水平线和垂直线为轴旋转.当测量反射镜被人为移动时,返回的测量光束偏离原位置,这个偏离被检测出来,经光束测控系统驱动球形跟踪伺服机构旋转,使光束回到原位置,保持测量信号不中断.实验证明双频激光干涉仪测量光束和参考光束的光斑只要有40%重合,即可正常测量,因而容许在跟踪过程中测量光束有约1 mm~2 mm甚至更大的偏移,即容许有一定的动态跟踪误差。因此方案是可能实现的。为了跟踪比较容易实现,要求平面镜的镜面中心与球形跟踪机构的旋转中心(即球心)重合,这样有利于安装过程中的调试。分别完成测量光束两个方向的跟踪。