大气湍流对激光校准轴系的影响

　　大型轴系(长度大于5m,直径大于500mm)对中检测技术是轴系装配、调试、检修过程中的“瓶颈”问题,制约着系统精度和工作效率的提高。在采用位置敏感探测器(PSD)技术与激光技术相结合实现大型轴系对中检测的方法中[1-2],由半导体激光器产生一束准直光作为基准线,由于激光通过大气传输时,不仅因大气散射和吸收使光能衰减,而且还受到大气湍流的严重影响[3],使激光特性在时间和空间上都不断地呈现随机起伏。这种大气湍流效应在现象上表现为:光束时间随机延迟;光束的扩散与漂移;光强度的闪烁。在这些大气湍流的效应里,对于激光轴系校准而言,光束随机时间延迟可以忽略;采用PSD测量光斑重心对光强不敏感,因此光强度的闪烁和光束的扩散对轴系校准来说几乎没有影响。下面将重点分析激光束漂移对测量精度的影响并给出实时补偿激光束漂移的校正方法。

　　1 大气湍流对激光传输的影响

　　1.1 大气湍流模型

　　激光束通过湍流大气时,当湍流涡旋的尺度小于激光束的线径,即2ω/lm1时,光束截面内包含许多湍流漩涡,引起光束强度起伏、相位起伏、光束扩展;当湍流涡旋的尺度等于激光束的线径,即2ω/l≈1时,湍流使光束截面随机偏转,形成到达角起伏;当湍流涡旋的尺度大于激光束的线径,即2ω/ln1时,湍流主要引起光束随机漂移,湍流强度用大气湍流结构参数表示,它随高度增加而减弱,在夜间和清晨湍流很弱,随太阳升起,湍流迅速增大。对于整层大气可用哈夫纳哥(Hufnagel)湍流模型进行计算,在近地面符合高度的-2/3幂次规律[4],即

　　其规律曲线如图1所示,从曲线可知在近地面湍流强度较大,可达10^-15量级,属于强湍流范围。

　　1.2 漂移量的计算方法

　　大气湍流效应是大气湍流的无规则涡旋运动,它使得在其间传输的激光光波特性不断随机改变。大气运动的形式有层流和湍流。层流是流体质点做无规则的稳定流动,在一个薄层内大气质点的流速和流向都较为稳定,各运动气层间也不发生混合。湍流则是些大小不一的涡旋的无规则运动,它使得大气中局部的参数,例如温度、压强、速度和折射率等,产生随空间位置和时间的随机变化。描述这些变化的物理量是时间和空间的随机变量,它们围绕某一平均值随机起伏,故需要用统计方法来描述,因此用光束重心漂移方差来衡量漂移量大小。由于轴系检测为近地面测量,可假设在传输路径上各向同性,即大气湍流结构参数为常数C²_n,根据Mellin变换漂移方差[5]可表示为

　　式中:c²_n为大气湍流结构常数;z为光束传输距离;D为发射光学系统直径。由(2)式计算得到漂移方差曲线如图2所示。在传输距离为z=30m,大气湍流结构常数c²_n=6.3496x10^-15,发射光学系统直径D=0.001m时,从图中可知漂移方差可达X2=3x10^-9m²,漂移半径可达X=0.055mm,因此必须对漂移进行校正。