CN1017090B - 自适应直线度测量方法及其装置 - Google Patents
自适应直线度测量方法及其装置Info
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Abstract
一种自适应直线度测量方法及其装置，属于直线度的光学测量技术领域。本发明所述方法是在测量现场采集数据利用多元逐步回归方法，建立适合当时当地条件的模型，并以自适应除噪技术以及对测试区温度梯度的监测达到消除测量中由于光束本身的漂移、抖动、弯曲造成的误差，以保证测量基准的稳定性，提高直线测量的精度。本发明所述装置是在准直光束路径上设置两个以上固定的监测靶，一个与被测物相连的测试靶，同时对各靶多次采样取平均值后进行计算机数据处理，并实时输出测试结果。
Description
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△lA△lC，由几何关系可求出测点B的光束漂移△lB，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-b1XA测-b2XB测
XD＝XD测-a1XA测-a2XB测（1）
上式中，b1b2a1a2为回归系数，XA测XB测Xc测XD测为A、B、C、D点的采样平均值，XcXD为修正后的输出值。
④用自适应除噪技术除去Xc中所包含的噪声KX得到：
Xc1＝Xc-K
D（2）
⑤按等距在测试区设置一定数量的温度测量点，取10次平均后输出，建立弯曲修正模型。从Xc中减去光线弯曲引入的误差δ得到最终输出结果Xc。
Xc2＝Xc1-δ （3）
当空气干扰不大的情况下，可不用抖动监测靶D则上述第四步骤可以省去。
本发明采用的这种直线度测量方法，因建立模型所用数据是在测试现场采集的，数据中包含了影响准直的各误差因素，即光漂、光线弯曲和随机抖动及其相互影响，而回归方程就是建立在这些数据的基础上的，因此它能综合体现准直误差及其内在联系。这样的模型也一定能正确描述当时的环境影响，直接得到实际测量值。监测靶D与测量靶C靠得很近，利用抖动噪声具有一定相关性这一特点，使用自适应消噪技术消除大气抖动噪声。自适应消噪原理如图3所示。图中的两个传感器中一个为主输入，它的测量信息有主噪声no和被其淹没的信号S，即输入为S+no，另一个为参考输入，其中主要包括与主噪声no有关的噪声n。参考输入n进入自适应滤波且后的输出y，经过和主输入S+no相减，得到系统输出c＝s+no-y。若no＝y，系统输出就是有效信号S，当no与y十分相近时，系统输出就是有效信号S与残余干扰量no-y之和。为使此残余干扰量达最小，将系统的输出反馈到自适应滤波器，用最小二乘法随时调整滤波器中的加权值，使系统的总输出功率达最小，由于信号功率保持不变，系统输出端的信噪比达最大。经计算得到自适应滤波器的最佳权向量为：
滤波器j时刻的输出Cj为：
Cj＝（s+no）-
j·
j （7）
使用最小二乘迭代算法，可容易地求出最佳权向量
，达到自适应除噪的目的。
在激光准直方案中，C靶的输入作为主输入，它包含有信号和噪声。D靶的输入作为参考输入，主要用于测量噪声，在长距离激光准直中，产生噪声的一个主要因素是大气抖动，据大气特性方向面的研究资料介绍，大气湍流经常包含大尺度的气团，使得大气场成为非平稳的和非均匀的各向异性场，而在大气团内部，可以认为是均匀的和各向同性的，称为局部均匀的各向同性随机场。以此观点为依据，选择参考靶D使其尽量靠近测量靶C，当D、C接收到的光信号在一个气团内时，C与D的抖动噪声有一定的相关性，用自适应除噪技术可在一定程度上抑制抖动噪声。经典理论及统计学计算结果表明，当在光线传播路径上存在温度梯度时，光线传播呈二次曲线，光线弯曲及抖动与距离的平方成正比，因此只要测得各点的温度梯度，即可算出光线弯曲引起的误差。
y＝1/2 dn/dT·dT/dy L2（8）
式中 n为空气折射率
T为空气温度
dT/dy为空气温度梯度 L为测量点之间的距离
dn/dT有现成的公式可计算。
本发明设计出采用上述自适应直线度测量方法的测量装置。包括激光光源及分光部件，光电接收部件，测温部件，信号处理单元，数据输出部件，其特征在于所说光电接收部件是在准直光路中的测量区设置两个以上监测靶和与被测物相连的测试靶，所说的信号处理单元是对监测靶及测试靶同时、多次采集的数据用多元回归方法及自适应除噪技术进行处理，用于实时修正光漂及光抖动误差，所
说的测温部件是在该测量区中等距设置3个以上测温元件，得到的误差数据送到信号处理单元，用以实时修正光线弯曲度。
附图说明：
图1 为已有技术测量方法示意图
图2 为本发明的测量方法示意图
图3 为自适应消噪声原理图
图4 为本发明的装置总体结构图
图5 为本发明的实施方案装置图 其中：[1]激光器[2]扩束系统[3]分光镜[4]温差传感器[5]光电接收靶[6]前置放大器[7]模拟开关[8]采样保持[9]加减运算[10]低通滤波[11]A/D转换[12]微型计算机（IBM/PC）[13]I/O口[14]RS 232通讯口[15]数字万用表[16]多路选择开关[17]信号接收[18]放大[19]整形
本发明设计的一种自适应直线度测量装置的基本实施例方案如图5所示，①选用带布儒斯特窗的低功耗气体脉冲激光器[1]为准直激光光源，其输出功率为0.02mw，它能保证多次分光后得到稳定的光强输出，且输出为交流信号，便于接收，有利于提高信噪比。②光电接收由A、B、C、D四个光电接收靶组成，其中A、B、C靶分别由设置在光路中的半透半反光学元件[3][3′][3″]与接收各自的反射光的四象限硅光电池[5][5′][5″]构成，A、B为固定监测靶，其间距为3米，主要用于确定直线基准，C靶为测量靶固定在被测物体上，AC两靶间距为9米，D靶为一光电接收元件[5″]，接收从C靶透射过来的光，固定在与C靶相距50mm左右的基面上。③采用峰值采样的信号接收处理方法，即从激光器另一端再引出束光，经放大整形后作模拟开关的开关控制脉冲，该脉冲与A、B、C、D靶接收到的信号同频率，且可调得很窄，开关开启时只允许信号中的尖峰通过，其他频率的干扰噪声经此开关后正负互相抵消，起到滤波作用，在开关输出端接了容值较大的钽电容，它将所通过的峰值信号保持住，直到下一次开关开启。这样在滤波的同时，得到与交流
信号峰值相同的直流信号，便于以后加减运算。④测温部分如图中虚线所示，在准直光路的前、中、后部沿水平、垂直方向各放置由双结热电耦组成的温度梯度传感器[4]，计算机由I/O口[13]向多路选择开关发送控制信号，使数字万用表[15]依次读取各路温差测量值，经RS232通讯口[14]传入计算机[12]，进行光线弯曲修正。
该实施装置的工作流程如下所述：
激光束经扩束、分光后，分别由四个接收器[5][5′][5″][5″′]接收。经各自的前置放大器[6][6′][6″][6″′]放大后，输入到模拟开关[7][7′][7″][7″′]。同时利用激光器尾部发出的光，经放大[18]，整形[19]后，得到窄脉冲信号。用来控制模拟开关。靠调整控制脉冲的宽度和位置，使模拟开关开门时刚好信号峰值到来。在模拟开关的输出端接电容值较大的钽电容，它对通过模拟开关的峰值信号起保持作用。这样，进入采样保持器[8][8′][8″][8″′]的就是一个与原信号峰值大小相同的直流信号。由于开关控制脉冲很窄，开关开门时只允许信号中的尖峰通过，其它频率的干扰噪声经此开关后正负互相抵消，起到了滤波作用。微机[12]经I/O口[13]向各路采样保持器[8][8′][8″][8″′]发送采样，或保持信号。当各保持器处于保持状态时，运算器[9][9′][9″][9″′]对它的输出进行加减运算，结果经低通滤波[10][10′][10″][10″′]，由A/D板[11]完成A/D转换及采样，结果送入CPU[12]，计算机根据修正模型对测量结果作时实修正，输出最终结果。
本发明的另一实施例是采用红外激光辐射作为光源，由于硅探测器的基片对红外波段是透明的，因此，可以将几个探测器串联使用，不需要分光部件，从而使系统简化。
自然，有些情况下，光束某一端的位置是稳定的，不需要监测，前述实施例中的第一个探测器可以省去，通常探测器D也可以省去。
Claims (6)
1、一种自适应直线度测量方法，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。
2、一种如权利要求1所述的自适应直线度测量方法，其特点在于还包括一抖动监视靶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。
3、一种自适应直线度测量方法的测量装置，包括激光光源及分光部件，光电接收部件，测温部件，信号处理单元，数据输出部件，所说光电接收部件是在准直光路中的测量区设置两个以上监测靶和与被测物相连的测试靶，其特征在于所说的信号处理单元是对监测靶及测试靶同时、多次采集的数据用多元回归方法及自适应除噪技术进行处理，用于实时修正光漂及光抖动误差，所说的测温部件是在该测量区中等距设置3个以上测温元件，得到的误差数据送到信号处理单元，用以实时修正光线弯曲度。
4、一种如权利要求3所述的测量装置，其特征在于所说的激光光源用带布儒斯特窗的低功耗气体脉冲激光器[1]，所说的光电接收部件由A、B、C、D四个光电接收靶组成，其中A、B、C靶分别由设置在光路中的半透半反光学元件[3]，与接收各自的反射光的四象限硅光电池[5]构成，A、B为固定监测靶，主要用于确定直线基准，C靶为测量靶固定在被测物体上，D靶为一光电接收元件，接收从C靶透射过来的光，所说的信号处理单元采用峰值采样的信号接收处理方法，即从激光器另一端再引出一束光，经放大整形后，作模拟开关的开关控制脉冲，在开关输出端接了容值较大的钽电容，它将所通过的峰值信号保持住，直到下一次开关开启。所说的测温部分是在准直光路的前、中、后部沿水平、垂直方向各放置由双结热电耦组成的温度梯度传感器[4]，计算机由I/O口[13]向多路选择开关发送控制信号，使数字万用表[15]依次读取各路温差测量值，经RS232通迅口[14]传入计算机[12]，进行光线弯曲修正。
5、一种如权利要求3所述的测量装置，其特征在于所说的激光光源采用红外激光光源，所说的光电接收部件A、B、C、D均由能透过红外光的硅探测器组成。
6、一种如权利要求3的测量装置，其特征在于所说的光电接收部件由二类探测器组成，一个为固定的监视探测器，另一个为与被测物联在一起的测量探测器。
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