CN105444669B

CN105444669B - 用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法

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Publication number: CN105444669B
Application number: CN201510861101.2A
Authority: CN
Inventors: 方无迪; 满孝颖; 彭海阔; 杨勇; 王志国; 王舒楠; 林德贵; 杨金军
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105444669A

Abstract

本发明公开了一种用于大型平面指向变化的测量系统，包括线型激光发射器、一维PSD测点、测量控制器以及信息处理器；所述信息处理器与测量控制器数据连接，所述测量控制器与线型激光发射器控制连接，所述一维PSD测点为多个，其中每一个一维PSD测点处均设有一维PSD传感器，所述线型激光发射器输出的光线传输至一维PSD传感器，所述一维PSD传感器与测量控制器数据连接；多个所述一维PSD测点布置于大型平面上。同时提供了上述测量系统的测量方法。本发明的测量方法是通过线型激光器配合一维PSD的传感技术，得到各个测点的位置变化量，并求解得到大型平面的指向变化量，以便对大型平面进行进一步的调整或补偿。

Description

用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法。

背景技术

在测量技术领域中，通常会涉及到大型平面的测量应用，比如大型平面由于变形或振动而引起其指向发生变化，有必要对大型平面的指向变化进行测量。

现有的测量方法，通常存在如下缺陷：

1、不能实现自动测量；

2、测量设备体积和重量较大；

3、测量设备的布置要求严苛；

不适合对大型平面的指向变化进行测量。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法，基于一维PSD(光电探测器件)，实现对大型平面的指向变化进行测量。

在本领域，大型平面具体是指：面积达数个平方以上的、具有平面度要求的一个大平面或者多个子平面的组合。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于大型平面指向变化的测量系统，包括线型激光发射器、一维PSD测点、测量控制器以及信息处理器；所述信息处理器与测量控制器数据连接，所述测量控制器与线型激光发射器控制连接，所述一维PSD测点为多个，其中每一个一维PSD测点处均设有一维PSD传感器，所述线型激光发射器输出的光线传输至一维PSD传感器，所述一维PSD传感器与测量控制器数据连接；多个所述一维PSD测点布置于大型平面上。

优选地，所述大型平面包括至少一个子平面，其中每一个子平面上至少布置有三个一维PSD测点。

优选地，设置于一维PSD测点处的一维PSD传感器面向线型激光发射器；多个一维PSD传感器形成传感网络。

优选地，所述线型激光发射器输出的光线是一组具有扩散角度的水平线型激光，多个所述一维PSD传感器能够同时感应光线。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述大型平面指向变化的测量系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，测量控制器对线型激光发射器的开关进行控制，一维PSD传感器接收线型激光发射器的入射光线，得到一维PSD测点处的竖直位移测量值；

步骤2，测量控制器对一维PSD测点处的竖直位移测量值进行数据采集，得到各个一维PSD测点的竖直位移测量值；

步骤3，信息处理器使用各个一维PSD测点的竖直位移测量值进行综合计算，最终得到大型平面指向变化和/或大型平面的各个子平面指向变化。

优选地，所述综合计算的方法具体为：使用各个一维PSD测点的竖直位移测量值，并结合初始布局尺寸得到各个一维PSD测点的空间坐标，再通过一维PSD测点的空间坐标拟合出等效平面求得平面法线，所述平面法线即代表了大型平面指向变化和/或大型平面的各个子平面指向变化。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法，可以对大型平面的指向变化进行测量，以便对大型平面进行进一步的调整或补偿。

2、本发明的用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法，通过线型激光器配合1维PSD的传感技术，得到各个测点的位置变化量，并求解得到大型平面的指向变化量。

3、实现自动化测量，不需人工瞄准或读数或机械操作；测量系统较为简便，装置体积和重量都较小；测量设备的布置没有严苛要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明组成示意图。

图2是布局示意图。

图3是1维PSD测量原理图。

图中：1为线型激光发射器，2为一维PSD测点，3为测量控制器，4为信息处理器，5为大型平面，6为基准面，7为激光束，8为被测面，9为光敏区。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种用于大型平面指向变化的测量系统，包括线型激光发射器、一维PSD测点、测量控制器以及信息处理器；所述信息处理器与测量控制器数据连接，所述测量控制器与线型激光发射器控制连接，所述一维PSD测点为多个，其中每一个一维PSD测点处均设有一维PSD传感器，所述线型激光发射器输出的光线传输至一维PSD传感器，所述一维PSD传感器与测量控制器数据连接；多个所述一维PSD测点布置于大型平面上。

进一步地，所述大型平面包括至少一个子平面，其中每一个子平面上至少布置有三个一维PSD测点。

进一步地，设置于一维PSD测点处的一维PSD传感器面向线型激光发射器；多个一维PSD传感器形成传感网络。

进一步地，所述线型激光发射器输出的光线是一组具有扩散角度的水平线型激光，多个所述一维PSD传感器能够同时感应光线。

本实施例提供的上述大型平面指向变化的测量系统，其测量方法，包括如下步骤：

进一步地，所述综合计算的方法具体为：使用各个一维PSD测点的竖直位移测量值，并结合初始布局尺寸得到各个一维PSD测点的空间坐标，再通过一维PSD测点的空间坐标拟合出等效平面求得平面法线，所述平面法线即代表了大型平面指向变化和/或大型平面的各个子平面指向变化。

本实施例提供的用于大型平面指向变化的测量系统，其线型激光发射器能够发射出成一定扩散角度的水平的线型激光，可以使多个一维PSD测点处的一维PSD传感器同时感应到光线；线型激光发射器布置于刚性好、温控条件好、变形较小的基准面上。

多个一维PSD测点布置于大型平面上，所述大型平面可以由多个子平面组成，每个子平面上的测点布点不应小于3个，形成传感网络；其中每个一维PSD测点处都装有一维PSD传感器，并且面向线型激光发射器，可以接收线型激光发射器的入射光线，由此测量出测点处的竖直位移。

测量控制器对激光发射器的开关进行控制，并对一维PSD传感器的数据进行采集，得到各个一维PSD测点的测量值。

信息处理器使用各个测量值进行综合计算，最终得到大型平面指向变化。

综合计算方法是使用各测点的竖直位移测量值并结合初始布局尺寸得到各测点的空间坐标，再拟合出等效平面，求得平面法线即代表了大型平面指向；同样的方法还可以得到各个子平面的指向。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例提供的用于大型平面指向变化的测量系统，包括：线型激光发射器1、多个一维PSD测点2、测量控制器3、信息处理器4。线型激光发射器1能够发射出成一定扩散角度的水平的线型激光，可以使多个一维PSD测点处的一维PSD传感器同时感应到光线，因此线型激光发射器1应布置于刚性好、温控条件好、变形较小的基准面上；多个一维PSD测点2布置于大型平面上，大型平面可以包括多个子平面，每个子平面的一维PSD测点的布点不应小于3个；在本实施例中，大型平面可以包括4个子平面，每个子平面布点4个一维PSD测点，形成传感网络，其中每个一维PSD测点都装有一维PSD传感器，并且面向线型激光发射器，可以接收线型激光发射器的入射光线，由此测量出一维PSD测点处的竖直位移(Z向位移)；测量控制器3对激光发射器的开关进行控制，并对一维PSD测点处的竖直位移数据进行采集，得到各个一维PSD测点的测量值；信息处理器4使用各个测量值进行综合计算，最终得到大型平面指向变化；综合计算方法是使用各测点的竖直位移测量值并结合初始布局尺寸得到各测点的空间坐标，再拟合出等效平面，求得平面法线即代表了大型平面指向；同样的方法还可以得到各个子平面的指向。

如图3所示的是一维PSD测量原理图。一维PSD传感器，配合线型激光发射器，实现变形测量的工作原理是基于光敏位移测量。被测面发生变形前后，激光器发出的光线在一维PSD传感器上的光敏区产生光线偏移量，也就代表了被测面该测点处的变形量。因此通过测得一维PSD测点的光线偏移量，就可以测得被测面该测点处的竖直(Z向)位移量。通过多个一维PSD传感器的组合，再配合线型激光器就可以实现被测面多个测点的竖直变形测量。

结合图2，说明一下在信息处理器4中所采用的综合计算方法。为方便说明，各子平面的初始状态都假定为理想状态(法线沿Z轴)。

以图2所示的子平面A为例，记初始状态下子平面的平面方程为z＝0，法线单位矢量为n＝(0，0，1)。记4个测点的空间坐标分别为A1(x₁，y₁，z₁)、A2(x₂，y₂，z₂)、A3(x₃，y₃，z₃)、A2(x₄，y₄，z₄)。其中各点的x、y坐标值为布局尺寸决定，4个测点的z值为1维PSD传感器测得，并记初始状态时z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝0。

①求得拟合平面

通过对4个一维PSD测点(以下简称测点)的空间坐标，使用最小二乘拟合方法，得到拟合的等效平面，平面方程记作式(1)所示。

Ax+By+Cz+D＝0 (1)

作归一化处理后，为下式所示。

z＝ax+by+c (2)

式中，a＝-A/C，b＝-B/C，c＝-D/C

根据最小二乘拟合方法，建立线性回归模型，如下式所示。

P＝QX+e

(3)

e～N(0，σ²)

其中，n为测点数，此处为4，若拓展至整体平面则为16。

根据LS估计准则为

在该准则下，得到最小二乘解为

这样，就可以得到拟合平面的方程参数(即a、b、c)。

同样地，归一化前的平面方程也就确定了(为简便起见，可令C＝-1)。

②求得等效法线指向变化

平面方程Ax+By+Cz+D＝0，其法线矢量应为n＝(A，B，C)，而初始状态时法线矢量为n₀＝(0，0，1)，则子平面等效法线指向变化可以用这两矢量的夹角表示。

进一步细化的话，指向变化可以用两个角度表示，即该平面的法线矢量绕Y轴转角α和绕X轴转角β。根据矢量投影和几何学，可以得到转角公式如下所示。

上述方法可以得到各个子平面的指向变化，而大型平面的指向变化也可以用同样的方法得到。

综上所述，采用该综合计算方法，即使用各个测点的位移测量值结合各测点布局尺寸进行平面拟合和平面法线计算，可求解出大型平面和各子平面的指向变化。

对本实施例中该测量方法进行下述几点的进一步说明：

(1)本实施例中测点的布局采用每个子平面4个测点，共4个子平面。根据实际情况，综合考虑子平面个数和尺寸，也可以使用更多数量的测点。需注意的是，测点的布置应考虑错落有致地均匀布置，并且不要互相遮挡。

(2)本实施例中选用了1个线型激光器。根据需要，也可以使用2个或更多的线型激光器，通过覆盖角度和范围的搭配组合来覆盖到整个大型平面的被测点。根据需要，也可以利用多个线型激光器从不同朝向(例如上下左右)来分别覆盖被测点。

本实施例采用了上述的具体实施方式，可以对大型平面的指向变化进行测量，以便对大型平面进行进一步的调整或补偿。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种用于大型平面指向变化的测量系统，其特征在于，包括线型激光发射器、一维PSD测点、测量控制器以及信息处理器；所述信息处理器与测量控制器数据连接，所述测量控制器与线型激光发射器控制连接，所述一维PSD测点为多个，其中每一个一维PSD测点处均设有一维PSD传感器，所述线型激光发射器输出的光线传输至一维PSD传感器，所述一维PSD传感器与测量控制器数据连接；多个所述一维PSD测点布置于大型平面上；

所述线型激光发射器输出的光线是一组具有扩散角度的水平线型激光，多个所述一维PSD传感器能够同时感应光线；

所述大型平面包括至少一个子平面，其中每一个子平面上至少布置有三个一维PSD测点；

设置于一维PSD测点处的一维PSD传感器面向线型激光发射器；多个一维PSD传感器形成传感网络。

2.一种权利要求1所述的大型平面指向变化的测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤3，信息处理器使用各个一维PSD测点的竖直位移测量值进行综合计算，最终得到大型平面指向变化和/或大型平面的各个子平面指向变化；

所述综合计算的方法具体为：使用各个一维PSD测点的竖直位移测量值，并结合初始布局尺寸得到各个一维PSD测点的空间坐标，再通过一维PSD测点的空间坐标拟合出等效平面求得平面法线，所述平面法线即代表了大型平面指向变化和/或大型平面的各个子平面指向变化。