CN109579779A - 高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量技术领域和光学工程领域，具体涉及高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法；该装置由光源、第一偏振片、反馈成像单元、第一透射式准直镜、组合式反射镜、第二偏振分光镜、角漂移量反馈测量单元以及波前畸变反馈测量单元组成。该方法通过增加角漂移量反馈测量单元和波前畸变反馈测量单元，分别测量并实时补偿自准直光束受空气扰动引入的角漂移和波前畸变，减小自准直光束在复杂空气环境、长工作距离下受空气扰动的影响，提高自准直仪的工作距离、稳定性和抗干扰能力。该装置利用软件实现对空气扰动引入的误差相互分离并分别测量，无机械调整环节，提高系统测量速度，在同等使用环境和距离下，具有提高自准直仪测量精度和实现高频响测量的特点。

Description

高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域和光学工程领域，具体涉及高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法。

背景技术

随着科技水平的不断提高，加工制造呈现出一种高精度、大尺寸的趋势，其中精密小角度测量是重要的组成部分。常用于精密小角度测量的仪器是以光学自准直原理为核心的激光自准直仪，在精密与超精密定位检测、高端大型设备的制造与安装、大科学工程仪器的姿态检测中有非常重要的作用。

激光自准直仪具有分辨力高、精度高、测量距离远、测量速度快、非接触、方便调整移动等优势，在上述领域中具有非常广泛的应用。

在精密与超精密定位检测中，激光自准直仪与平面镜、多面棱镜等光学元件组合可以进行角度测量、平面度测量、直线度测量等，分辨力可以达到0.1角秒至0.001角秒不等；在高端大型设备的制造与安装过程中，如检测大型飞机零部件制造精度、船体部件的安装与扭转形变等，激光自准直仪与合作目标配合测量，测量距离可以达到数米远，甚至数十米远；在大科学工程仪器的姿态检测中，如利用激光自准直仪实时检测天文望远镜的偏航角与俯仰角、测量火箭发射前的初始方位角等，则需要激光自准直仪在室外、车间等非实验室的复杂环境下进行远距离测量工作。

目前、精密小角度的测量需求不局限于检测室与实验室环境内，测量距离也不再只有近距离测量，需要有能够在制造工厂、加工车间、甚至野外环境下能够进行实时高精度远距离测量的激光自准直仪。这对激光自准直仪的精度、测量距离、稳定性、抗杂散光干扰、抗外部空气扰动等性能指标提出了较高的要求。

传统自准直仪如图1所示，该系统包括光源1、透射式准直镜2、目标反射镜3以及反馈成像单元4；光源1发出的光束，经过透射式准直镜2准直成平行光束后，入射到目标反射镜3；从目标反射镜3反射的光束为测量光束，由反馈成像单元4采集成像光斑的位移信息，可以计算得到目标反射镜3的偏航角和俯仰角。这种结构下，若目标反射镜3距离透射式准直镜2非常远，那么空气扰动的存在会使反射光束带有额外的角度信息，即角漂移，同时反射光束波前畸变，使成像光斑质量不佳、光斑能量不均匀，导致光电传感器探测光斑位置不准确，降低测量精度和测量稳定性。因此，传统结构的激光自准直仪存在以下问题：

第一、激光自准直仪的使用环境不能太恶劣，否则光束在空气中长距离传输会使光束传输不稳定，使测量结果不稳定，导致自准直仪无法在空气条件较为复杂的环境下实现稳定测量；

第二、目标反射镜与激光自准直仪之间的测量距离不能太远，否则由于空气扰动的影响造成光束传输过程中发生角漂移和波前畸变，导致自准直仪无法在空气条件较为复杂的环境下实现高精度测量。

以上两个问题，使传统自准直仪只能在稳定空气环境内，近距离下实现高精度、高稳定性测量。

发明内容

针对传统自准直仪所存在的两个问题，本发明公开了一种高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法，同传统自准直仪相比，可以在较为复杂的空气环境条件下测量，提高激光自准直仪测量过程中的测量精度、抗干扰能力与稳定性；同时该装置具有高频响的特点，能够提高装置的测量与补偿速度。

本发明的目的是这样实现的：

高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置，包括光源、第一偏振片、反馈成像单元、第一透射式准直镜、组合式反射镜、第二偏振分光镜、角漂移量反馈测量单元、以及波前畸变反馈测量单元。

所述第一偏振片和反馈成像单元设置在光源与第一透射式准直镜之间，反馈成像单元包括第一反馈分光镜和设置在第一透射式准直镜焦面处的第一光电传感器；由半反半透镜反射的测量光束，先后经过第二偏振分光镜、第一透射式准直镜透射、经过第一反馈分光镜反射，由第一光电传感器采集成像光斑位移信息，在半反半透镜的反射面和光轴垂直情况下，汇聚光斑成像在第一光电传感器的中心位置。

所述组合式反射镜由半反半透镜、四分之一波片与角锥棱镜组合。由半反半透镜的反射面反射得到的光束为测量光束，偏振方向不改变，由反馈成像单元采集成像光斑位移信息；经半反半透镜透射的光束作为参考光束，会经过四分之一波片透射，经过角锥棱镜反射，再经过四分之一波片、半反半透镜透射，偏振方向改变，传输方向与原方向相反，入射角漂移量反馈测量单元和波前畸变反馈测量单元并采集光斑信息。

所述角漂移量反馈测量单元由第三反馈分光镜、第二透射式准直镜和设置在第二透射式准直镜焦面的第二光电传感器组成；波前畸变反馈测量单元由第三波前传感器组成。角漂移量反馈测量单元以及波前畸变反馈测量单元共同组成扰动反馈测量单元。

由角锥棱镜反射的参考光束会因为经过两次四分之一波片而改变偏振方向，经过第二偏振分光镜反射后，依次经过第三反馈分光镜分束反射、第二透射式准直镜透射，光束汇聚并由第二光电传感器测量光斑位移信息；另一束分束光束经过第三反馈分光镜透射后，直接由第三波前传感器采集光束波前信息。在半反半透镜的反射面和光轴垂直情况下，汇聚光斑成像在第二光电传感器中心位置；在无任何空气扰动的情况下返回的参考光束会正入射于第三波前传感器的探测平面中心位置。

在上述高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置上实现的高精度高频响抗干扰大工作距自准直方法，包括以下步骤：

步骤a、将组合式反射镜放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的半反半透镜的反射面；

步骤b、点亮光源，反馈成像单元工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器探测区域之外，调整激光自准直仪的位置和方向，使光斑成像在第一传感器探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、扰动反馈成像单元工作，得到第一光电传感器上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；组合式反射镜5和被测物的偏航角和俯仰角为Δθ1＝f1(Δx1)，其中，f1、f2表示两个函数。

步骤d、反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元的第二光电传感器上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，得到波前畸变反馈测量单元中的第三波前传感器测量的参考光束波前数据w0；

步骤e、根据Δx2、Δy2、和w0，利用软件计算波前畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)；f3表示一个函数；

步骤e、根据Δθ1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f4(Δθ1,Δx2,w1)、f4、f5表示两个函数。

有益效果：

同传统自准直仪相比，本发明增加了角漂移量反馈测量单元和波前畸变反馈测量单元。这种结构使激光自准直仪可以在非实验室的复杂空气环境、长工作距离的情况下工作。对于空气扰动引入的误差，可以通过第二光电传感器测量得到光束角度漂移误差，通过第三波前传感器测量波前畸变带来的误差，实时解算并补偿由第一光电传感器测量数据计算得到的结果。因此本发明能够显著的增加激光自准直仪抗干扰能力，有效降低由空气扰动带来的影响，提高了仪器的抗干扰能力、测量与补偿精度。

除此之外，本发明还具有以下几个技术优势：

第一、选择组合式反射镜，使激光自准直仪接收到测量光束外，也接收到由角锥棱镜反射回来的参考光束。参考光束成像光斑包含了传输过程中由空气扰动影响而带有的角度漂移和波前畸变信息，两者对探测成像光斑位移信息均有影响；此外在组合式反射镜小角度偏转的情况下，参考光路和测量光路的空间位置基本重合，可以认为两者受到的空气扰动基本相同。因此本发明可以通过测量参考光束成像光斑位移信息和波前畸变信息，实现对测量光束测量结果的扰动误差进行补偿，具有在相同工作距离下，提高激光自准直仪测量精度的优势。

第二、通过增加扰动反馈测量单元，实现了激光自准直仪测量结果的空气扰动误差分离；根据自准直测量原理，测量光束返回并携带有被测物偏转的角度信息，同时由于空气扰动的影响，测量光束还包含有角漂移和波前畸变信息。角漂移量反馈测量单元能够对角漂移误差进行测量，实现对由空气扰动造成的宏观上测量光束返回方向误差的测量与分离；系统的波前畸变反馈测量单元能够对波前信息进行探测，实现由于波前畸变导致成像光斑质量不佳以及能量不均匀造成的光斑位移测量误差的测量与分离。因此本发明通过增加扰动反馈测量单元，实现了空气扰动引入误差的测量与分离，在相同工作环境和距离下，能够提高激光自准直仪测量精度。

第三、在激光自准直仪测量过程中，通过软件补偿的方式，解算第三波前传感器测量的波前畸变信息，得到波前整体倾斜数据，此数据反映了参考光束整体的传输方向信息，主要是由空气扰动引起的角漂移；波前数据屏蔽整体倾斜后为波前畸变数据，波前畸变影响光束汇聚成像光斑的形状、能量分布，那么光电探测器采用光斑质心定位的原理计算光斑位移会存在一定误差。因此，通过软件可以计算出波前畸变对于光斑质心位置与实际光斑位置的误差，并在最终测量结果上补偿此误差，提高了仪器测量精度。

第四、扰动反馈测量单元在系统中起到静态测量作用，整个补偿过程由软件计算实现，无机械补偿环节，节省机械驱动与校准的时间，提高了测量与补偿速度，测量装置整体的稳定性和响应速度，具有高频响测量的优势。

附图说明

图1是传统自准直角度测量系统的结构示意图。

图2是本发明高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置具体实施例一的结构示意图。

图3是本发明高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置具体实施例二的结构示意图。

图4是本发明高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置具体实施例三的结构示意图

图中：1光源、2第一透射式准直镜、4反馈成像单元、41第一反馈分光镜、42第一光电传感器、5组合式反射镜、51半反半透镜、52四分之一波片、53角锥棱镜、6第一偏振片、7第二偏振分光镜、8角漂移量反馈测量单元、81第二光电传感器、82第二透射式准直镜、83第三反馈分光镜、9波前畸变反馈测量单元、91第三波前传感器、94第三透射式准直镜、95第二偏振片。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置具体实施例一。

本实施例的高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置，结构示意图如图2所示。该自准直装置包括光源1、第一偏振片6、反馈成像单元4、第一透射式准直镜2、组合式反射镜5、第二偏振分光镜7、角漂移量反馈测量单元8、以及波前畸变反馈测量单元9。

所述第一偏振片6和反馈成像单元4设置在光源1和第一透射式准直镜2之间。反馈成像单元4包含第一反馈分光镜41和设置在第一透射式准直镜2焦面的第一光电传感器42。第一光电传感器42位于第一透射式准直镜2的焦面上，且光轴垂直于传感器探测平面区域中心位置。

所述组合式反射镜5包括半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53。

所述角漂移量反馈测量单元8由第三反馈分光镜83、第二透射式准直镜82、以及设置在第二透射式准直镜82焦面上的第二光电传感器81组成，且该装置光轴垂直于第二光电传感器81的探测中心上；波前畸变反馈测量单元9由第二波前传感器91组成，光轴垂直于第三波前传感器探测平面的中心。第二偏振分光镜7设置在第一透射式准直镜2与组合式反射镜5之间，并且靠近第一透射式准直镜2一侧。角漂移量反馈测量单元8和波前畸变反馈测量单元9共同组成扰动反馈测量单元。

本实施例的测量原理如下：

光源1发出的光束经过第一偏振片6透射成为线偏振光，经过第一反馈分光镜41透射、第一透射式准直镜2准直成平行光；平行光经过第二偏振分光镜7透射后，入射到组合式反射镜5的半反半透镜51的反射面，此时光束会被分为反射光束与透射光束：反射光束为测量光束，传播方向改变，偏振方向不改变，因此会依次经过第二偏振分光镜7、第一透射式准直镜2透射、第一反馈分光镜41反射，入射第一光电传感器42上采集成像光斑位移信息Δx1和Δy1；组合式反射镜5和被测物的偏航角和俯仰角为Δθ1＝f1(Δx1)，其中，f1、f2表示两个函数。透射光束为参考光束，继续向前传播，并依次经过四分之一波片52透射、角锥棱镜53反射、四分之一波片52透射、半反半透镜51透射。由角锥棱镜反射特性可知，该光束传播方向与原方向相反，与组合式反射镜5偏转角度无关。同时因为经过两次四分之一波片52，光束偏振方向和原偏振方向垂直。因此该光束作为参考光束会被第二偏振分光镜7反射，进入扰动反馈测量单元中。

由第二偏振分光镜7反射的参考光束先入射角漂移量反馈测量单元8，经过第三反馈分光镜83会被分为两束参考光束：一路为反射参考光束、经过第二透射式准直镜82透射，汇聚在第二光电传感器81上采集成像光斑位移信息Δx2和Δy2；另一路经过第三反馈分光镜83分束透射的参考光束，入射第三波前传感器91采集波前畸变信息w0；通过得到的Δx2、Δy2、w0，利用软件解算并分离波前整体倾斜，得到参考光束的波前畸变数据，重新测量得到波前畸变信息w1，可以避免由角漂移带来的波前整体倾斜对测量波前畸变产生的影响。其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)，f3表示一个函数。通过计算可以得到组合式反射镜5和被测物表面的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f4(Δθ1,Δx2,w1)、f4、f5表示两个函数。

本实施例的测量步骤如下：

步骤a、将组合式反射镜5放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的半反半透镜51的反射面；

步骤b、点亮光源1，反馈成像单元4工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器42探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一传感器42探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器42探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、反馈成像单元4工作，得到第一光电传感器42上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；组合式反射镜5和被测物的偏航角和俯仰角为Δθ1＝f1(Δx1)，其中，f1、f2表示两个函数。

步骤d、扰动反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元8的第二光电传感器81上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，得到波前畸变反馈测量单元9中的第三波前传感器91测量的参考光束波前数据w0；

步骤e、根据Δx2、Δy2、和w0，利用软件计算波前畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)；f3表示一个函数；

步骤f、根据Δθ1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜5的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f4(Δθ1,Δx2,w1)、f4、f5表示两个函数。

需要说明的是，按照传统激光自准直仪装置结构和测量原理，通过利用由半反半透镜51反射的测量光束成像光斑的位移信息Δx1和Δy1，就可以计算得到组合式反射镜5的偏航角和俯仰角Δθ1和但是激光自准直仪在大工作距、非实验室理想空气环境下工作时，由于空气扰动的存在，测量光束除了包含被测角度信息外，也包含角度漂移和光束波前畸变信息，这些信息会使测量结果出现误差，影响仪器测量稳定性和测量精度。

因此本发明在传统激光自准直仪装置结构基础上，通过测量由半反半透镜51透射的光束，该光束会原路返回而且不包含组合式反射镜5的偏航角和俯仰角信息，可以实现空气扰动造成的角漂移和波面畸变引起误差的测量。通过角度反馈测量装置8可以测量角度漂移误差、通过波前反馈测量装置9可以测量波面畸变引起的误差，实现了误差分离与测量。通过补偿算法，对由测量光束的成像光斑位移信息计算得到的组合式反射镜5偏航角和俯仰角信息进行误差补偿，减小角度漂移和波面畸变对最终测量结果产生的影响，使测量结果更加准确，提高了仪器在相同工作距离下的抗干扰能力，提高了仪器测量精度。

具体实施例二

本实施例是高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置具体实施例二。

本实施例的高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置，结构示意图如图3所示。在具体实施例一的基础上，去掉第二透射式准直镜82、增加第三透射式准直镜94，改变角漂移量反馈测量单元8和波前畸变反馈测量单元9的光路结构，使整体结构紧凑稳定、更具有便携性设计优势。

本实施例的自准直装置包括光源1、第一偏振片6、反馈成像单元4、第一透射式准直镜2、第二偏振分光镜7、组合式反射镜5、角漂移量反馈测量单元8、以及波前畸变反馈测量单元9。

所述第一偏振片6和反馈成像单元4设置在光源1和第一透射式准直镜2之间。反馈成像单元4包含第一反馈分光镜41和设置在第一透射式准直镜2焦面的第一光电传感器42。第一光电传感器42位于第一透射式准直镜2的焦面上，且光轴垂直于传感器探测平面区域中心位置。

所述组合式反射镜5包括半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53。

所述第二偏振分光镜7设置在第一反馈分光镜41和第一透射式准直镜2之间；角漂移量反馈测量单元8包括第三反馈分光镜83和设置在第一透射式准直镜2焦面上的第二光电传感器81。第三反馈分光镜83设置在第二偏振分光镜7和第二光电传感器81之间；波前畸变反馈测量单元9包括第三透射式准直镜94和第三波前传感器9。光轴垂直第三波前传感器9所在平面中心位置，并且第三透射式准直镜94的焦面和第一透射式准直镜2的焦面重合，两准直镜在焦面同一侧。角漂移量反馈测量单元8和波前畸变反馈测量单元9共同组成扰动反馈测量单元。

本实施例的测量原理如下：

光源1发出的光束经过第一偏振片6后为线偏振光，光束经过第一反馈分光镜41、第二偏振分光镜7透射、经过第一透射式准直镜2准直成平行光；平行光入射到组合式反射镜5的半反半透镜51的反射面，此时光束会被分为反射光束与透射光束：反射光束为测量光束，传播方向改变，偏振方向不改变，因此光束会返回依次经过第一透射式准直镜2、第二偏振分光镜7透射、第一反馈分光镜41反射、入射第一光电传感器42上采集成像光斑位移信息Δx1和Δy1；组合式反射镜5和被测物的偏航角和俯仰角为Δθ1＝f1(Δx1)，其中，f1、f2表示两个函数。透射光束为参考光束，会继续向前传播，并依次经过四分之一波片52透射、角锥棱镜53反射、四分之一波片52透射、半反半透镜51透射。由角锥棱镜反射特性可知，该光束传播方向与原方向相反，与组合式反射镜5偏转角度无关。同时因为经过两次四分之一波片52，光束偏振方向和原偏振方向垂直。因此该光束作为参考光束会被第二偏振分光镜7反射，进入扰动反馈测量单元中。

参考光束会先依次经过第一透射式准直镜2、第二偏振分光镜7反射、第三反馈分光镜83分束透射，入射并汇聚在第二光电传感器81上，第二光电传感器81采集成像光斑位移信息Δx2和Δy2；另一路经过第三反馈分光镜83分束反射的参考光束，经过第三透射式准直镜94准直成平行光、入射第三波前传感器91采集参考光束波前畸变信息w0。通过得到的Δx2、Δy2、w0，利用软件解算并分离波前整体倾斜，得到参考光束的波前畸变数据，重新测量得到波前畸变信息w1，可以避免由角漂移带来的波前整体倾斜对测量波前畸变产生的影响。其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)，f表示一个函数。通过计算可以得到组合式反射镜5和被测物表面的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f4(Δθ1,Δx2,w1)、f4、f5表示两个函数。

本实施例的测量步骤如下：

步骤a、将组合式反射镜5放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的半反半透镜51的反射面；

步骤b、点亮光源1，反馈成像单元4工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器42探测区域之外，调整激光自准直仪的位置和方向，使光斑成像在第一传感器42探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器42探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、反馈成像单元4工作，得到第一光电传感器42上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；组合式反射镜5和被测物的偏航角和俯仰角为Δθ1＝f1(Δx1)，其中，f1、f2表示两个函数。

步骤d、扰动反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元8的第二光电传感器81上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，得到波前畸变反馈测量单元9中的第三波前传感器91测量的参考光束波前数据w0；

步骤e、根据Δx2、Δy2、和w0，利用软件计算波前畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)；f3表示一个函数；

步骤f、根据Δθ1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜5的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f4(Δθ1,Δx2,w1)、f4、f5表示两个函数。

具体实施例三

本实施例是便携式高精度抗干扰大工作距自准直装置具体实施例三。

本实施例的便携式高精度抗干扰大工作距自准直装置，结构示意图如图4所示。在具体实施例一的基础上，去掉第二透射式准直镜82、增加第三透射式准直镜94、第二偏振片95，改变角漂移量反馈测量单元8和波前畸变反馈测量单元9的光路结构，使整体结构紧凑稳定、更具有便携性设计优势。

本实施例的自准直装置包括光源1、第一偏振片6、反馈成像单元4、第一透射式准直镜2、组合式反射镜5、第三反馈分光镜83、角漂移量反馈测量单元8、以及波前畸变反馈测量单元9。

所述第一偏振片6和反馈成像单元4设置在光源1和第一透射式准直镜2之间。反馈成像单元4包含第一反馈分光镜41和设置在第一透射式准直镜2焦面的第一光电传感器42。第一光电传感器42位于第一透射式准直镜2的焦面上，且光轴垂直于传感器探测平面区域中心位置。

所述组合式反射镜5包括半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53。

所述角漂移量反馈测量单元8由第二偏振分光镜7、以及设置在第二透射式准直镜2焦面上的第二光电传感器81组成，且该单元光轴垂直于第二光电传感器81的探测中心上；波前畸变反馈测量单元9由第二波前传感器91、第三透射式准直镜94、第二偏振片95组成，光轴垂直于第三波前传感器探测平面的中心。其中所述的第二偏振分光镜7设置在第一反馈分光镜41和第一光电传感器42之间；第二光电传感器81设置在第一透射式准直镜2焦面上；第三反馈分光镜83设置在第一反馈分光镜41和第一透射式准直镜2之间；第三透射式准直镜94、第二偏振片95设置在第三波前传感器91和第三反馈分光镜83之间，光轴垂直其所在探测平面区域的几何中心，并且第三透射式准直镜94的焦面和第一透射式准直镜2的焦面重合，两准直镜在焦面同一侧。角漂移量反馈测量单元8和波前畸变反馈测量单元9共同组成扰动反馈测量单元。

本实施例的测量原理如下：

光源1发出的光束经过第一偏振片6变为线偏振光，光束依次经过第一反馈分光镜41、第三反馈分光镜83透射、经过第一透射式准直镜2准直成平行光；平行光入射到组合式反射镜5的半反半透镜51的反射面，此时光束会被分为反射光束与透射光束：反射光束为测量光束，传播方向改变，偏振方向不改变，因此光束会返回依次经过第一透射式准直镜2、第三反馈分光镜83透射、第一反馈分光镜41反射、第二偏振分光镜7透射、入射第一光电传感器42上采集成像光斑位移信息Δx1和Δy1；透射光束为参考光束，会继续向前传播，并依次经过四分之一波片52、角锥棱镜53反射、四分之一波片52，半反半透镜51透射。由角锥棱镜反射特性可知，该光束传播方向与原方向相反，与组合式反射镜5偏转角度无关；同时因为两次经过四分之一波片52，光束偏振方向和原偏振方向垂直。因此该光束作为参考光束入射到扰动反馈测量单元中。

返回的参考光束会先依次经过第一透射式准直镜2、第三反馈分光镜83分束透射、第一反馈分光镜41反射、第二偏振分光镜7反射，入射并汇聚在第二光电传感器81上采集成像光斑位移信息Δx2和Δy2；经过第三反馈分光镜83分束反射的参考光束，会经过第三透射式准直镜94准直成平行光、通过偏振方向相同的第二偏振片95，入射第三波前传感器91采集参考光束的波前畸变信息w0；通过得到的Δx2、Δy2、w0，利用软件解算并分离波前整体倾斜，得到参考光束的波前畸变数据，重新测量得到波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)，可以避免由角漂移带来的波前整体倾斜对测量波前畸变产生的影响。通过计算可以得到组合式反射镜5和被测物表面的偏航角和俯仰角Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2、f3表示三个函数。

本实施例的测量步骤如下：

步骤a、将组合式反射镜5放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的半反半透镜51的反射面；

步骤b、点亮光源1，反馈成像单元4工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器42探测区域之外，调整激光自准直仪的位置和方向，使光斑成像在第一传感器42探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器42探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、反馈成像单元4工作，得到第一光电传感器42上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；同时，扰动反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元8的第二光电传感器81上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，得到波前畸变反馈测量单元9中的第三波前传感器91测量的参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2、和w0，利用软件计算波前畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)；f3表示一个函数；

步骤e、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜5的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数。

对于以上实施例需要补充说明的是：

第一、在传统激光自准直仪结构的基础上增加扰动反馈测量单元，实现对由于空气扰动影响引入的光束角漂移和波前畸变信息的测量。采用误差分离的思想，扰动反馈测量单元对因为空气扰动引入的测量误差按照形成机理和探测方式的不同分别进行测量，可以实现对测量结果误差的精确测量与补偿。扰动反馈测量单元可以减小空气扰动等环境因素对激光自准直仪测量结果的影响，对激光自准直仪的测量精度、稳定性、测量距离等指标有明显的改善。

第二、在角漂移量反馈测量单元中，利用第二光电传感器81采集成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2作为补偿数据，其探测过程和传统自准直仪测量过程相似，只是探测对象为参考光束。此测量结果对激光自准直仪测量结果的误差补偿有较为直接和明显的影响。但是同样存在由于波前畸变导致的光斑成像质量不理想、光斑能量不均匀的问题，存在测量误差。因此在利用Δx2和Δy2对自准直仪测量结果补偿时，先要利用第三波前传感器91的测量结果对其进行补偿，补偿后的结果更接近光束的角漂移误差。

第三、参考光束在返回激光自准直仪内、入射第三波前传感器91过程中会经过多个光学元件，这会使光束波前畸变信息在此过程再一次发生变化。在光学系统搭建完成后，光学元件不会改变。因此参考光束入射激光自准直仪时波前畸变和入射第三波前传感器91时的波前畸变的差值可以认为是不变的，是系统误差。在开展实验之前，可以将组合式反射镜5贴近第一透射式准直镜2近处，使半反半透镜51的反射面垂直于光轴，利用第三波前传感器91探测此时参考光束的波前信息，可将此波前信息视为无空气扰动时的波前测量的参考基准面。后续开展测量时的波前测量信息为相对于此参考基准面的波前畸变信息。

Claims (4)

1.高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源(1)、第一偏振片(6)、反馈成像单元(4)、第一透射式准直镜(2)、组合式反射镜(5)、第二偏振分光镜(7)、角漂移量反馈测量单元(8)、以及波前畸变反馈测量单元(9)；

所述第一偏振片(6)和反馈成像单元(4)设置在光源(1)和第一透射式准直镜(2)之间；反馈成像单元(4)包括第一反馈分光镜(41)和设置在第一透射式准直镜(2)焦面处的第一光电传感器(42)；由半反半透镜(51)反射的光束，先后经过第二偏振分光镜(7)、第一透射式准直镜(2)透射、经过第一反馈分光镜反射(41)，由第一光电传感器(42)采集测量光束成像光斑偏离中心的位移信息；在半反半透镜(51)反射面和光轴垂直情况下，汇聚光斑成像在第一光电传感器(42)中心位置；

所述组合式反射镜(5)由半反半透镜(51)、四分之一波片(52)与角锥棱镜(53)组合，中心在同一轴线上；反射光束由半反半透镜(51)反射面反射；透射光束会依次经过半反半透镜(51)、四分之一波片(52)透射，经过角锥棱镜(53)反射，再经过四分之一波片(52)、半反半透镜(51)透射并返回；

所述角漂移量反馈测量单元(8)由第三反馈分光镜(83)、第二透射式准直镜(82)和设置在第二透射式准直镜(82)焦面的第二光电传感器(81)组成，中心在同一轴线上；波前畸变反馈测量单元(9)由第三波前传感器(91)组成；角漂移量反馈测量单元(8)和波前畸变反馈测量单元(9)共同组成扰动反馈测量单元；

由角锥棱镜(53)反射的参考光束会因为经过两次四分之一波片(52)而偏振方向改变，经过第二偏振分光镜(7)反射后，依次经过第三反馈分光镜(83)分束反射、第二透射式准直镜(82)透射，由第二光电传感器(81)采集成像光斑偏离中心的位移信息；另一束经过第三反馈分光镜(83)分束透射后，由第三波前传感器(91)采集参考光束波前畸变信息；在半反半透镜(51)反射面和光轴垂直、无空气扰动的情况下，成像光斑在第二光电传感器(81)的探测中心位置；同时透射的参考光束的光轴和第三波前传感器(91)所在探测平面垂直。

2.在权利要求1所述的高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置上实现的高精度高频响抗干扰大工作距自准直方法，包括以下步骤：

步骤a、将组合式反射镜(5)放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的半反半透镜(51)反射面；

步骤b、点亮光源(1)，反馈成像单元(4)工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器(42)探测区域之外，调整激光自准直仪的位置和方向，使光斑成像在第一传感器(42)探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器(42)探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、反馈成像单元(4)工作，得到第一光电传感器(42)上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；组合式反射镜(5)和被测物的偏航角和俯仰角为Δθ1＝f1(Δx1)，其中，f1、f2表示两个函数；

步骤d、扰动反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元(8)的第二光电传感器(81)上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2；得到波前畸变反馈测量单元(9)中的第三波前传感器(91)测量的参考光束波前数据w0；

步骤e、根据Δx2、Δy2、和w0，利用软件计算波前畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)；f3表示一个函数；

步骤f、根据Δθ1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜(5)的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f4(Δθ1,Δx2,w1)、f4、f5表示两个函数。

3.在权利要求1所述的高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置上实现的高精度高频响抗干扰大工作距自准直方法，其特征在于去掉第二透射式准直镜(82)、增加第三透射式准直镜(94)；

所述角漂移量反馈测量单元(8)由第二偏振分光镜(7)和设置在第一透射式准直镜(2)焦面的第二光电传感器(81)组成，中心在同一轴线上；波前畸变反馈测量单元(9)由第三透射式准直镜(94)和第三波前传感器(91)组成；

所述第二偏振分光镜(7)设置在第一反馈分光镜(41)和第一透射式准直镜(2)之间；第二光电传感器(81)设置在第一透射式准直镜(2)焦面上；第三反馈分光镜(83)设置在第二偏振分光镜(7)和第二光电传感器(81)之间；第三透射式准直镜(94)设置在第三波前传感器(91)和第三反馈分光镜(83)之间，光轴垂直于各自所在平面于几何中心，并且第三透射式准直镜(94)的焦面和第一透射式准直镜(2)的焦面重合，两准直镜在焦面同一侧；

由角锥棱镜(53)反射的参考光束会因为经过两次四分之一波片(52)而偏振方向改变，经过第一透射式准直镜(2)透射、第二偏振分光镜(7)反射、第三反馈分光镜(83)分束透射、由第二光电传感器(81)采集测量光束成像光斑偏离中心的位移信息；由第三反馈分光镜(83)分束反射的另一束参考光束经过第三透射式准直镜(94)准直成平行光，由第三波前传感器(91)采集参考光束波前畸变信息；在半反半透镜(51)反射面和光轴垂直、无空气扰动的情况下，成像光斑在第二光电传感器(81)的探测中心位置；同时透射的参考光束的光轴和第三波前传感器(91)所在探测平面垂直。

4.在权利要求1所述的高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置上实现的高精度高频响抗干扰大工作距自准直方法，其特征在于去掉第二透射式准直镜(82)、增加第三透射式准直镜(94)和第二偏振片(95)；

所述角漂移量反馈测量单元(8)由第二偏振分光镜(7)和设置在第一透射式准直镜(2)焦面上的第二光电传感器(81)组成；波前畸变反馈测量单元(9)由第三透射式准直镜(94)、第二偏振片(95)和第三波前传感器(91)组成；角漂移量反馈测量单元(8)和波前畸变反馈测量单元(9)共同组成扰动反馈测量单元；

所述第二偏振分光镜(7)设置在第一反馈分光镜(41)和第一光电传感器(42)之间；第二光电传感器(81)和第一光电传感器(42)垂直摆放；第三反馈分光镜(83)设置在第一反馈分光镜(41)和第一透射式准直镜(2)之间；第三透射式准直镜(94)、第二偏振片(95)和第三波前传感器(91)依次放置，其所在平面垂直于所在光轴；

包括以下步骤：

步骤a、将组合式反射镜(5)放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的半反半透镜(51)反射面；

步骤b、点亮光源(1)，反馈成像单元(4)工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器(42)探测区域之外，调整激光自准直仪的位置和方向，使光斑成像在第一传感器(42)探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器(42)探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、反馈成像单元(4)工作，得到第一光电传感器(42)上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；同时，反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元(8)的第二光电传感器(81)上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，得到波前畸变反馈测量单元(9)中的第三波前传感器(91)测量的参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2、和w0，利用软件计算波前畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波前畸变信息w1，其中w1＝f3(Δx2,Δy2,w0)；f3表示一个函数；

步骤e、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜(5)的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数。