CN109631827A - 基于绝对角度测量的双光源高精度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，具体涉及基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法；该装置由光源单元、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。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，提高测量与补偿精度。采用双光源的结构形式，减弱另一光源和外界环境杂散光对传感器探测的干扰，提高信噪比，提高激光自准直仪的抗干扰能力和稳定性。此外，该装置增加了水平基准测量光路，能够实现测量激光自准直仪以及被测面相对于水平基准的绝对偏航角和俯仰角大小。

Description

基于绝对角度测量的双光源高精度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，具体涉及基于绝对角度测量的双光源高精度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，同时反射光束波面畸变，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面畸变，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，本发明公开了一种基于绝对角度测量的双光源高精度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；同时该装置以水平液面为基准，实现对自准直装置和被测目标的绝对角度测量。

本发明的目的是这样实现的：

基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法，包括光源单元、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。

装置中包含第一光源、第二光源、第二二向色镜、第三二向色镜。第一光源和第二光源可以发出不同波长的光束。第二二向色镜和第三二向色镜对第一光源发出的光束呈现高透过率，对第二光源发出的光束呈现高反射率。

所述光源单元由第一光源、第二光源、第五分光镜组成。第一光源和第二光源分别在第五分光镜分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜焦平面。第一光源、第五分光镜和第一透射式准直镜依次放置，中心在同一光轴上。第一偏振片在第五分光镜和第一反馈分光镜之间。

所述反馈成像单元设置在第五分光镜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、第二二向色镜、和设置在第一透射式准直镜焦点处的第一光电传感器、第四光电传感器。由半反半透镜反射的第一光源光束为测量光束，先后经过第三二向色镜、第三偏振分光镜、第一透射式准直镜透射、经过第一反馈分光镜反射，第二二向色镜透射，由第一光电传感器采集成像光斑位移信息。在激光自准直仪主光轴水平、第三二向色镜与水平基准液面呈45°夹角时，由水平基准液面反射的第二光源基准光束最终汇聚成像在第四光电传感器探测区域中心位置。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第三二向色镜、半反半透镜、四分之一波片、角锥棱镜、水平基准容器组成。水平基准容器内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜、半反半透镜、四分之一波片、角锥棱镜中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜呈45°角放置，反射的光轴垂直于水平基准液面。由第三二向色镜的反射面反射得到的第二光源光束为基准光束，由第四光电传感器采集成像光斑位移信息；经第三二向色镜透射、半反半透镜反射的第一光源光束为测量光束，入射反馈成像单元并得到成像光斑偏离中心的位移信息；半反半透镜透射的第一光源光束为参考光束，会经过四分之一波片透射、角锥棱镜反射、四分之一波片透射，传输方向与原方向相反，偏振方向改变，入射扰动反馈测量系统并采集光斑信息。

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带有角度调整单元的第四反馈反射镜和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导致偏振方向改变，被第二偏振分光镜反射，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，经过第四反馈反射镜反射，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。

所述角度调整单元设置在第四反馈反射镜上，包括第一角度偏转驱动器、第二角度偏转驱动器、角度调整镜架、以及万向轴。其中第一角度偏转驱动器与万向轴连线垂直第二角度偏转驱动器和万向轴连线。

在上述基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的基于绝对角度测量的双光源高精度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第三二向色镜的反射面；

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、第四光电传感器探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、水平基准容器内有静置的高反射率液体，第二光源基准光束汇聚成像在第四光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx0和Δy0；反馈成像单元工作，第一光源测量光束入射第一光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；扰动反馈测量系统工作，第一光源参考光束入射第二光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，入射第三波前传感器，得到参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2和w0，通过角度调整单元驱动第一角度偏转驱动器和第二角度偏转驱动器，使第四反馈反射镜反射光束垂直入射第三波前传感器，再次得到第三波前传感器测量的参考光束波前数据w1；

步骤e、根据Δx0、Δy0、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移量和波面畸变测量数据，补偿计算激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对俯仰角和偏航角。其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，f3、f4表示两个函数。

步骤f、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算被测组合式反射镜和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角。其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数。

步骤g、根据Δθ0、Δθ、计算得到组合式反射镜和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、

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、波前畸变反馈测量单元中的第四反馈反射镜带有角度调整单元，该单元可以根据测量得到的角漂移数据和波前数据，通过角度偏转驱动器控制反射镜偏转，使反射的参考光束正入射波前传感器，避免由于角漂移产生的光束整体倾斜对波前测量带来的影响，进一步实现了角漂移和波前畸变引入误差的分离，有利于提高激光自准直仪测量补偿精度。此外角度调整单元中，第四反馈反射镜固定在角度调整镜架上，第一角度偏转驱动器与万向轴的连线垂直第二角度偏转驱动器与万向轴的连线；两条连线相互垂直，在角度控制上无需复杂解耦运算，简化计算过程，提高响应速度。

第四、选择双光源的结构形式，其光束分别作为测量光束与参考光束，在与之对应的光电探测器前放置对应波长的滤光片，则探测器接收光束波长单一，光束互不影响，而且有效减弱另一光源和外界杂散光对传感器探测的影响，提高信噪比，提高激光自准直仪的抗干扰能力和测量稳定性。

第五、通过增加水平基准液面，利用第二光源基准光束实现了激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对角度测量，进而能够实现对组合式反射镜与被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角的测量。

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是本发明基于绝对角度测量的双光源高精度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是角度调整单元的结构示意图。

图4是本发明基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置具体实施例二的结构示意图。

图中：1光源单元、11第一光源、12第二光源、13第五分光镜、14第二二向色镜、2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、43第四反馈分光镜、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、55第三二向色镜、56水平基准容器、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、92第四反馈反射镜、93角度调整单元、94第三透射式准直镜。

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

本实施例是基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置具体实施例一。

本实施例的基于绝对角度测量的双光源高精度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单元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。

装置中包含第一光源11、第二光源12、第二二向色镜14、第三二向色镜55。第一光源11和第二光源12分别发出不同波长的光束。第二二向色镜14和第三二向色镜55对第一光源11发出的光束呈现高透过率，对第二光源12发出的光束呈现高反射率。

所述光源单元1由第一光源11、第二光源12、第五分光镜13组成。第一光源11和第一光源12分别在第五分光镜13分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜2焦平面。第一光源11、第五分光镜13和第一透射式准直镜2依次放置，中心在同一光轴上。

所述反馈成像单元4设置在第五分光镜13与第一透射式准直镜2之间，反馈成像单元4包括第一反馈分光镜41、第二二向色镜14、和设置在第一透射式准直镜2焦点处的第一光电传感器42与第四光电传感器43。第二二向色镜14反射面与光轴呈45°倾斜放置。光轴垂直于光电探测器探测区域中心位置。

所述组合式反射镜5由第三二向色镜55、半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53、水平基准容器55组成。水平基准容器55内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜55、半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜55反射面与光轴呈45°角倾斜放置，反射的光轴垂直于水平基准液面。

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；波前畸变反馈测量单元9由带有角度调整单元93的第四反馈反射镜92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。

所述角度调整单元93设置在第四反馈反射镜92上，包括第一角度偏转驱动器931、第二角度偏转驱动器932、角度调整镜架934、以及万向轴933。其中第一角度偏转驱动器931与万向轴933连线垂直第二角度偏转驱动器932和万向轴连933线。

本实施例的测量原理如下：

第一光源11发出的光束和第二光源12发出的光束在经过第五分光镜13后会发生合并，两光束光轴重合、传播方向相同，经过第一偏振片6、第一反馈分光镜41透射、第一透射式准直镜2准直成线偏振平行光。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的第三二向色镜55，此时第一光源11光束透射，作为测量光束和参考光束；第二光源12光束会被反射，作为基准光束。

由第三二向色镜55的反射面反射得到的第二光源12光束为基准光束，入射静置的高反射率的水平基准液面，反射后再次经过第三二向色镜55反射返回。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、第二二向色镜14反射，入射第四光电传感器43，采集成像光斑偏离探测区域中心的位移信息Δx0、Δy0。

经过第三二向色镜55透射的第一光源11光束，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，因此会依次经过第三二向色镜55、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，第二二向色镜14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，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反射的第一光源11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；另一路为透射参考光束，由第四反馈分光镜92反射并入射第三波前传感器91采集参考光束波前信息w0；同时，角度调整单元93通过驱动第一角度偏转驱动器931和第二角度偏转驱动器932，调整第四反馈分光镜92的角度，使光束正入射第三波前传感器91，此时重新测量得到参考光束波前信息w1，避免了角漂移带来的波面整体倾斜对波面畸变测量产生的影响。

通过计算可以得到：激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对俯仰角和偏航角。其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，组合式反射镜和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角，其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、组合式反射镜和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、f1、f2、f3、f4、f5、f6表示六个函数。

本实施例的测量步骤如下：

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第三二向色镜55的反射面和半反半透镜51的反射面；

步骤b、点亮光源，反馈成像单元装置工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器42、第四光电传感器43探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器42、第四光电传感器43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、第四光电传感器43探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、水平基准容器内有静置的高反射率液体，第二光源12基准光束汇聚成像在第四光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx0和Δy0；反馈成像单元工作，第一光源11测量光束入射第一光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；扰动反馈测量系统工作，第一光源11参考光束入射第二光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，入射第三波前传感器，得到参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2和w0，通过角度调整单元驱动第一角度偏转驱动器和第二角度偏转驱动器，使第四反馈反射镜反射光束垂直入射第三波前传感器，再次得到第三波前传感器测量的参考光束波前数据w1；

步骤e、根据Δx0、Δy0、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对俯仰角和偏航角。其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，f3、f4表示两个函数。

步骤f、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算被测组合式反射镜和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角。其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数。

步骤g、根据Δθ0、Δθ、计算得到组合式反射镜和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、f5、f6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，可以实现测量空气扰动引入的角漂移和波前畸变引起误差。通过角漂移量反馈测量单元8可以测量角度漂移误差、通过波前畸变反馈测量单元9可以测量波前畸变引起的误差，实现了误差的分离与测量。通过补偿算法，对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偏航角和俯仰角进行误差补偿，减小角度漂移和波前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，提高了仪器测量与补偿精度。

同时，使用双光源结构以及在探测器前放置对应波长的滤光片，会有效减小另一光源光束和外界杂散光的干扰，提高光电传感器输出信号的信噪比，提高激光自准直仪的测量精度和抗干扰能力。

具体实施例二

本实施例是基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置具体实施例二。

本实施例的基于绝对角度测量的双光源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1的基础上，去掉第二透射式准直镜82、第四反馈分光镜92、角度调整单元93、增加第三透射式准直镜94。调整了扰动反馈测量单元的光路结构，减小了光路和光学元件的体积，使整体结构紧凑稳定、更具有便携性设计优势。同时软件算法替代机械调整对准环节，提高测量速度，使激光自准直仪具有高频响的优势。

该自准直装置包括光源单元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。

装置中包含第一光源11、第二光源12、第二二向色镜14、第三二向色镜55。第一光源11和第二光源12分别发出不同波长的光束。第二二向色镜14和第三二向色镜55对第一光源11发出的光束呈现高透过率，对第二光源12发出的光束呈现高反射率。

所述光源单元1由第一光源11、第二光源12、第五分光镜13组成。第一光源11和第一光源112分别在第五分光镜13分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜2焦平面。第一光源11、第五分光镜1、第一反馈分光镜41、第二偏振分光镜7和第一透射式准直镜2依次放置，中心在同一光轴上。

所述反馈成像单元4设置在第五分光镜13与第二偏振分光镜7之间，反馈成像单元4包括第一反馈分光镜41、第二二向色镜14、和设置在第一透射式准直镜2焦点处的第一光电传感器42与第四光电传感器43。第二二向色镜14与光轴呈45°倾斜放置。光轴垂直于光电探测器探测区域中心位置。

所述组合式反射镜5由第三二向色镜55、半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53、水平基准容器55组成。水平基准容器55内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜55、半反半透镜51、四分之一波片52、角锥棱镜53中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜55与光轴呈45°角放置，反射的光轴垂直于水平基准液面。

所述角漂移量反馈测量单元8由第三反馈分光镜83、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；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。并且第三透射式准直镜94的焦面和第一透射式准直镜2焦面重合，两准直镜在焦面同侧。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：

第一光源11发出的光束和第二光源12发出的光束在经过第五分光镜13后会发生合并，两光束光轴重合、传播方向相同，经过第一偏振片6、第一反馈分光镜41透射、第一透射式准直镜2准直成线偏振平行光。平行光入射到组合式反射镜5的第一二向色镜54的反射面，此时第一光源11光束透射，作为测量光束和参考光束；第二光源12光束会被反射，作为基准光束。

由第三二向色镜55的反射面反射得到的第二光源12光束为基准光束，入射静置的高反射率的水平基准液面，反射后再次经过第三二向色镜55反射返回。经过第一透射式准直镜透射、第二偏振分光镜透射、第一反馈分光镜反射、第二二向色镜反射，入射第四光电传感器，采集成像光斑偏离探测区域中心的位移信息Δx0、Δy0。

经过第三二向色镜55透射的第一光源11的光束，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，因此会依次经过第三二向色镜55、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，第二二向色镜14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，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反射的第一光源11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：一路为透射参考光束，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；另一路为反射参考光束，经过第三透射式准直镜准直为平行光，入射第三波前传感器91测量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面整体倾斜，得到参考光束的波面畸变数据，重新测量得到波面畸变信息w1，可以避免由角漂移带来的波面整体倾斜对测量波面畸变产生的影响。其中w1＝f7(Δx2,Δy2,w0)，f7表示一个函数。

通过计算可以得到：激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角，Δθ0和其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，组合式反射镜和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角，Δθ和其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、组合式反射镜和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、 f1、f2、f3、f4、f5、f6表示六个函数。

本实施例的测量步骤如下：

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第三二向色镜55的反射面和半反半透镜51的反射面；

步骤b、点亮光源，反馈成像单元装置工作，如果：

(1)如果光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域内，进入步骤c；

(2)如果光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、水平基准容器内有静置的高反射率液体，第二光源12基准光束汇聚成像在第四光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx0和Δy0；反馈成像单元工作，第一光源11测量光束入射第一光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；扰动反馈测量系统工作，第一光源11参考光束入射第二光电传感器，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，入射第三波前传感器，得到参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2和w0，利用软件计算波面畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波面畸变信息w1，其中w1＝f7(Δx2,Δy2,w0)，f7表示一个函数。

步骤e、根据Δx0、Δy0、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对俯仰角和偏航角。其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，f3、f4表示两个函数。

步骤f、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算被测组合式反射镜和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角。其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数。

步骤g、根据Δθ0、Δθ、计算得到组合式反射镜和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、f5、f6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 (3)

1.基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源单元(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)；

装置中包含第一光源(11)、第二光源(12)、第二二向色镜(14)、第三二向色镜(55)；第一光源(11)和第二光源(12)分别发出不同波长的光束；第二二向色镜(14)和第三二向色镜(55)对第一光源(11)发出的光束呈现高透过率，对第二光源(12)发出的光束呈现高反射率；

所述光源单元(1)由第一光源(11)、第二光源(12)、第五分光镜(13)组成；第一光源(11)和第一光源(12)分别在第五分光镜(13)分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜(2)焦平面；第一光源(11)、第五分光镜(13)和第一透射式准直镜(2)依次放置，中心在同一光轴上；第一光源(11)发出的光束和第二光源(12)发出的光束在经过第五分光镜(13)后会发生合并，两光束光轴重合、传播方向相同；

所述反馈成像单元(4)设置在第五分光镜(13)与第一透射式准直镜(2)之间，反馈成像单元(4)包括第一反馈分光镜(41)、第二二向色镜(14)、和设置在第一透射式准直镜(2)焦点处的第一光电传感器(42)与第四光电传感器(43)；第二二向色镜(14)与光轴呈45°倾斜放置；光轴垂直于光电探测器探测区域中心位置；

所述组合式反射镜(5)由第三二向色镜(55)、半反半透镜(51)、四分之一波片(52)、角锥棱镜(53)、水平基准容器(55)组成；水平基准容器(55)内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜(55)、半反半透镜(51)、四分之一波片(52)、角锥棱镜(53)中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜(55)反射面与光轴呈45°角放置，反射的光轴垂直于水平基准液面；由第三二向色镜(55)的反射面反射得到的第二光源(12)光束为基准光束，入射静置的高反射率的水平基准液面，反射后再次经过第三二向色镜(55)反射返回；经过第三二向色镜(55)透射的第一光源(11)光束，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，因此会入射反馈成像单元(4)；透射光束为参考光束，经过角锥棱镜(53)反射后，偏振方向改变，入射扰动反馈测量单元；

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；波前畸变反馈测量单元(9)由带有角度调整单元(93)的第四反馈反射镜(92)和第三波前传感器(91)组成；在无空气扰动的情况下，第四反馈反射镜(92)反射光束的光轴垂直于第三波前传感器(91)探测区域中心位置；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；

所述角度调整单元(93)设置在第四反馈反射镜(92)上，包括第一角度偏转驱动器(931)、第二角度偏转驱动器(932)、角度调整镜架(934)、以及万向轴(933)；其中第一角度偏转驱动器(931)与万向轴(933)连线垂直第二角度偏转驱动器(932)和万向轴连(933)线。

2.在权利要求1所述的基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的基于绝对角度测量的双光源高精度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(5)的第三二向色镜(55)的反射面和半反半透镜(51)的反射面；

步骤b、点亮光源单元(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)、第四光电传感器(43)探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器(42)、第四光电传感器(43)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)、第四光电传感器(43)探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、水平基准容器(56)内有静置的高反射率液体，第一光源(12)基准光束汇聚成像在第四光电传感器(43)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx0和Δy0；反馈成像单元工作，第一光源1测量光束入射第一光电传感器(42)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；扰动反馈测量系统工作，第一光源1参考光束入射第二光电传感器(81)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，入射第三波前传感器(91)，得到参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2和w0，用角度调整单元(93)驱动第一角度偏转驱动器(931)和第二角度偏转驱动器(932)，使第四反馈反射镜(92)反射光束垂直入射第三波前传感器(91)，再次得到第三波前传感器(91)测量的参考光束波前数据w1；

步骤e、根据Δx0、Δy0、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对俯仰角和偏航角；其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，f3、f4表示两个函数；

步骤f、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算被测组合式反射镜(5)和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角；其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数；

步骤g、根据Δθ0、Δθ、计算得到组合式反射镜(5)和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、f5、f6表示两个函数。

3.在权利要求1所述的基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的基于绝对角度测量的双光源高精度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)、第四反馈分光镜(92)、角度调整单元(93)、增加第三透射式准直镜(94)；

所述角漂移量反馈测量单元(8)由第三反馈分光镜(83)、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；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，并且第三透射式准直镜(94)的焦面和第一透射式准直镜(2)焦面重合，两准直镜在焦面同侧；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；

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；由第二偏振分光镜(7)反射的第一光源(11)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：一路为透射参考光束，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；另一路为反射参考光束，经过第三透射式准直镜(94)准直为平行光，入射第三波前传感器(91)测量参考光束波前畸变信息；

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(5)的第三二向色镜(55)的反射面和半反半透镜(51)的反射面；

步骤b、点亮光源单元(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)、第四光电传感器(43)探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器(42)、第四光电传感器(43)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)、第四光电传感器(43)探测区域之内，进入步骤c；

步骤c、水平基准容器(56)内有静置的高反射率液体，第二光源(12)基准光束汇聚成像在第四光电传感器(43)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx0和Δy0；反馈成像单元(4)工作，第一光源(11)测量光束入射第一光电传感器(42)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；扰动反馈测量单元工作，第一光源(11)参考光束入射第二光电传感器(81)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，入射第三波前传感器(91)，得到参考光束波前数据w0；

步骤d、根据Δx2、Δy2和w0，利用软件计算波面畸变数据，补偿参考光束整体倾斜，重新计算参考光束波面畸变信息w1，其中w1＝f7(Δx2,Δy2,w0)，f7表示一个函数；

步骤e、根据Δx0、Δy0、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算激光自准直仪相对于水平基准液面的绝对俯仰角和偏航角；其中，Δθ0＝f3(Δx0,Δx2,w1)，f3、f4表示两个函数；

步骤f、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，用参考光束角漂移和波面畸变测量数据，补偿计算被测组合式反射镜(5)和被测物面相对于自准直仪主光轴的偏航角和俯仰角；其中Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数；

步骤g、根据Δθ0、Δθ、计算得到组合式反射镜(5)和被测物面相对于水平基准液面的绝对偏航角和俯仰角α＝f5(Δθ0,Δθ)、f5、f6表示两个函数。