基于準直光束的高精度滾轉(zhuǎn)角測量方法研究

郝雯霞,呂 勇,李曉英,陳青山,耿 蕊,張明珠

(1．北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192；2．中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200072)

引言

在多自由度同時測量中,滾轉(zhuǎn)角測量[1-2]存在測量系統(tǒng)繁雜、精度低、不利于與其他維度測量集成等缺點，使得滾轉(zhuǎn)角測量成為高精度測量的難點。目前滾轉(zhuǎn)角測量的方法主要為光學(xué)測量法。光學(xué)測量方法可以歸納為干涉法[3-4]、偏振法[5-6]和幾何法[7-9]等幾類。其中利用偏振法進行滾轉(zhuǎn)角測量的較多,但測量結(jié)構(gòu)較為獨立，難與其他維度測量集成。

本文提出了一種基于準直光束的滾轉(zhuǎn)角測量方法。3束準直光入射到CCD上，被測物轉(zhuǎn)動后，CCD光斑位置改變，2個光斑中心連線的斜率隨即變化。直線斜率變化由俯仰、偏擺、滾轉(zhuǎn)引起，消除由偏擺和俯仰運動引起的直線斜率變化，可實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角的高精度測量。

1 滾轉(zhuǎn)角測量方法分析

1.1 系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角的高精度測量，本文設(shè)計了如圖1所示的測量結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)測量原理圖Fig.1 Structure of measuring system

系統(tǒng)由固定部分和運動部分組成。固定部分包含準直器、半透半反鏡、透鏡和CCD3。運動部分包含反射鏡、連接桿、CCD1和CCD2，反射鏡緊固在被測物上，2個CCD通過連接桿連為一體，反射鏡和CCD隨被測物同步變化。

當被測物運動時，CCD1和CCD2上2個光斑中心連線的斜率發(fā)生變化；由 CCD3上的光斑位置變化可測得俯仰角和偏擺角。物體平動不會引起直線斜率變化，斜率變化是由滾轉(zhuǎn)、偏擺、俯仰運動引起[10]。當俯仰角和偏擺角變化范圍較大時，消除由偏擺和俯仰運動引起的斜率變化，可精確測量滾轉(zhuǎn)角。……