空间运动目标六自由度激光跟踪测量系统与建模分析

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1、南京航空航天大学硕士学位论文也可以通过建立两个极坐标系测量空间一点的位置。如图卜-2所示，为了测量空间点P的空间坐标，在已知系统(经纬仪站点A、B)的定位元素：水平距离b和高度差h的前提下．根据两台经纬仪的水平角a．、a。，竖直角p．、p。，即可计算出P点的空间坐标。这种测量方法常被称作三角法，其特点是操作简单，但精度难以控制(如距离b需两台经纬仪互瞄测得．而互瞄操作复杂，且b必须大于两经纬仪最短可视距离之和，精度难以提高)。经鲔仅Ab图1—2三角法测量原理图h近年来在三角测量法的基础上发展了其它一些方法．如；光学柔性三坐标澜量系统、激光扫描物体空间编码

2、技术等。光学柔性三坐标测量系统一般由两台经纬仪组成，采用透射投影变换建立空间三坐标测量模型。激光扫描物体空间编码技术的原理是激光器的激光束由柱面镜交换成狭缝光束投放到扫描转镜上，利用扫描镜形成结构光扫描待测物体，摄象机可以拍摄含有物体表面形状的一帧图象，获得足够的多帧图象，结合后即可得到整个物体的形状；再利用空间编码技术在满足较高测量速度的前提下，获得足够多的图象信息．提高空问分辨率。建立一个极坐标系的激光干涉法虽可对物体进行跟踪涌量，但要对目标物体进行全姿态(六自由度：x，Y，z坐标和绕三个轴的转角a、B、Y)的实时测量，至少需要三个跟踪测量站同时跟踪

3、测量目标上相互位置固定的三个被测点的坐标。预先确定好每个子系统(跟踪站)之间的位置关系，在测量过程中实时地测量每个子系统到目标的距离变化．当得到多个位置的距离变化量时，可以通过解方程组求出目标的位置坐标(包括绕三个轴的转角a、13、Y)。由多站法跟踪测量建立的数学模型分析，采用三站法的测量精度不会太高，如果增加一个干涉仪，即采用四站法跟踪测量，可以对测试点造成过定位，使用最小二乘法估算出跟踪干涉仪的所有位置参数以及目标的空间位置坐标，这样可以提高精度。多站法跟踪测量可以实时地测量物体的六自由度。测量范围大．测量精度也较高(50mm／m)，但干涉仪数目的增

4、多，会有以下问题：(1)测量点增多，计算量增大，跟踪速度受影响；(2)要想使干涉仪都跟踪上目标，目标的运动范围必然受到限制；(3)仪器成本增大。如能通过一条激光束，设计一种能跟踪测量三维目标的六自由度变化系统，可弥补多站跟踪测量法的缺点。．'．空间运动目标六自由度激光跟踪铡量系统及建模研究1．2．3多自由度传癌器法一条激光束含有六自由度信息，可设计一种传感器产生相对激光束的六自由度信号，进行六自由度测量，称为多自由度传感器法。下面介绍一种利用全息透镜分光和干涉计量的六自由度测试系统．它结合激光漂移补偿技术和激光调制技术同时探测空间物体六自由度偏差，并能保

5、证各被测参数之间的相对独立，可实现对空问物体位置精度的动态检测。此测试系统结构示意如图卜3所示，坐标原点确定为全息透镜的中心O。一准直扩束光束经分光镜分为两束，一束进入干涉系统，被用来测量物体沿z轴位移。另一束经磁光调制器后入射到全息透镜，被分为三路：非衍射光束、会聚光束和发射光束，利用这三束光所携带的信息来测量其它五个自由度偏差。图卜3一种六自由度测试系统原理图当准直光束中心线以方向角a、p、Y入射到全息透镜中心时，在菲涅尔近似条件下(∞啦酬。，T砷)，且只考虑光束所带位置信息，略去对问因子exo(j(ot)，则通过全息透镜后的透射光波可表示为：南京航

6、空航天大学硕士学位论文耳=C(A2+J伊)De冲眦ocos口+y瞄声+：cos朋+ABCDcxp卜顺￡二：±i；；堡一Jcns口一y螂卢一=cosy)]+彳嬲踟咖祥!{：}塑+zcos盯+y傩户+斓哼朋其中A为参考光振幅；B为物光光波的振幅：C是全息透镜透射系数；D是照明光波振幅；F铷呱x，+z0为全息透镜的焦距；CO$(X、∞sp、cosy是照明光波的方向余弦。式中第一项为照明光束的继续，可视为原路光束，它被一位置敏感探策器(PSD)接收，其作用同一般激光准直仪一样，可实现光靶与激光束在x向及Y向相对位移的测量。第二项完整地保存了原物光的信息，若为会聚

7、光束，则该光束沿任何方向平移或绕Z轴相对转动，都不改变全息透镜焦点的相对位置，仅当它与光靶之间有绕x轴或绕Y轴的相对转动时焦点才会移动。因此该光束在焦点处被另一PSD接收．便可实现e，、钆的测量。第三项也保存了原物光的信息，但它与原物光在位相上是共轭的，第二项为会聚光束，则它应该为发散光束，可以利用它与照相光束具有相同偏振特性的特点实现e7的测量。这种六自由度测试系统测量精度较高，但它利用了全息技术，对环境的要求很高，测量范围有限．而且多元件的采用使得测试系统的可动部分不宜小型化，且标定比较复杂等。这决定了它的应用范围是机床导轨、风动天平体轴加载的自动较

8、测等多个自由度的准直和微小偏移量的测量。1．3本文主要研究内容、目标及应用前景本