光电测量 激光跟踪测量系统性能检测方法

3本文件描述了激光跟踪测量系统（简称待测系统）的激光干涉仪和绝对测距仪测距精度、目标跟踪速度及加速度、空间长度测量精度、姿态角测量精度等性能参数测试的原理，测试条件及要求，测本文件适用于新研制和已生产的激光跟踪测量系统性能测试，包括三自由度激光跟踪测量系统和下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适3.1激光跟踪测量系统lasertrackin通过激光束跟踪合作目标，由距离（极径）和两个角度确定其位置坐标的测量系统，结合姿态角注：两个角度被称为水平角（绕着立轴线即待测系统的立轴的转动）和垂直角（与水平面3.2注：激光干涉仪可用来测量距离的差，需要有一个3.3内置于待测系统的绝对距离测量单元，用于目标距离（极径）测量，可用于激光跟踪测量过程中3.4球面靶标sphericallymountedretro4固定在球壳中的反射靶标，其中反射靶标是能够对在可接收范围内的入射光进行平行反射的无源3.5六自由度靶标sixdegreeoffre3.63.74测试原理激光跟踪测量系统性能测试装置示意图见图1，通过建立长度、速度、加速度、角度等参考装置与激光跟踪测量系统待测参数进行比较，实现激光干涉仪及绝对测距仪测距精度、目标跟踪速度及加速23标引序号说明：5123456a)环境温度：15℃~35℃;b)环境湿度：2080%;c)环境光照：室内照明环境，避免外界强太阳光照干扰；c)测试仪器性能指标高于待测系统相应参数指标，所需主要测试仪器性能指标要求见61234半径不大于0.8m；5EF√√EA√√vH√√vVaH√√aVEL√√—√由精密长导轨和已校准激光干涉仪组成长度参考装置，待测系统激光干涉仪和已校准激光干涉仪同时测量多个位置的长度变化量，通过比对待测系统激光干涉仪和已校准激光干涉仪的距离测量值，7得到待测系统激光干涉仪测距误差，以相对测距误差极限值作为待测系统激光干涉仪的测距精度。激35328217461——待测系统；2——已校准激光干涉仪；3——已校准激光干涉仪测量镜；a)将待测系统和已校准激光干涉仪（两台及以上）置于精密长导轨的一端，将球面靶标和已校准激光干涉仪测量镜安装于精密长导轨的同一移动滑块上，其中球面靶标可利用靶座固定，移动滑块运动到精密长导轨的两端，分别调节待测系统和已校准激光干涉仪的测量激光输出方向，使两束测量激光各自指向球面靶标和已校准激光干涉仪测量镜的同一位置，保证激光b)将移动滑块置于靠近待测系统一侧的精密长导轨起始端，记录当前位置处待测系统激光干涉仪测量值LF0和已校准激光干涉仪输出的测距值D0；到待测系统最大测量范围或精密长导轨末端每个测量点位记录相应待测系统激光干涉仪测量值LFi与已校准激光干涉仪的测距值Di。激光干涉仪测距误差ΔlFi按照公式（1）计算：··········································ΔlFi=LFi−LF0−Di−D0··········································ΔlFi——第i个位置处，待测系统激光干涉仪测距误差，单位为米（mLFi——第i个位置处，待测系统激光干涉仪输出的测量值，单位为米（mLF0——初始位置处，待测系统激光干涉仪输出的测量值，单位为米（m）；Di——第i个位置处，已校准激光干涉仪输出的测距值，单位为米（m）；D0——初始位置处，已校准激光干涉仪输出的测距值，单位为米（m8以极限值EF表示待测系统激光干涉仪测距精度，按照公式（3）计算：··············································由精密长导轨和已校准激光干涉仪组成长度参考装置，待测系统绝对测距仪（含遮光前后断光续接数据）和已校准激光干涉仪同时测量多个位置的长度变化量，通过比对待测系统绝对测距仪和已校准激光干涉仪的距离测量值，得到待测系统绝对测距仪测距误差，以测距误差极限值作为待测系统绝15328532<7<94962——已校准激光干涉仪；a)将待测系统和已校准激光干涉仪（两台及以上）置于精密长导轨的一端，将球面靶标和已校准激光干涉仪测量镜安装于精密长导轨的同一移动滑块上，其中球面靶标可利用靶座固定，移动滑块运动到精密长导轨的两端，分别调节待测系统和已校准激光干涉仪的测量激光输出方向，使两束测量激光各自指向球面靶标和已校准激光干涉仪测量镜的同一位置，保证激光b)将移动滑块置于靠近待测系统一侧的精密长导轨起始端，记录当前位置处待测系统绝对测距仪测量值LA0,和已校准激光干涉仪输出的测距值D0；c)使用遮光板遮挡待测系统测量光束，1s后去掉遮光板，记录待测测系统最大测量范围或精密长导轨末端,共计N个测量点每个测量点位记录相应待测系统9绝对测距仪测量值LAi（i=1,2,…,N-1）与已校准激光干涉仪的测距值Di（i=0,1,…,Ne)当滑块移动到待测系统最大测量范围或精密长导轨末端时，记录绝对测距仪测量值为LAN,，针对起始位置和末尾测试点位置的绝对测距仪断光前后的测量值，以平均值作为绝对测距仪首末绝对测距仪测距误差ΔlAi按照公式（5）计算：ΔlAi=LAi−LA0−Di−D0 ΔlAi——第i个位置处，待测系统绝对测距仪测距误差，单位为米（mLAi——第i个位置处，待测系统绝对测距仪输出的测量值，单位为米（m）；LA0——初始位置处，待测系统绝对测距仪断光前后测量值均值，单位为米（mDi——第i个位置处，已校准激光干涉仪输出的测距值，单位为米（mD0——初始位置处，已校准激光干涉仪输出的测距值，单位为米（mi——测量位置点数，i=0,1,…,N。以极限值EA表示待测系统绝对测距仪测距精度，按照公式（6）计算：利用标准圆轨迹发生器构建目标运动速度参考装置带动球面靶标转动，待测系统正对标准圆轨迹发生器，待测系统保持正常跟踪状态所能允许标准圆轨迹发生器最大转速对应的球面靶标运动速度即2143标引序号说明：a)将直径38.1mm球面靶标安置在标准圆轨迹发生器回转臂的靶座上，待测系统正对标准圆轨迹发生器，距离5m±0.5m；b)启动待测系统并将激光照准标准圆轨迹发生器上的球面靶标；c)控制电机驱动标准圆轨迹发生器带动球面靶标运动，以规定的横向跟踪速度为vref,从0.5vref对应的转速开始逐步增加标准圆轨迹发生器转速（步距对应的速度≤0.1vref使跟踪目标速度达到规定的横向跟踪速度vref，记录此时标准圆轨迹发生器转速NL，要求标准圆轨迹发目标横向跟踪速度vH按照公式（7）计算。R···················································若未规定速度极限，可逐步增加标准圆轨迹发生器旋转速度，至待测系统脱离跟踪状态，降低标准圆轨迹发生器旋转速度直至待测系统可稳定对球面靶标进行跟踪，此时标准圆轨迹发生器转速NL，利用电控直线导轨构建目标运动速度参考装置带动球面靶标径向运动，待测系统保持正常跟踪状态所能允许电控直线导轨带动球面靶标运动的最大速度即为最大目标径向跟踪速度。目标径向跟踪速412352——球面靶标；a)将直径38.1mm球面靶标固定于电控直线导轨的移动滑块上，将待测系统安装于电控直线导轨移动滑块的延长线方向，距离5m±0.5m；b)启动待测系统并将激光照准电控直线导轨移动滑块上的球面靶标；c)设定电控直线导轨所需加速度/减速度、速度、行程等参数，控制电控直线导轨使其带动球面靶球依次进行如下线性运动：匀加速、匀速、匀减速、停止，反向后匀加速、匀速、匀减速、停止，电控直线导轨的工作范围应满足所需加减d)以规定的径向跟踪速度为vref2,要求匀速阶段的速度从0.5vref2开始逐步增加（步距对应的速度≤0.1vref2），使待测系统跟踪速度达到规定的径向跟踪速度，要求待测系统可稳定对球面靶e)记录待测系统所能保持正常稳定跟踪的电控直线导轨最大匀速运动速度vV。目标径向跟踪速度即为待测系统所能保持正常稳定跟踪时电控直线导轨最大匀速运动速度vV。若未规定速度极限，可逐步增加电控直线导轨运动速度，至待测系统脱离跟踪状态，降低电控直线导轨运动速度直至待测系统可稳定对球面靶标进行跟踪，此时电控直线导轨最大匀速运动速度即为利用标准圆轨迹发生器构建目标运动加速度参考装置带动球面靶标转动，待测系统正对标准圆轨迹发生器，待测系统保持正常跟踪状态所能允许标准圆轨迹发生器最大转速对应的球面靶标运动加速a)将直径38.1mm球面靶标安置在标准圆轨迹发生器回转臂的靶座上，待测系统正对标准圆轨迹发生器，距离5m±0.5m；b)启动待测系统并将激光照准标准圆轨迹发生器上的球面靶标；c)控制标准圆轨迹发生器带动球面靶标转动，以规定的横向跟踪加速度为aref,从0.5aref对应的转速开始逐步增加标准圆轨迹发生器转速（步距对应的加速度≤0.1aref使球面靶标运动加速度达到或超过规定的跟踪加速度，记录此时标准圆轨迹发生器转速NL，要求标准圆轨迹(πNL)2H(30,H(30,若未规定加速度极限，可逐步增加标准圆轨迹发生器旋转加速度，至待测系统脱离跟踪状态，降低标准圆轨迹发生器旋转加速度直至待测系统可稳定对球面靶标进行跟踪，此时标准圆轨迹发生器转利用电控直线导轨构建目标运动加速度参考装置带动球面靶标径向运动，待测系统保持正常跟踪状态所能允许电控直线导轨带动球面靶标运动的最大加速度即为最大目标径向跟踪加速度。目标径向a)将直径38.1mm球面靶标固定于电控直线导轨的移动滑块上，将待测系统安装于电控直线导轨移动滑块的延长线方向，距离5m±0.5m；c)设定电控直线导轨所需加速度/减速度、速度、行程等参数，控制电控直线导轨使其带动球面靶球依次进行如下线性运动：匀加速、匀速、匀减速、停止，反向后匀加速、匀速、匀减d)以规定的径向跟踪加速度为aref2,要求匀加减速阶段的加速度从0.5aref2开始逐步增加（步距对应的加速度≤0.1aref2），使待测系统跟踪加速度达到规定的径向跟踪加速度，要求待测系e)记录待测系统所能保持正常稳定跟踪的电控直线导轨最大加速度aV。目标径向跟踪加速度即为待测系统所能保持正常稳定跟踪时电控直线导轨最大运动加速度aV。若未规定加速度极限，可逐步增加电控直线导轨运动加速度，至待测系统脱离跟踪状态，降低电控直线导轨运动加速度直至待测系统可稳定对球面靶标进行跟踪，此时电控直线导轨最大运动加速度6363利用电控直线导轨和已校准的激光干涉仪构建空间长度标准，待测系统通过测量导轨上的两点坐标，将其换算成长度值，与已校准激光干涉仪所得长度测量值进行比较，通过多点比较结果评估待测72829595a)如图6所示建立测试装置，将电控直线导轨水平放置在距离待测系统5m±0.5m位置处；b)将已校准的激光干涉仪置于电控直线导轨的一端，调节已校准激光干涉仪的输出激光方向，c)将待测系统的球面靶标和已校准激光干涉仪测量镜沿导轨方向排列安装于电控直线导轨的同一移动滑块上，并分别对准待测系统和已校准激光干涉仪两束激光，球面靶标的通光孔面向待测系统，记录此时待测系统水平角度示值φ0，已校准干涉仪测量镜的通光孔面向已校准激d)将移动滑块置于电控直线导轨一端，记录当前位置处待测系统输出的起始位置坐标值（x0,y0,进行多次测量，测量次数不低于5次，记录每次移动后待测系统输出的f)调节待测系统水平角使其对准球面靶标时，水平方位相对起始位置（水平角度示值φ0）分别顺时针旋转90±5°、180±5°、270±5°,重复步骤d）~e）；g)将电控直线导轨与已校准激光干涉仪组成的测试平台分别置于距离待测系统0.5Lmax、Lmax位置处（均允许±0.5m误差重复步骤a）~f其中Lmax为待测系统测量范围。h)通过获取待测系统在不同位置输出的三维坐标值以计算空间两点间距离值，与已校准激光干涉仪测量的标准距离值进行比对，得到待测系统在不同距离下的空间长 (yi−y0)2+(zi−z0)2−Di−D0················待测系统最大允许误差规定值采用E1μm+E2μm/m形式，则可将空间长度测量误差绝对值Δli与空间长度测量最大允许误差ΔlEi相比较，其中ΔlEi按照公式（10）计算。Ei=·································若待测系统空间长度测量误差绝对值Δli不超过空间长度测量最大允许误差ΔlEi，可判定待测系统空间长度测量误差达到规定要求，空间长度测量精度EL可按公式（11）计算。EL=E1μm+E2μm/m 由已校准精密转台作为姿态角参考装置，六自由度靶标经转接件紧固在精密转台安装面上，待测系统实时跟踪六自由度靶标。利用待测系统与精密转台同时记录多个姿态角测量值，通过将待测系统与精密转台坐标系统一，进而比对两者姿态角测量值，得到待测系统姿态角多点测量误差，以多点姿41234123标引序号说明：a)将六自由度靶标安装于精密转台上，精密转台与待测系统距离调整为姿态角测量距离范围最c)以精密转台各转轴角度显示0位置起，记录精密转台的初读数θi,0与待测系统相应姿态角示值时记录待测系统姿态角示值(αi,1,βi,1,d)正向测至待测系统姿态角测量极限后，同样的方法从精密转台转轴角度显示0位置起，反向测至待测系统姿态角测量极限，记为θi,n+1，ⅆ,θi,2n，与(αi,n+1,βi,n+1,γi,n+1ⅆ,其中，θi,j为精密转台读数，i=1,2,3，用于指代精密转台各转轴；j=1,2,…,2n，用于指代精密转台各转轴第j个测点。(αi,j,βi,j,γi,j）为待测系统姿态角测量值，i=1,2,3，用于指代精密转台各转轴；j=1,2,…,2n，用于指代待测系统对精密转台各转轴第j个测点。Δ为测量步(Δ×2n)≥(跟踪仪空间姿态角量程)，各轴测点总数存在不同时，n的取值分别记为n1，n2，n3；e)通