使用CCD進(jìn)行動態(tài)高精度角度測量

1、使用ccd進(jìn)行動態(tài)高精度角度測量l990年第1期光學(xué)機(jī)械總第l12期使用ccd進(jìn)行動態(tài)高精度角度測量金春水摘量本文|寸論了使用線陣ccd作為光電接收器的高精度動態(tài)測角系統(tǒng)的原理,結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)曲精度,最后對衍射及濾波對測量精度的影響也進(jìn)行了分析一,引伺服系統(tǒng)中,母系統(tǒng)在較大的視場內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤.這就決定了它的精度不高,需要由子系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償.這樣要求子系統(tǒng)不僅有比母系統(tǒng)更高的跟蹤精度,而且有更好的動態(tài)響應(yīng)性能.子系統(tǒng)由速度控制回路與位置控制回路組成,這兩個回路的角度信息與角速度信息,以往是由測角系統(tǒng)和豌f速電機(jī)提供,而測速發(fā)電機(jī)的體積大,其轉(zhuǎn)動慣量將會影響子系統(tǒng)速分離的模式,采用新的測角系統(tǒng),使

2、它不僅能對子系統(tǒng)反射鏡的轉(zhuǎn)角進(jìn)行動態(tài)測量而且通兩方面考慮,鍘角系統(tǒng)必須具有很高的采樣頻率.線陣電荷耦合器件(ccd)由于具有很高的采樣頻率,噪聲小,體積小,牢固可靠,低電壓工作等特性,成為解決上述問題的一個有效手段.二,測角系統(tǒng)的工作原理自準(zhǔn)直儀是一種應(yīng)用光學(xué)自準(zhǔn)直成像原理工作的高精度測試儀器,它是用光學(xué)自準(zhǔn)直法把物場的角量變換成像場的線量,然后在像場測出其線量而間接地刪出物場反射面微小的角度變化.奉測角系統(tǒng)就是利用自準(zhǔn)直原理測量反射鏡的轉(zhuǎn)角,如果沓ccd采樣周期內(nèi),由于反射鏡的轉(zhuǎn)動使狹縫像的心由圖1的點(diǎn)移動到圈2的b點(diǎn),其問掃過的ccd象元數(shù)為月,ccd線陣的象元尺寸為p,則狹縫像移動的線位

3、移為=p,反射鏡的轉(zhuǎn)角為:=|2|f=rip2/反射鏡的角速度為:=|dt如果采樣頻率足夠高,部采樣廟期很短則.完壘可以代替測速電機(jī)提供的速度信息.注;本文作者的導(dǎo)師為史擠成.一84一蚶拉3一.,一圈l三,系統(tǒng)的誤差分析廚21.原理誤差?根據(jù)自準(zhǔn)直原理=/蟾2,表示線量與角量成正切關(guān)系,但在小角度范圍內(nèi)近似為與成線性關(guān)系即=2,.由此給硎角帶來了誤差,在本系統(tǒng)工作范圍內(nèi)最大誤差=0.32.2.焦距誤差在制造過程中由于光學(xué)系統(tǒng)元件曲率半徑的誤差,折射率誤差及中心厚度誤差等,引起準(zhǔn)直系統(tǒng)的實(shí)際焦距與名義焦距不符.本系統(tǒng)焦距可采用檢鍘標(biāo)定的方法,使焦距的相對誤差為0.1%,它給測角帶來的誤差為:m.

4、=1.75#.ccd不是連續(xù)測量元件,而是斷續(xù)測量元件,因此量化誤差是一個必須要考慮的因素求取狹縫像幾何中心的量化誤差為:口.=.i則抉縫像的線位移的均方根誤差為:口=vd百?此項(xiàng)誤差為均勻分布的隨l扎誤差,堆終反映為測角誤差為:ma=o,43tt4.反射鏡不平度攥差反射面的不平度會破壞反射光束的平行性,這會影響測角精度.在本系統(tǒng)中,它給淵角帶來的誤差甚小可忽略,.(i)如圖3.假定.o面為系統(tǒng)的焦面若ccd繞軸有一個轉(zhuǎn)角,此時相當(dāng)予ccd象元尺寸發(fā)生變化,由p+/c.s,此時所淵州茸由一叫coso但此次誤差對測角精度的影響甚小可忽略.(2)ccd安裝沒有與抉縫像垂直時給刪角帶來的誤差,外爵3

5、圈485如圖4情況.由于采用二套系統(tǒng)對反射鏡進(jìn)行二維測量,狹縫像也會沿非測量方向平移,因此列干其中任一維的ccd測量情況,如果狹縫像與ccd不垂直,這種平移會給測量帶來誤差.設(shè)不垂直度狂2,則測角的極限誤差為m=1.由于所測角量是動態(tài)的j在ccd的光積分時間內(nèi),狹縫像將移動一定的位移,這樣給測量帶來動態(tài)誤差.設(shè)反射鏡的角速度為l./s,光積分時間f=o.8ms,輿lj帶來的誤差為:k/5=1.44.,采用高斯方法對未定系差和隨機(jī)誤差進(jìn)行合成,其對應(yīng)的置信概率為95.系統(tǒng)的動態(tài)誤差為:四,實(shí)驗(yàn)裝置糯耀.n困5本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對ccd高的采樣頻率,完全可以滿足對角位移進(jìn)行搬分求速度代替測速機(jī)的要求,說

6、明從原理上采用此種方案是可行的.五,像面能量分布的討論均句照明的狹縫最終由ccd形成電子圖像的過程如下:.鞫羚.(y.)一物函數(shù)j1,_.:,一南(一音,一,一幾何光學(xué)理想像j表示幾何光學(xué)的放大率并成倒像j(f,)一光學(xué)系統(tǒng)的線擴(kuò)散函數(shù),(0)為頻譜e()一光學(xué)系統(tǒng)像面的照度分布函數(shù),其頻譜(.)表示空間濾波過程c()一空問濾波函數(shù)其頻譜為k(0)e(蜘一空問濾波后的信號,其頻譜為s(.)dccd離散他過程d-(一離散函數(shù),其頻譜為d)且(01一離散化信號,其頻譜為s(0,z表示轉(zhuǎn)移中的損耗濾波c:)一濾波函數(shù),其頻譜為k)e.()一為所求的電子圖像信號,其頻譜為s()目標(biāo)函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)廈cc

7、d器件的一系列變換過程可用目標(biāo)函數(shù)與各相應(yīng)環(huán)節(jié)的權(quán)重函數(shù)進(jìn)行卷積并與離散函數(shù)相乘之乘積來描述e.():擊>?reet().reet(號)?華.j.叫?戶妻?童廣?(1一e>.?d(rip)f一吸收系數(shù)n一耗盡區(qū)深度l一擴(kuò)散長度(ccd內(nèi)部)一電荷包的轉(zhuǎn)移次數(shù)p,一ccd象元尺寸8一轉(zhuǎn)移損耗采用快速傅氏變換方法計(jì)算,如果使運(yùn)算中的離散間距或采樣間距與ccd各單元中心距相等則可將運(yùn)算中的離散化代替上式中的離散函數(shù)的作用,最終e:)可表示中:?專nc(mbiarccos茜一1一(等)(co)e-ne(z咖,.=耵,一空間頻率一采樣點(diǎn)數(shù)一采樣點(diǎn)序號f=0,1,2ndp一采樣間隔,dp-_p

8、6一輸入目標(biāo)函數(shù)方渡的寬度.選取幾組典型參數(shù)代入上式,進(jìn)行fft變換,得出如下結(jié)論;輸出信號邊緣的信號幅值變化梯度隨入射光波長的增大,光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑()的度出發(fā)應(yīng)增大信號變化的梯度,也就是說應(yīng)采用短波波長的光源照明,大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng),轉(zhuǎn)移損耗小的ccd器件,同時狹縫的寬度也應(yīng)盡可能窄些考文1粱治平電手技術(shù),1980年1期,p27-312大島光雄j一七寸.遙方?使0,為.日刊工棠新明社,1980年.3.w.顧穗門,博立葉光學(xué)導(dǎo)論,科學(xué)出版社,1965年.4揚(yáng)瀹欽,控制電機(jī),機(jī)械工業(yè)出版社,1980年.5毛英泰,誤差理論與精度分析.國防工業(yè)出版社.6肖明耀,誤差理論與應(yīng)用計(jì)量出版社1985年.7陳大華j現(xiàn)代光源基礎(chǔ)學(xué)林出版社1982年.8張春華,光學(xué)工程,198,3年3期,p29-39.ataccuratedynamic明.measuringsystemusingccdiiadetector兒hiabstracta7一thispaperdeserlbesthe