面向工业现场大尺寸测量的空气折射率廓线多特征吸收光谱动态反演方法

For error compensation of NC machine tool and manufacturing and assembly of large work-pieces in aerospace industry, the accuracy of laser interferometer for large scale metrology is limited by in suit air refractive index distribution due to its characteristics of time-varying and non-uniform distribution. As a result, the interference measurement result uncertainty evaluation lost evidence. Aiming at this problem, this project aims to explore the tunable diode laser absorption spectroscopy to reconstruct profile of non uniform air refractive index by using multiple characteristic absorption spectrum and try to reveal the influence of the temperature, relative humidity, concentration of CO2 of air to absorption spectra of diode laser. Based on that, multiple feature absorption lines are selected to describe the time-varying non-uniform distribution of air refractive index. The influence of laser tuning, modulation parameters and its nonlinear effects on the harmonic of spectral line is studied to improve the accuracy of absorption spectrum measurement. The strategy of adjust adaptively control parameters is studied to realize the self-correction of profile distortion of spectral line. Then, a time-varying nonlinear dynamic model is used to describe the air refractive index profile along the path of measuring beam and the temperature, humidity and concentration of CO2 of air are used as time-varying parameters for this model. The inversion method based on statistical regression analysis will be studied to reconstruct profile of air refractive index. The online correction for large scale interferometry measurement at industrial site will be studied to improve the measuring accuracy and the robustness of precision measurement equipment to enviromental changes.

在数控机床误差补偿、航空航天制造等领域的大型构件加工与装配现场,空气折射率的空间时变、非均匀分布特性严重影响大尺寸激光干涉测量的精度，使干涉测量结果的不确定性评估失去依据。针对此问题，本项目拟探索使用可调谐半导体激光器多特征吸收光谱在线重构非均匀空气介质折射率廓线的方法，揭示空气温度、相对湿度、CO2浓度等物理量对空气吸收光谱的影响规律，优化选择表征时变、非均匀空气折射率的特征吸收谱线。研究激光调谐、调制模式及其非线性特性对吸收光谱谱线的影响规律，优化可调谐激光调谐、调制参数。研究控制参数自适应调整策略，实现吸收谱线线形畸变的自校正方法。在此基础上，以温度、湿度等物理量为时变参数，研究沿测量光束路径空气折射率廓线时变非线性动态建模及其基于统计回归分析的反演方法，重构激光测量光束路径的空气折射率廓线，实现工业现场大尺寸干涉测量在线修正，提高干涉测量精度，提升精密测量设备对环境变化的鲁棒性。

面向工业现场的光学干涉测距技术，已逐渐成为大尺寸精密测量领域最具商业化潜力和工程应用前景的先进测量技术。其在数控机床误差补偿、航空航天制造、大尺寸构件表面形貌精密测量等领域都已获得广泛应用。.本项目针对扫频干涉测距技术（FSI）中核心组件——外腔半导体激光器（ECDL），自主完成了ECDL的参数化设计、加工装配、各项调谐性能测试以及综合性能改进，完全实现了自制高性能ECDL的小批量生成；以此为基础，实现了光学扫描干涉测距实验平台的搭建和便携化集成。同时提出了基于小波变换、扩展卡尔曼滤波等先进信号处理方法的干涉信号相位提取算法，显著提高了FSI的测量精度。本项目首次提出了基于卡尔曼滤波技术的FSI动态测量模型，解决了FSI在工业现场测量环境下，应用于动态测量所面对的最大挑战——即由测量对象振动引起的光程差漂移，进而导致的测量误差成数千倍的放大。在工业测量现场，空气折射率的非线性时变以及在空间上的各向异性都是限制激光干涉测量精度的最主要因素，本项目提出了基于双干涉仪的全路径空气折射率廓线的反演算法，实现了空气折射率全路径的实时测量。通过构造激光脉冲在空气传播下的零差检测数学模型，利用自主搭建的全光学光脉冲整形器，提出了一种对测量环境空气参数变化不敏感，即对空气折射率免疫的绝对距离测量方法；此外，通过在自制ECDL、光学扫频干涉动态测距以及空气折射率计算补偿方法等领域的研究积累，对应用ECDL作为光源的光学干涉绝对测距技术进行了进一步的工程化应用扩展，本项目建立了非球面测量模型，并应用剪切干涉基础理论，完成了非球面镜非零位面型检测仪原型样机的研制。在此基础上，提出了基于光线追迹原理的面形反演方法以及非共光路系统误差的标定方法，将非零位测量的回程误差从测量系统结果中分离，有效提高了仪器的检测精度。