基于连续激光调频测距无合作目标大空间精密球坐标测量仪器研究

Large-scale precision coordinate measurement is the basic method of in-situ measurement of major equipment. It is also the necessary supporting method of mechanics，structure and reliability scientific research. With the development of new laser measurements, more effective method can be provided. The content of the project is non-cooperative, large-scale precision spherical coordinate instrument based on frequency-modulated continuous-wave (FMCW) laser ranging, and constitute FMCW laser ranging, FMCW radar detection, surface measured performance and precision mechanism into a system. The research includes: ①Laser ranging method including principle of FMCW laser ranging, dynamic tuning characteristics of tunable laser, quick feedback compensation technique, modulated laser detection technique. ②Key techniques of spherical coordinate measurement including laser source system, new type laser radar detection method, integrated optics of polarized laser, integration of the devices, automatic measurement technique. ③Laser scattering characteristics for remote targets surface such as surface echo signal theory and the influence of target to modulated laser. ④The establishment of error models, the research of error compensation method，design of precision calibration experiment and application experiment. The key technical issues of the project to solve includes: weak laser signal detection and processing technique using laser self-heterodyne method; laser beam modulation technique to produce large-scale, narrow line width, linear, speedy, triangular wave modulated laser; the statistical regularity of surface measurement characteristic and the echo signal compensation method; adaptively adjusting technique of laser transmitting power and dual mode measuring system.

大空间精密坐标测量是重大装备原位测量基本方式，也是力学、结构和可靠性等科学研究的支撑手段，发展新的激光测量方式可以提供更有效方法。本项目研究基于连续激光调频测距无合作目标大空间精密球坐标测量仪器，将连续激光调频测距、调频连续波雷达探测、表面测量特性和精密机构等结合构成仪器。研究包括①连续激光调频测距原理、动态调谐特性、快速反馈补偿和调制光探测技术等连续激光调频测量方法；②光源系统、新型激光雷达探测方法、自由偏振光集成光路、结构与装置集成、自动测量等球坐标测量关键单元技术；③漫反射回波信息理论和表面对调制激光影响等远距离目标表面激光测量特性；④误差建模和补偿方式、应用试验等装置精度标定与试验。需重点解决：激光自外差弱光探测及信号处理方法；大范围、窄线宽、线性、快速三角波频率调制激光产生技术；表面测量特性统计学规律及回波信号补偿方式；激光器发射功率自适应调整技术，系统双工作通用模式等。

制造现场的大空间精密坐标测量是重大装备原位测量的基本方式，也是力学、结构和可靠性等科学研究的支撑手段，目前的主要手段是激光测量技术和由此构成的大空间坐标测量仪器，一般采用非正交坐标测量模式，如球坐标测量仪器的激光跟踪仪、全站仪、激光扫描仪和交汇测量的工业经纬仪等，但对于不同的使用情况，在精度、需要合作目标引起的测量方便性和可达性方面还存在一些问题，工业激光雷达的出现对于非接触测量提供了一种方便。因此，研究非接触式无合作目标的大尺寸空间坐标测量系统，提供一种可能的解决方案具有重要的意义与应用价值。.连续激光调频测距是近些年发展的一种新型激光测距技术，具有高精度、大范围、可进行无合作目标测量等特点。本项目研究了基于连续激光调频技术的大空间无合作目标精密球坐标测量系统，主要进行了如下研究：①基于等光频重采样的调频连续波激光绝对测距方法；②测距信号分段拼接、自适应滤波及远距离色散补偿等提高分辨力和精度的方法；③加工表面激光测量特性，如粗糙度、入射角、方位角等影响分析及后向散射建模与反演；④自动聚焦、快速瞄准的双轴回转高精度球坐标测量系统；⑤无合作目标实时测量软件系统。.主要研究结果包括：①实现了40m范围合作目标测量，25m范围内测距不确定度为：31μm+2μm/m，测角不确定度为1″；②能够实现粗糙度样块、标准球、硬币等无合作目标的实时测量，测量范围达到了10m，其中，500mm间隔球心拟合误差在150μm；③系统具备慢速高精度和快速低精度两种测量模式，测量速度最高可达100点/秒。项目提供了一种大尺寸无合作目标测量方式。.项目发表了相关论文26篇，申请了发明专利6项、其中已授权3项，获得中国计量测试学会科技进步二等奖1项。.项目提供了一种大尺寸无合作目标测量方式，为工业大尺寸测量现场大型工件精确三维测量、产品检测，逆向工程等提供了一种解决方案，还为重大装备运行状态、结构、可靠性和寿命分析等科学研究提供测量支撑手段。