1.一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统,其特征在于:
分为精密光学跟踪单元、基于双电光频率梳的测距单元、电控单元的三部分;精密光学跟踪单元一部分安装在框架机身(3)上,另一部分安装在待测物或待测空间上,测距单元安装在框架机身(3)内,电控单元分别和精密光学跟踪单元、测距单元电连接,电控单元控制基于双电光频率梳的测距单元发出双电光频率梳的光束经精密光学跟踪单元反射调整入射到待测物或待测空间进而接收进行待测物或待测空间的空间坐标测量;
所述的精密光学跟踪单元主要包括靶镜组(1)、转镜(4)、俯仰力矩电机(5)、视觉模块(7)、俯仰角测量模块(8)、方位力矩电机(10)和方位角测量模块(11);靶镜组(1)布置在待测物上或待测空间中;方位力矩电机(10)安装在框架机身(3)上端,方位力矩电机(10)旋转端上通过支架安装有水平且相平行的转镜轴和视觉轴,同时方位力矩电机(10)旋转端设有用于检测旋转角度的方位角测量模块(11);转镜轴的一端和俯仰力矩电机(5)的旋转端同轴固定连接,转镜轴的另一端和用于测量转镜轴旋转角度的俯仰角测量模块(8)连接,转镜上固定安装有转镜(4);视觉轴通过齿轮组(6)可旋转地安装在支架上,视觉轴上固定安装有视觉模块(7);
所述基于双电光频率梳的测距单元包括依次从下向上布置的光束调节模块(12)、激光跟踪干涉测距模块(13)、光源调制模块(14)和光源模块(15);
光源模块(15)输出溯源至气体吸收峰的单频激光,单频激光通过保偏光纤传输至光源调制模块(14)进行电光相位调制后产生双电光频率梳,双电光频率梳传输至激光跟踪干涉测距模块(13),激光跟踪干涉测距模块(13)输出测量光传输至光束调节模块(12),由光束调节模块(12)将测量光扩束准直后、再经平移与偏转控制调节,使得测量光入射至转镜(4)中心,经转镜(4)反射后入射到待测物或待测空间的靶镜组(1)上,经靶镜组(1)反射后返回激光跟踪干涉测距模块(13);
控制光源调制模块(14)的开启和关闭的调制,进而通过激光跟踪干涉测距模块(13)分别在绝对测距模式和相对位移模式下测量获得绝对距离和相对位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统,其特征在于:所述的精密光学跟踪单元内的俯仰力矩电机(5)、视觉模块(7)、俯仰角测量模块(8)、方位力矩电机(10)和方位角测量模块(11)通过电线和框架机身(3)上端设置的同轴导电环(9)引出电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统,其特征在于:所述的电控单元主要包括电源模块(16)、跟踪控制与信号处理模块(17)和计算机(18),跟踪控制与信号处理模块(17)和计算机(18)电连接,电源模块(16)和跟踪控制与信号处理模块(17)连接用于供电,跟踪控制与信号处理模块(17)分别和精密光学跟踪单元、测距单元电连接;
还包括环境监测传感器(2),环境监测传感器(2)和电控单元的跟踪控制与信号处理模块(17)电连接,环境监测传感器(2)用于测量空气的温度、湿度和气压参数并通过无线传输至跟踪控制与信号处理模块(17)。
4.根据权利要求1所述的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统,其特征在于:所述电控单元的跟踪控制与信号处理模块(17)根据视觉模块(7)获取的图像中的靶镜信息与激光跟踪干涉测距模块(13)获取的跟踪误差信号,处理输出闭环控制信号进而控制方位力矩电机(10)与俯仰力矩电机(5)联合转动转镜(4)对靶镜(101)进行跟踪;
同时通过方位角测量模块(11)与俯仰角测量模块(8)实时获取跟踪状态下目标靶镜的俯仰角与方位角的角度信息,结合激光跟踪干涉测距模块(13)所获得的距离信息,对角度信息和距离信息进行同步匹配,并经计算机(18)进行处理后获得目标靶镜组(1)中各个靶镜(101)的三维坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统,其特征在于:所述的激光跟踪干涉测距模块(13)包括安装在屏蔽外壳(1321)内的激光二极管(1303)、光纤保偏合束器(1304)、第一准直器(1305)、第一偏振分光镜(1306)、参考角锥棱镜(1307)、滤光片(1308)、第一四分之一波片(1309)、第二四分之一波片(1310)、第二准直器(1314)、分色片(1315)、第二偏振分光镜(1316)、第一光电探测器(1317)、第二光电探测器(1318)、二维位置探测器(1319)和直角反射镜(1320);测距单元发出双电光频率梳中的测量光和激光二极管(1303)发出的指示光一起入射到保偏光纤合束器(1304)合光形成第一合束光,第一合束光再经第一准直器(1305)扩束准直后入射到第一偏振分光镜(1306)发生第一次透射和反射;第一偏振分光镜(1306)第一次反射后的第一合束光依次经第一四分之一波片(1309)、滤光片(1308)和参考角锥棱镜(1307)反射后原路逆反返回到第一偏振分光镜(1306)发生第二次透射;第一偏振分光镜(1306)第一次透射后的第一合束光依次经第二四分之一波片(1310)、直角反射镜(1320)反射后经屏蔽外壳(1321)上的窗口片(1311)出射到光束调节模块(12),在经光束调节模块(12)调节后入射到靶镜组(1),经靶镜组(1)反射后原路逆反返回到第一偏振分光镜(1306)发生第二次反射;
逆反回到第一偏振分光镜(1306)发生第二次反射和第二次透射的光束合束后形成第二合束光,第二合束光再入射到分色片(1315)处发生透射和反射,分色片(1315)反射的光束入射到二维位置探测器(1319)被接收获得跟踪误差信号,分色片(1315)透射的光束再入射到第二偏振分光镜(1316)处分别发生反射和透射;测距单元发出双电光频率梳中的参考光经第二准直器(1314)进行扩束准直后入射到第二偏振分光镜(1316)发生反射和透射,参考光经第二偏振分光镜(1316)反射的光束和第二合束光经第二偏振分光镜(1316)透射的光束一起入射到第一光电探测器(1317)被接收获得参考干涉信号,参考光经第二偏振分光镜(1316)透射的光束和第二合束光经第二偏振分光镜(1316)反射的光束一起入射到第二光电探测器(1318)被接收获得测量干涉信号。
6.根据权利要求3所述的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统,其特征在于:
所述跟踪控制与信号处理模块(17)包括图像处理模块(1701)、跟踪误差信号预处理模块(1702)、角度解码模块(1703)、跟踪控制模块(1707)、电机驱动器(1708)、同步模块(1709)和信号处理模块(1711),信号处理模块(1711)包括了绝对距离测量信号处理模块(1704)、空气折射率计算模块(1705)、相对位移测量信号处理模块(1706)和距离融合模块(1710);
图像处理模块(1701)、跟踪误差信号预处理模块(1702)、角度解码模块(1703)的输入端分别和视觉模块(7)、二维位置探测器(1319)、方位角测量模块(11)电连接,绝对距离测量信号处理模块(1704)与相对位移测量信号处理模块(1706)的输入端均和第一光电探测器(1317)以及第二光电探测器(1318)电连接,空气折射率计算模块(1705)的输入端和环境监测传感器(2)电连接,空气折射率计算模块(1705)输出端也分别连接到绝对距离测量信号处理模块(1704)、相对位移测量信号处理模块(1706);
绝对距离测量信号处理模块(1704)、相对位移测量信号处理模块(1706)的输出端连接到距离融合模块(1710),图像处理模块(1701)、跟踪误差信号预处理模块(1702)、角度解码模块(1703)和距离融合模块(1710)的输出端均同时连接到跟踪控制模块(1707),跟踪控制模块(1707)的输出端经电机驱动器(1708)连接到方位力矩电机(10)与俯仰力矩电机(5);
角度解码模块(1703)和距离融合模块(1710)的输出端均连接到同步模块(1709),同步模块(1709)的输出端连接到计算机(18)。
7.用于权利要求1所述激光跟踪干涉空间坐标测量系统的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量和控制方法,其特征在于:
1)光源模块(15)输出溯源至气体吸收峰的单频激光,单频激光通过保偏光纤传输至光源调制模块(14)进行电光相位调制后产生双电光频率梳,双电光频率梳传输至激光跟踪干涉测距模块(13),激光跟踪干涉测距模块(13)输出测量光传输至光束调节模块(12),由光束调节模块(12)将测量光扩束准直后、再经平移与偏转控制调节,使得测量光入射至转镜(4)中心,经转镜(4)反射后入射到待测物或待测空间的靶镜组(1)上,经靶镜组(1)反射后返回激光跟踪干涉测距模块(13)实时接收获得跟踪误差信号、参考干涉信号和测量干涉信号;
2)控制光源调制模块(14)的开启和关闭的调制,进而通过激光跟踪干涉测距模块(13)分别在绝对测距模式和相对位移模式下测量获得绝对距离和相对位移;
同时通过环境监测传感器(2)测得空气参数信号,也通过俯仰角测量模块(8)和方位角测量模块(11)实时获取转镜(4)的俯仰角与方位角的角度测量信号,以及通过视觉模块(7)实时获取靶镜组(1)的画面图像;
3)将获得的跟踪误差信号、参考干涉信号、测量干涉信号、空气参数信号、角度测量信号、画面图像以及绝对距离和相对位移均输入到跟踪控制与信号处理模块(17)中进行处理,控制俯仰力矩电机(5)和方位力矩电机(10)的旋转控制进而控制转镜(4)的转动,实现对靶镜组(1)的闭环跟踪,同时也将同步的角度信息和距离信息换算成三维空间坐标进行显示。
8.根据权利要求7所述的一种基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量和控制方法,其特征在于:
所述步骤3)在跟踪控制与信号处理模块(17)中,
将空气参数信号、参考干涉信号、测量干涉信号、角度测量信号传输至跟踪控制与信号处理模块(17)进行处理,其中对角度测量信号传输至角度解码模块(1703)进行解码获得角度信息,将参考干涉信号、测量干涉信号传输至信号处理模块(1711)利用空气参数信号进行处理和补偿获得获得距离信息,由跟踪误差信号传输至跟踪误差信号预处理模块(1702)处理获得测量光光斑与靶镜(101)中心的位置偏差信息,由画面图像传输至图像处理模块(1701)处理获得所有靶镜的识别信息;
一方面,将所有靶镜的识别信息、位置偏差信息、角度信息和距离信息传输至跟踪控制模块(1707),经闭环控制算法处理获得反馈控制信号,经电机驱动器(1708)传输至俯仰力矩电机(5)和方位力矩电机(10),控制转镜转动,实现对靶镜的闭环跟踪;
另一方面,经同步模块(1709)进行同步处理以消除角度信息与距离信息间的延时,然后将同步的角度信息和距离信息传输至计算机(18)进行三维空间坐标的换算与显示。