“天琴计划”教育部重点实验室,天琴中心 & 物理与天文学院,天琴前沿科学中心,国家航天局引力波研究中心,中山大学(珠海校区),广东 珠海 519082
Overview: The space gravitational wave detection telescope is one of the core payloads of the gravitational wave detection satellite, simultaneously expanding and contracting the transmitted beam. Optical path stability is one of the core indices for the telescope, closely related to its structural stability. To meet the ultra-high path stability and structural stability requirements posed by the gravitational wave detection mission, it is essential to study the structural deformation measurement of the telescope. Currently, there are still several shortcomings in the research of multi-degree-of-freedom deformation measurement methods for gravitational wave detection telescopes, such as inaccurate selection of measurement points, inability to decouple multi-degree-of-freedom coupling, and unclear identification of error sources in multi-degree-of-freedom measurement. This paper deeply investigates the high-precision measurement of structural deformation of space-borne telescopes designed for space gravitational wave detection. It preliminarily establishes a framework and method system for measuring the structural deformation of space-borne telescopes, theoretically describing the measurement principle of the method. The feasibility of this method applied to space gravitational wave detection is verified through simulation analysis and error decomposition. The paper focuses on resolving the issue of decoupling multiple degrees of freedom, establishing a mathematical model using analytical methods, and conducting preliminary validation using Zemax. Finally, noise analysis of the measurement system is carried out, with experimental testing of the main noise components in the measurement system, validating the correctness of the theoretical noise model proposed in this paper. The experimental results show that near 1 Hz, the displacement noise background of the single-link interferometer is 100 pm/Hz1/2. At 1 mHz in the low-frequency range, the displacement noise background reaches 10 nm/Hz1/2. The noise level of the measurement system below 1 mHz is mainly limited by environmental temperature noise, while above 10 mHz, it is primarily constrained by laser frequency noise, phase acquisition background noise, and vibration noise. During the development phase of the space gravitational wave detection telescope, the research on this measurement method is expected to fulfill the telescope's multi-degree-of-freedom deformation measurement needs. It also provides data feedback for telescope design and offers guidance for the study of the telescope's optical path stability.
空间引力波探测望远镜 形变测量 多自由度 解耦研究 噪声分析 the space gravitational wave detection telescope deformation measurement multi-degree-of-freedom decoupling study noise analysis
条纹投影轮廓术期望被测表面反射率足够均匀以保证形貌测量精度,而数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度,二者对表面的纹理需求存在矛盾。针对这一矛盾,提出基于RGB模型的标记点纹理消隐与提取方法,通过计算特定的消隐系数与提取系数,同时提取高质量的条纹图案和纹理图案分别用于后续形貌和形变测量。实验结果表明,相较于已有方法,所提方法可以解决条纹投影轮廓术和数字图像相关技术对纹理要求的矛盾性问题,同时实现高精度的三维形貌和形变测量。
测量 条纹投影轮廓术 三维形貌测量 数字图像相关 三维形变测量 光学学报
2023, 43(11): 1112001
1 中国人民解放军海军装备部驻武汉地区军事代表局驻武汉地区第七军事代表室, 湖北 武汉 430223
2 华中光电技术研究所- 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
船体形变是制约舰船**系统使命效能发挥的物理现象之一。针对如何准确测量船体形变这一问题,提出了一种基于角增量和姿态矩阵联合匹配的船体形变测量方法。该方法仅依靠能够提供载体角运动信息的陀螺仪,通过可靠的船体形变角滤波估计策略,在无需进行惯导初始对准、惯导速度位置更新的条件下,能够实现针对船体形变的高精度测量。仿真试验表明,提出的方法对船体形变的估计精度优于35″。能够为传递对准、火炮发射等需要舰船形变信息的场景提供支撑。
形变测量 惯性匹配 卡尔曼滤波 舰船 陀螺仪 deformation measurement inertial match Kalman filter ship gyroscope
北京理工大学 光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100000
针对传统光学成像测量方法对高速运动目标成像帧频低、像质模糊, 难以满足对目标形变高精度测量的缺点, 提出一种基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法。该方法利用线阵CCD高分辨率、高帧频等优势, 通过提取线阵CCD输出目标强度——像素曲线斜率变化率最大点来获取目标所占像素数N的像素数提取方法, 同时采用DMD模拟高速运动目标形变过程, 配合基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法进行形变测量实验验证。实验结果显示采用该方法对V=450 km/h的高速运动目标进行形变量测量时, 可以满足目标形变测量偏差小于0.3 mm, 标准差小于0.5 mm, 相对误差最低0.01%。实现了高速运动目标形变量的准确测量, 为高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等奠定了基础。
光学测量 线阵CCD 像素数提取法 DMD模拟高速运动目标 形变测量 系统标定 optical measurement linear CCD pixel number extraction method DMD simulates high-speed moving targets deformation measurement system calibration
1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
2 南京理工大学 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室, 江苏 南京 210094
对近年来数字全息及散斑干涉技术在形变与位移测量方面的主要技术发展及应用发展进行综述。由于数字全息测量具有准确性高、无损、全场和动态测量等优点, 成为形变和位移测量的重要技术之一。最近几年, 数字全息技术在形变测量领域的发展主要体现在如下几个方面。首先, 数字全息形变测量逐步由原来单一维度的形变测量转向多维度的形变测量。尤其是三维形变的同时测量是近年来本领域的研究重点。其次, 形貌形变联合测量的技术受到关注。实际应用中曲面物体常常存在。而曲面物体需要离面与面内形变的分析, 这需要获取曲面物体的形貌信息。针对这一需求, 学者们针对形貌形变的同时测量方法开展了研究。再次, 为了进一步扩大测量视场和深度范围, 对基于长波长及远距离的技术进行了探索。与此同时, 回顾了数字全息的形变测量技术在应用方面的进展。值得关注的是, 在应用方面, 数字全息技术从以前工程领域的形变测量向生物医学领域的形变测量发展, 测量数据用于生物医学领域疾病分析与研究。
数字全息 散斑干涉 形变测量 位移测量 digital holography digital speckle interferometry deformation measurement displacement measurement 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603010
基于球面化成像算法, 提出了一种微通道板微尺度形变检测的方法.首先通过数学推演建立了图像球面化模型; 然后以直线图像为标准图, 对微通道板的形变做了成像模拟测试, 解释了微通道板像旋转现象的产生机理; 最后, 根据模拟数据和扫描电子显微镜测量所得的形变结果, 提出了双线形变检测方案,设计了检测仪器并制定了检测标准.光干涉仪的实际测量结果表明微通道板的实际形貌与模拟结果相符.当两条垂直直线在微通道板上的反射像的旋转夹角超过40°时该板被认为是不合格品; 当旋转夹角小于7°时则被认为符合国军标中的平面度标准.该方法的测量精度可达1 μm, 已被应用于微通道板生产过程中.
形变测量 机器视觉 图像球面化 微通道板 像旋转现象 检测 Deformation detection Machine vision Image spherizing Micro-channel plate Image twisting phenomenon Detection 光子学报
2018, 47(11): 1112003
中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛 266580
基于两步广义相移干涉术, 设计微小形变测量实验装置, 介绍工作原理和测量方法。采用同轴相移数字全息正交光路, 记录形变前后物光、参光、干涉图强度, 以两步广义相移干涉算法为基础, 恢复原物光相位和表面形貌信息, 相减后得到表面形变量。实验结果表明, 相对于现有表面微小形变测量方法, 提出得方法能够精密测量物体表面微小形变量, 方法简单易行, 精度可达纳米量级。
两步广义相移干涉术 物光波前重建 微小形变测量 two-step generalized phase-shifting interferometry phase-shifting digital holographic objective- wave reconstruction measurement of minor deformation