为了实现微小角度的精密测量, 提出一种基于最小二乘拟合波矢估计实现角位移测量的方法, 利用全息理论和采样定理二次曝光记录两幅全息图, 通过角谱分析求解测量光相位信息的相关参数, 进行波矢估计并求解两次波矢存在的角位移关系, 使用计算机仿真验证了该方法的可行性和准确性并分析了像素尺寸、像素数和信噪比对测量精度的影响,用实验验证了理论计算结果与实验测定结果的一致性。实验表明,在CCD像素数不低于1000pixel,像素尺寸不小于4.6μm,信噪比不低于20dB的情况下,测量方法可实现3.9°范围内的准确测量, 测量的均值误差控制在2.5×10-7rad内, 测量的标准差控制在2.0×10-7rad内。

光束位移是指光束在反射或透射的过程中, 反射点或透射点会出现违反几何光学预言的小段偏移, 包括Goos-H nchen位移、Imbert-Fedorv位移、Goos-H nchen角位移和Imbert-Fedorv角位移。关于光束位移的研究随着科技的进步不断发展, 不仅丰富了人们对光的波动和量子本质的认识, 也进一步加深了对于新型材料的内在物理机制的了解, 从而促进人们向未知的物理世界展开探索。从光束位移的发现、理论解释等方面对其展开介绍并对其研究进展进行总结。

星上运动部组件所引起的颤振是当前影响超高分辨率、超高机动成像质量的一个重要因素。针对该信号难以被精确业务化检测识别的问题,提出一种基于卷帘快门CMOS成像的空间相机颤振检测方法,进一步采用高频角位移与高精度参考的数字正摄影像/数字高程模型(DOM/DEM)数据进行效果验证与评价。对2020年发射的某高分型号卫星进行了分析,分析结果表明所设计的检测方法可以有效识别空间相机成像过程中的颤振特性,颤振频率主要集中在156 Hz左右,补偿后的全色影像相对几何精度可提升1.2 pixel左右。

针对传统高精度角位移测量方法中,存在制造工艺复杂、多测头结构复杂且安装困难等问题,提出一种基于旋转光场且整周封闭的高精度角位移测量方法。该方法借鉴旋转磁场产生原理,在整个圆周面上均布正弦型透光面,等间隔地将整圈透光面分成0°、90°、180°和270°四组,用单路交变光场为整周封闭的透光面提供交变光强信号,经光电转换和微控移相合成一路电行波信号,最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现了角度测量。通过搭建实验平台,对不同的原理样机进行对比实验,实验验证了制造精度和对极数对测量误差的影响,在整周360°测量范围内,采用圆心角为2°的等分透光栅面,测量误差可达±5.0″。由于测量误差主要由周期性误差成分组成,通过修正谐波误差以及提高光场分布质量,其测量精度还将有较大的提升空间。验证了该方法对制造和安装误差的抑制效果,为采用低精度制造工艺实现高精度测量提供了一种有效的实现方案。

图像式角位移测量装置中, 光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此, 本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先, 根据图像式角位移测量机理, 提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理; 然后, 在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型, 并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理; 最后, 对某型号角位移测量装置进行了实验, 并给出了调试建议。实验表明, 经过调节误差均方差由1 017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试, 提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。

下滑信标(GS)利用镜像原理为精密进近过程中的飞机提供垂直引导信息,机场地形直接影响GS的垂直覆盖性能。首先研究4种类型GS的天线分配单元(ADU)、辐射场、调制度差(DDM)及角位移灵敏度,然后对比分析不同GS的波束弯曲能力(BBP),最后研究正坡(FSL)对下滑信标垂直覆盖性能的影响,提出相应的补偿方法。结合机场地形特点,可以为下滑信标类型选择、安装及调试提供理论依据。

将传统散斑相关法应用于结构试件变形测量中存在一定的角位移范围限制,针对这一问题,提出了一种采用对数极坐标变换的散斑相关角位移测量法。首先,该方法采用对数极坐标变换,将结构试件散斑图像在直角坐标系下的角位移转换为对数极坐标下的平移;然后,利用散斑相关法结合九点二次曲面拟合法实现散斑图像的角位移测量;最后,通过模拟实验与实物实验验证了方法的有效性。实验结果表明,在[0°,90°]的角位移变化范围内,本方法角位移测量的均值误差控制在0.06°内,标准差控制在0.02°内,有效提高了现有散斑相关法的角位移测量范围与测量精度。

与传统测量方法相比, 数字散斑相关法由于其目标特征单元网格划分的灵活性, 能够更好地满足不同场合小角位移的测量需求。针对该方法亚像素小角位移测量的曲面拟合参数选择问题, 研究了亚像素测量图像小角旋转前后的九点二次曲面拟合法, 并根据计算机生成模拟散斑进行模拟实验分析, 得到最佳误差效率优化条件下的曲面拟合法求解亚像素小角位移的最佳散斑尺寸3.5 pixel、计算窗口尺寸41×41 pixel和拟合窗口尺寸3×3 pixel。实验验证了上述测量参数的有效性, 为进一步的曲面拟合法数字散斑成像角位移测量提供参考。

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈, 导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题, 提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈, 形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元; 当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后, 通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束, 使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号; 最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物, 开展了验证实验, 并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿, 最终获得了整周范围内误差在-2.82 ″~2.02 ″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明, 该传感器不仅能实现精密角位移测量, 还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下, 将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍, 且结构简单稳定、极易实现, 特别适用于环境恶劣的工业现场。