基于双电光频率梳的激光跟踪干涉空间坐标测量系统和方法

本发明属于激光跟踪测量，特别是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和方法。

背景技术：

1、激光跟踪干涉测量技术因测量范围大、精度高和速度快等优点，被广泛应用于大尺寸高端装备装配、工业机器人定位精度校准等领域。

2、距离测量是激光跟踪干涉测量的核心技术，现有激光跟踪干涉测量方法通常是采用绝对距离测量(adm)与相对位移测量(rdm)两种测距方法来组合测量。其中adm方法可获得绝对距离并且在断光后可恢复测量，但仅适合静态测量；rdm方法可实现高速位移测量，但测量结果为位移增量，并且断光将导致测量失败。组合测量的方式结合了两种测量方法的优点，但是需要将两套测量单元的测量光合为一束激光后再进行测量，用于固定光学元件的机械零件随时间缓慢变形时，合光光束将会出现分叉，进而引入测量误差。另一方面，两套测距单元具有不同的距离参考零点，可能会引入额外的漂移误差，并且增加了系统复杂程度和成本。

3、所以，现有技术缺少了采用同一套测距单元构建adm与rdm两种测距模式以实现高精度的绝对距离测量，这是激光跟踪干涉测量领域中一直未解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了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和方法，采用基于双电光频率梳的单个测距模块实现adm与rdm两种测距功能。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一、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：

4、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。

5、所述的精密光学跟踪单元主要包括靶镜组、转镜、俯仰力矩电机、视觉模块、俯仰角测量模块、方位力矩电机和方位角测量模块；靶镜组布置在待测物上或待测空间中；方位力矩电机安装在框架机身上端，方位力矩电机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，同时方位力矩电机旋转端设有用于检测旋转角度的方位角测量模块；转镜轴的一端和俯仰力矩电机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连接，转镜上固定安装有转镜；视觉轴通过齿轮组可旋转地安装在支架上，视觉轴上固定安装有视觉模块。

6、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、激光跟踪干涉测距模块、光源调制模块和光源模块；

7、光源模块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，激光跟踪干涉测距模块输出测量光传输至光束调节模块，由光束调节模块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中心，经转镜反射后入射到待测物或待测空间的靶镜组上，经靶镜组反射后返回激光跟踪干涉测距模块。

8、所述的精密光学跟踪单元内的俯仰力矩电机、视觉模块、俯仰角测量模块、方位力矩电机和方位角测量模块通过电线和框架机身上端设置的同轴导电环引出电连接。

9、所述的电控单元主要包括电源模块、跟踪控制与信号处理模块和计算机，跟踪控制与信号处理模块和计算机电连接，电源模块和跟踪控制与信号处理模块连接用于供电，跟踪控制与信号处理模块分别和精密光学跟踪单元、测距单元电连接。

10、还包括环境监测传感器，环境监测传感器和电控单元的跟踪控制与信号处理模块电连接，环境监测传感器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。

11、所述电控单元的跟踪控制与信号处理模块根据视觉模块获取的图像中的靶镜信息与激光跟踪干涉测距模块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与俯仰力矩电机联合转动转镜对靶镜进行跟踪；同时通过方位角测量模块与俯仰角测量模块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，并经计算机进行处理后获得目标靶镜组中各个靶镜的三维坐标。

12、所述的激光跟踪干涉测距模块包括安装在屏蔽外壳内的激光二极管、光纤保偏合束器、第一准直器、第一偏振分光镜、参考角锥棱镜、滤光片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第二准直器、分色片、第二偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器、二维位置探测器和直角反射镜；测距单元发出双电光频率梳中的测量光和激光二极管发出的指示光一起入射到保偏光纤合束器合光形成第一合束光，第一合束光再经第一准直器扩束准直后入射到第一偏振分光镜发生第一次透射和反射；第一偏振分光镜第一次反射后的第一合束光依次经第一四分之一波片、滤光片和参考角锥棱镜反射后原路逆反返回到第一偏振分光镜发生第二次透射；第一偏振分光镜第一次透射后的第一合束光依次经第二四分之一波片、直角反射镜反射后经屏蔽外壳上的窗口片出射到光束调节模块，在经光束调节模块调节后入射到靶镜组，经靶镜组反射后原路逆反返回到第一偏振分光镜发生第二次反射；

13、逆反回到第一偏振分光镜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处发生透射和反射，分色片反射的光束入射到二维位置探测器被接收获得跟踪误差信号，分色片透射的光束再入射到第二偏振分光镜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进行扩束准直后入射到第二偏振分光镜发生反射和透射，参考光经第二偏振分光镜反射的光束和第二合束光经第二偏振分光镜透射的光束一起入射到第一光电探测器被接收获得参考干涉信号，参考光经第二偏振分光镜透射的光束和第二合束光经第二偏振分光镜反射的光束一起入射到第二光电探测器被接收获得测量干涉信号。

14、所述跟踪控制与信号处理模块包括图像处理模块、跟踪误差信号预处理模块、角度解码模块、跟踪控制模块、电机驱动器、同步模块和信号处理模块，信号处理模块包括了绝对距离测量信号处理模块、空气折射率计算模块、相对位移测量信号处理模块和距离融合模块；

15、图像处理模块、跟踪误差信号预处理模块、角度解码模块的输入端分别和视觉模块、二维位置探测器、方位角测量模块电连接，绝对距离测量信号处理模块与相对位移测量信号处理模块的输入端均和第一光电探测器以及第二光电探测器电连接，空气折射率计算模块的输入端和环境监测传感器电连接，空气折射率计算模块输出端也分别连接到绝对距离测量信号处理模块、相对位移测量信号处理模块；绝对距离测量信号处理模块与相对位移测量信号处理模块都有是三个输入端，三个输入端均为第一光电探测器、第二光电探测器和空气折射率计算模块。

16、绝对距离测量信号处理模块、相对位移测量信号处理模块的输出端连接到距离融合模块，图像处理模块、跟踪误差信号预处理模块、角度解码模块和距离融合模块的输出端均同时连接到跟踪控制模块，跟踪控制模块的输出端经电机驱动器连接到方位力矩电机与俯仰力矩电机；

17、角度解码模块和距离融合模块的输出端均连接到同步模块，同步模块的输出端连接到计算机。

18、二、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的方法：

19、1)光源模块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，激光跟踪干涉测距模块输出测量光传输至光束调节模块，由光束调节模块将测量光扩束准直后、再经平移与偏转控制调节，使得测量光沿与重力方向平行地入射至转镜中心，经转镜反射后入射到待测物或待测空间的靶镜组的靶镜上，经靶镜组的靶镜反射后返回激光跟踪干涉测距模块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，进而用于实现距离测量与跟踪误差获取；

20、双电光频率梳的一路作为测量光，双电光频率梳的另一路经声光调制移频后作为参考光，参考光和测量光均经保偏光纤共同传输至激光跟踪干涉测距模块。

21、然后在激光跟踪干涉测距模块中，测量光通过保偏光纤合束器与激光二极管输出的指示光合光；测量光与参考光分别经第一准直器与第二准直器进行扩束准直。测量光与参考光均分为p偏振态分量和s偏振态分量。

22、测量光中的p偏振态分量经第一偏振分光镜透射后，经第二四分之一波片、直角反射镜、窗口片输出至光束调节模块，经转镜、靶镜反射后返回；测量光中的s偏振态分量经第一偏振分光镜反射后，经第一四分之一波片、滤光片和参考角锥棱镜反射后返回；两束返回的测量光先经分色片处理发生透射和反射，分色片反射的指示光传输至二维位置探测器获得用于跟踪控制的跟踪误差信号，分色片透射的测量光在第二偏振分光镜处分别反射和透射；参考光的s偏振态分量经第二偏振分光镜反射后，再和经分色片透射的p偏振态分量测量光输至第一光电探测器获得参考干涉信号；参考光的p偏振态分量经第二偏振分光镜透射后，再和经分色片反射的s偏振态分量测量光输至第二光电探测器获得测量干涉信号，参考干涉信号和测量干涉信号用于距离测量。

23、2)控制光源调制模块的开启和关闭的调制，进而通过激光跟踪干涉测距模块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；

24、绝对测距模式时，控制光源调制模块输出双电光频率梳，此时由激光跟踪干涉测距模块的第一光电探测器和第二光电探测器分别获得参考多外差干涉信号和测量多外差干涉信号，经信号处理即可获得绝对距离；

25、相对位移测量模式时，控制光源调制模块关闭电光相位调制，输出频差为fa的双频连续激光，此时由激光跟踪干涉测距模块的第一光电探测器和第二光电探测器分别获得参考外差干涉信号和测量外差干涉信号，经信号处理即可获得相对位移。

26、同时通过环境监测传感器测得空气参数信号，用于测距模块的空气折射率补偿，也通过精密光学跟踪单元的俯仰角测量模块和方位角测量模块实时获取跟踪状态下转镜的俯仰角与方位角的角度测量信号，以及通过精密光学跟踪单元的视觉模块实时获取跟踪状态下靶镜组的画面图像；

27、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中进行处理，控制俯仰力矩电机和方位力矩电机的旋转控制进而控制转镜的转动，实现对靶镜组的靶镜的闭环跟踪，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。

28、所述步骤3)在跟踪控制与信号处理模块中，

29、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进行处理，其中对角度测量信号传输至角度解码模块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处理获得测量光光斑与靶镜中心的位置偏差信息，由画面图像传输至图像处理模块处理获得所有靶镜的识别信息；

30、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，经闭环控制算法处理获得反馈控制信号，经电机驱动器传输至俯仰力矩电机和方位力矩电机，控制转镜转动，实现对靶镜的闭环跟踪；

31、另一方面，经同步模块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进行三维空间坐标的换算与显示，最终测得所有靶镜的三维空间坐标。

32、本发明经过上述处理后，仅采用单个激光跟踪干涉测距模块就可实现绝对测距与相对位移测量的功能并同时实现激光跟踪误差探测功能，简化了光路系统。而且经过处理后，采用与转镜进行联动的视觉模块用于多靶镜识别。

33、具体实施中，俯仰力矩电机控制信号、视觉模块信号、俯仰角/方位角测量模块信号通过同轴导电环传输至框架机身，可避免旋转时发生线缆缠绕问题，并且可以无限制旋转。

34、本发明系统中，通过视觉模块进行多靶镜识别，引导转镜将激光分别指向各靶镜。激光跟踪干涉测距模块获得激光光束偏离靶镜中心的跟踪误差，用于闭环跟踪控制。光源模块输出溯源至气体吸收峰的单频激光。通过控制光源调制模块开启或关闭电光相位调制驱动信号，分别输出双电光频率梳与双频连续激光。跟踪状态下，激光跟踪干涉测距模块分别使用这两种光源测得目标靶镜的绝对距离与相对位移，经距离融合计算求得靶镜与原点的实时距离。通过方位角与俯仰角测量模块实时获得目标靶镜的俯仰角与方位角。经跟踪控制与信号处理模块以及计算机进行跟踪控制与三维空间坐标解算，最终测得所有靶镜的三维空间坐标。

35、本发明通过视觉模块进行多靶镜识别，引导转镜将激光分别指向各靶镜。激光跟踪干涉测距模块获得激光光束偏离靶镜中心的跟踪误差，用于闭环跟踪控制。光源模块输出溯源至气体吸收峰的单频激光。通过控制光源调制模块开启或关闭电光相位调制驱动信号，分别输出双电光频率梳与双频连续激光。跟踪状态下，激光跟踪干涉测距模块分别使用这两种光源测得目标靶镜的绝对距离与相对位移，经距离融合计算求得靶镜与原点的实时距离。

36、本发明通过方位角与俯仰角测量模块实时获得靶镜的俯仰角与方位角。经跟踪控制与信号处理模块以及计算机进行跟踪控制与坐标解算，最终测得所有靶镜的三维空间坐标。

37、本发明的系统可以用于机器人校准、零部件测量的场景。

38、本发明具有的有益效果是：

39、(1)本发明采用基于双电光频率梳的单个测距模块实现绝对adm与rdm两种测距功能并同时实现激光跟踪误差探测功能，可简化系统结构，降低成本并避免光束分叉以及不同距离零点引入的测量误差；

40、(2)本发明的视觉模块采用齿轮联动方式进行视场控制，可保证目标靶镜始终在视野中间区域，有利于多靶镜识别与跟踪控制；

41、(3)本发明采用框架式机身设计将相关模块集成，有利于装配调试，并采用同轴导电环传输信号，可避免旋转时发生线缆缠绕问题，并且可以无限制旋转。