Multi-degree-of-freedom measurement for space inertial test mass via laser interference

MA Rui; LI Nan; HE Jianguo; ZHANG Jianquan; HUANG Min

doi:10.37188/OPE.20233111.1593

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Multi-degree-of-freedom measurement for space inertial test mass via laser interference

Modern Applied Optics | 更新时间：2023-07-08

- Multi-degree-of-freedom measurement for space inertial test mass via laser interference
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 11, Pages: 1593-1606(2023)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室，北京 100094
  2.中国科学院空天信息创新研究院计算光学成像技术实验室，北京 100094
  3.中国科学院大学，北京 100094
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233111.1593
  CLC： P164
- Received：26 November 2022，
  
  Revised：30 December 2022，
  
  Published：10 June 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
马瑞,李楠,何建国等.多自由度激光干涉空间惯性质量块位姿测量[J].光学精密工程,2023,31(11):1593-1606.

MA Rui,LI Nan,HE Jianguo,et al.Multi-degree-of-freedom measurement for space inertial test mass via laser interference[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1593-1606.
马瑞,李楠,何建国等.多自由度激光干涉空间惯性质量块位姿测量[J].光学精密工程,2023,31(11):1593-1606. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1593.

MA Rui,LI Nan,HE Jianguo,et al.Multi-degree-of-freedom measurement for space inertial test mass via laser interference[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1593-1606. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1593.

摘要

鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据，进而服务于多种空间科学载荷的研究任务，提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路，利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型，考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差，推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷，提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明：数值计算的位移误差小于0.02 fm，且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大，算法具有更高的精度和更好的适应性。最后，分析了系统的误差来源，在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10 μm且平行度小于2 mrad时，系统的姿态角测量误差小于0.017°，位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。

Abstract

High-precision displacement measurement can help realize high-precision microgravity， which can further sever a variety of space science payloads for research missions. In this study， we devised a dual-frequency interferometer based on three sets of orthogonal symmetric cube corner retroreflectors （CCRs） for measuring the six-degree-of-freedom （6DOF） pose of the spatial inertial test mass （TM） through heterodyne detection. We first established an optical model of the actual CCR， which considers the optical path difference caused by the motion of the TM， and derived the analytical relationship between the pose of the TM and the measured optical path change. Then， the attitude angles and displacements of the TM were calculated using the method of numerical analysis， which affords remarkably higher accuracy than does the traditional small-angle approximation method. Furthermore， the performance of our system was estimated using space in-orbit data and random data. The simulation results show that the displacement error was less than 0.02 fm even when the TM vibrated significantly， indicating that our method affords high accuracy and good adaptability. In addition， the error sources of the system were analyzed. The measurement errors for the attitude angle and displacement are less than 0.017° and 10 nm， respectively， when the angular installation error is below 5 mrad， the distance installation error is less than 10 μm， and the parallelism is less than 2 mrad. The proposed 6DOF measurement and calculation method can also be used in various precision machining and detection applications.

关键词

Keywords

references

杨彪，胡添元 . 空间站微重力环境研究与分析［J］. 载人航天， 2014 ， 20 （ 2 ）： 178 - 183 . doi: 10.3969/j.issn.1674-5825.2014.02.015 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-5825.2014.02.015

YANG B ， HU T Y . Study and analysis of microgravity environment onboard manned space station ［J］. Manned Spaceflight ， 2014 ， 20 （ 2 ）： 178 - 183 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-5825.2014.02.015 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-5825.2014.02.015

周浩，罗志才，周泽兵，等 . 基于天琴一号观测数据反演地球重力场模型［J］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2022 ， 50 （ 9 ）： 117 - 125 .

ZHOU H ， LUO ZH C ， ZHOU Z B ， et al . Earth’s gravity field determination based on Tianqin-1 observations ［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Nature Science Edition）， 2022 ， 50 （ 9 ）： 117 - 125 . （in Chinese）

吴书清，李天初 . 绝对重力仪的技术发展：光学干涉和原子干涉［J］. 光学学报， 2021 ， 41 （ 1 ）： 0102002 . doi: 10.3788/aos202141.0102002 http://dx.doi.org/10.3788/aos202141.0102002

WU SH Q ， LI T CH . Technical development of absolute gravimeter： optical interference and atomic interference ［J］. Acta Optica Sinica ， 2021 ， 41 （ 1 ）： 0102002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos202141.0102002 http://dx.doi.org/10.3788/aos202141.0102002

CONKLIN J W . Drift mode accelerometry for spaceborne gravity measurements ［J］. Journal of Geodesy ， 2015 ， 89 （ 11 ）： 1053 - 1070 . doi: 10.1007/s00190-015-0833-1 http://dx.doi.org/10.1007/s00190-015-0833-1

谈宜东，徐欣，张书练 . 激光干涉精密测量与应用［J］. 中国激光， 2021 ， 48 （ 15 ）： 1504001 . doi: 10.3788/cjl202148.1504001 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202148.1504001

TAN Y D ， XU X ， ZHANG SH L . Precision measurement and application of laser interference ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 15 ）： 1504001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl202148.1504001 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202148.1504001

KIM J W ， KANG C S ， KIM J A ， et al . A compact system for simultaneous measurement of linear and angular displacements of nano-stages ［J］. Optics Express ， 2007 ， 15 （ 24 ）： 15759 - 15766 . doi: 10.1364/oe.15.015759 http://dx.doi.org/10.1364/oe.15.015759

ZHANG J H ， MENQ C H . A linear/angular interferometer capable of measuring large angular motion ［J］. Measurement Science and Technology ， 1999 ， 10 （ 12 ）： 1247 - 1253 . doi: 10.1088/0957-0233/10/12/317 http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/10/12/317

ZHAO S J ， WEI H Y ， LI Y . Dual-frequency laser displacement and angle interferometer ［C］. SPIE/COS Photonics Asia. Proc SPIE 9276， Optical Metrology and Inspection for Industrial Applications III ， Beijing， China . 2014 ， 9276 ： 374 - 379 . doi: 10.1117/12.2071869 http://dx.doi.org/10.1117/12.2071869

颜浩 . 基于激光干涉的高精度多自由度光学传感研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2019 .

YAN H . Study on Ultra-precision Multi-degree-of-freedom Optical Measurement Base on Laser Interferometry ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2019 . （in Chinese）

ZHANG Z P ， MENQ C H . Laser interferometric system for six-axis motion measurement ［J］. Review of Scientific Instruments ， 2007 ， 78 （ 8 ）： 083107 . doi: 10.1063/1.2776011 http://dx.doi.org/10.1063/1.2776011

ZHANG Z P ， MENQ C H . Six-axis magnetic levitation and motion control ［J］. IEEE Transactions on Robotics ， 2007 ， 23 （ 2 ）： 196 - 205 . doi: 10.1109/tro.2007.892232 http://dx.doi.org/10.1109/tro.2007.892232

JIA P Z ， ZHANG B ， FENG Q B ， et al . Simultaneous measurement of 6DOF motion errors of linear guides of CNC machine tools using different modes ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2020 ， 20 （ 12 ）： DOI： 3439. doi: 10.3390/s20123439 http://dx.doi.org/10.3390/s20123439

CUI C X ， FENG Q B ， ZHANG B ， et al . System for simultaneously measuring 6DOF geometric motion errors using a polarization maintaining fiber-coupled dual-frequency laser ［J］. Optics Express ， 2016 ， 24 （ 6 ）： 6735 - 6748 . doi: 10.1364/oe.24.006735 http://dx.doi.org/10.1364/oe.24.006735

孙闯 . 面向精密工程的多自由度测量方法研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2021 .

SUN CH . Research on Multi-degree-of-freedom Measurement Method for Precision Engineering ［D］. Beijing ： University of Chinese Academy of Sciences ， 2021 . （in Chinese）

吕勇，冯其波，刘立双，等 . 基于多准直光的六自由度测量方法［J］. 红外与激光工程， 2014 ， 43 （ 11 ）： 3597 - 3602 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016

LÜ Y ， FENG Q B ， LIU L SH ， et al . Six-degree-of-freedom measurement method based on multiple collimated beams ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2014 ， 43 （ 11 ）： 3597 - 3602 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2014.11.016

ZHENG F J ， FENG Q B ， ZHANG B ， et al . A high-precision laser method for directly and quickly measuring 21 geometric motion errors of three linear axes of computer numerical control machine tools ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2020 ， 109 （ 5/6 ）： 1285 - 1296 . doi: 10.1007/s00170-020-05716-w http://dx.doi.org/10.1007/s00170-020-05716-w

高玉娥，刘伟，吕世猛，等 . 基于位置敏感探测器的六自由度精密位姿测量系统［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2930 - 2939 . doi: 10.3788/ope.20182612.2930 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182612.2930

GAO Y ， LIU W ， LÜ SH M ， et al . Six-degree-of-freedom displacement and angle measurement system based on two-dimensional position-sensitive detector ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2930 - 2939 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182612.2930 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182612.2930

陈家键，胡慧珠，缪立军，等 . 双频激光干涉三自由度微振动测量系统［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 7 ）： 1435 - 1443 . doi: 10.3788/OPE.20192707.1435 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192707.1435

CHEN J J ， HU H ZH ， MIAO L J ， et al . Three-degree-of-freedom micro-vibration measurement system based on dual-frequency laser interference ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2019 ， 27 （ 7 ）： 1435 - 1443 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192707.1435 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192707.1435

匡萃方，冯其波，刘欣 . 用矢量方法分析角锥棱镜的反射特性［J］. 应用光学， 2004 ， 25 （ 2 ）： 25 - 27，50 . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2004.02.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2004.02.007

KUANG C F ， FENG Q B ， LIU X . Analysis of reflection property of cube-corner retroreflector with vector expression ［J］. Journal of Applied Optics ， 2004 ， 25 （ 2 ）： 25 - 27， 50 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2004.02.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2004.02.007

杨新刚，黄玉美 . 激光干涉测长未对准误差分析［J］. 光子学报， 2010 ， 39 （ 2 ）： 311 - 315 . doi: 10.3788/gzxb20103902.0311 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20103902.0311

YANG X G ， HUANG Y M . Misalignment error anglysis in laser interference length measurement ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2010 ， 39 （ 2 ）： 311 - 315 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20103902.0311 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20103902.0311

朱陆陆 . 蒙特卡洛方法及应用［D］. 武汉：华中师范大学 .

ZHU L L . Monte Carlo Method and Its Application ［D］. Wuhan ： Central China Normal University . （in Chinese）

刘亚睿 . 外差干涉测量系统主要误差源的分析与抑制技术研究［D］. 杭州：中国计量大学 .

LIU Y R . Analysis of Main Error Sources in Heterodyne Interferometry System and Research on Suppression Technology ［D］. Hangzhou ： China University of Metrology . （in Chinese）

ZHANG Y Q ， HINES A S ， VALDES G ， et al . Investigation and mitigation of noise contributions in a compact heterodyne interferometer ［J］. Sensors ， 2021 ， 21 （ 17 ）： 5788 . doi: 10.3390/s21175788 http://dx.doi.org/10.3390/s21175788

Views

402

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

High-precision attitude measurement with active aiming composite sensing for laser tracker

Deflectometric measurement technology for optical surfaces： principles， challenges， and prospects（invited）

Precision three-dimensional measurement method of telecentric imaging based on calibration parameter correction

YOLOv8 model-based additive manufacturing micro porosity defect detection and its dimension measurement

Related Author

MA Rui

LI Nan

CHENG Zhi

DONG Dengfeng

LI Yang

QIU Qifan

WANG Jianguo

HUO Hanlin

Related Institution

College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences

College of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology

School of Information Science and Technology， Fudan University

Guilin Changhai Development Limited Company

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰