CCD光电自准直仪的设计与研究.pdf

工程硕士学位论文

CCD光电自准直仪的设计与研究

THEDESIGNANDSTUDYOF
CCDPHOTOELECTRICAUTOCOLLIMATION

赵天承

2010年12月

图内图书分类号：TB921学校代码：10213
图际图书分类号：621密级：公开

工程硕士学位论文

CCD光电自准直仪的设计与研究

硕士研究生：赵天承
导师：陈维山教授
申请学位：工程硕士
学科：机械工程
所在单位：北京航天计量测试技术研究所
答辩日期：2010年12月
授予学位单位：哈尔滨工业大学

ClassifiedIndex:TB921
U.D.C.:621

DissertationfortheDegreeofMasterinEngineering

THEDESIGNANDSTUDYOF
CCDPHOTOELECTRICAUTOCOLLIMATION

Candidate：ZhaoTiancheng
Supervisor：Prof.ChengWeishan
AcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineering
Speciality：MecharonicsEngineering
Affiliation：BeijingAerospaceInstitutefor
MetrologyandMeasurement
DateofDefense:December,2010
Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

角度测量是计量科学的重要组成部分，高精度双轴光电自准直仪主要用
于非接触高精度角度测量，在计量检定、科研生产、航空航天领域应用广
泛。目前国内的高精度角度基准均是基于国外先进仪器而建立的，在航空航
天领域高精度的测量也可以看到国外仪器的影子。目前国产自准直仪在精度
方面很难满足需要，而且通常只能实现一维角度测量，并且体积较大，不便
于携带至某些特定工作现场进行测量。
本文介绍了自准直仪的工作原理以及电荷耦合元件（CCD）的成像及
处理技术，通过使用CCD元件替代过去交流振子组件为瞄准方式的光电自
准直仪中的其它光电接受器件，从而改进自准直仪的性能，并实现两维同时
测量。
高精度双轴光电自准直仪通过焦面前移的设计思想设计高分辨率光学系
统，采用四点（四个共轭焦面）一线（光轴）的理念设计机械结构，通过控
制器控制两个线阵CCD传感器交替工作，从而实现方位和俯仰的同时测
量；通过CCD像元灵敏度统一化处理技术实现测量误差的初始校正；引入
反馈技术，通过数字PID算法实现自准直光源光强的自适应控制，最终产
品经中国计量科学研究院检定达到了0.1"的角度测量精度，满足多个领域的
应用需求。此项技术填补了国内空白，具有很好的应用前景。

关键词：角度测量，自准直仪；CCD；灵敏度

-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

Abstract

Angulemeasurementisanimportantpartofmetrology，Doubleaxishigh
precisionphotoelectricautocollimationismainlyusedfornon-contacthigh
precisionmeasurement,themeasurementtest,researchandproduction,iswidely
usedinaerospace.Atpresent,thehighprecisionanglereferenceareestablished
basedontheforeignadvancedequipment,andintheaerospaceprecision
measurementinstrumentscanalsoseetheshadowforeign.Sincethecollimator
iscurrentlymadeintheprecisionisdifficulttomeettheneeds,andoften
achieveonlyone-dimensionalanglemeasurement,andbulky,noteasytocarry
toworksitespecificmeasurements.
Thisarticledescribestheautocollimatorworksandcharge-coupleddevice
(CCD)imagingandprocessingtechnology,thepastthroughtheuse