第1章 绪论

1.1 定向基准的研究现状

运动是普遍存在的，绝对静止是没有的，即使是摆放于实验楼板上的仪器也会受楼体角位移变形的影响。高精度定向指示的仪器等价于工作在低频微量角位移环境下。消除这种运动对光轴影响的光学结构，可广泛用于基准定向仪器，例如高精度稳像平行光管、定向指示仪器、水准仪和铅直仪等。平稳低频环境下的液面具有定向精度高的特点，利用液体表面及其折射率直接设计在光学系统成像环节，能实现补偿功能。由此可构成许多光学补偿结构，且可靠性及精度都很高。

将液体及液面直接用于光学系统的设计参数中，能充分发挥液体自然表面基准定向精度，实现对光轴的高精度自动定向补偿。目前，尚没有用于研究和解决液体光学补偿结构的统一数学模型，实践中出现的新结构装置多申请知识产权。理论上可拓宽实践路线，同时有利于发现新的液体光学补偿结构，还可为科研、生产、建设及实验等应用领域中所需的高精度基准场合提供更多选择方式。应用动态光学理论，可对液体光学定向补偿建立数学模型。

空间激光通信以光波作为信息载体，利用光波在空间进行信息传递。目前点对点激光通信在轨实验已经取得成功，验证了激光通信原理的可行性。但空间激光通信链路组网技术尚未实现，应用动态光学理论，可对激光通信终端间的光学天线指向建立数学模型。指向对准数学模型的建立，对未来空间链路组网具有指导意义。

动态光学理论在稳像光学系统及多轴光学系统中已经得到广泛应用，利用其理论建立物像动态关系，对光学系统光轴定向基准分析和光学系统成像稳定具有理论指导意义。

光学系统的运动会使其所成的像也随之运动，即使预先设定的定向基准（例如水平线、垂直线和方位目标线等）随之改变。通过为光学系统内部引入补偿器可补偿这种改变。目前对光轴方向的补偿主要通过以下方式实现。

（1）交叉吊丝补偿方式

将光学系统中的补偿元件通过金属细薄片丝以交叉方式吊挂起来，重力作用平衡后，补偿元件到达平衡中心。当仪器倾斜时，补偿元件按一定规律运动，运动光学元件参数与被吊挂的补偿光学元件参数匹配，实现自动补偿，可修正光轴对基准的偏离。

（2）轴承吊挂补偿方式

用微型精密球轴承通过二维框架将补偿光学元件吊挂起来，重力作用平衡后，补偿元件方位角不变。通过设计运动元件的光学参数与静止补偿元件光学参数之间的关系，达到光学补偿的目的。也可使整个光学系统元件全部吊挂，实现整体稳定，但这会导致体积较大。

（3）电子水泡补偿方式

以电子水泡作为角度传感器，结合电子伺服系统驱动光学系统中的补偿元件，实现光学补偿或驱动整体光学系统达到整体稳定。

（4）液体补偿方式

将透明光学液体倒入光学系统中某一特定位置，相对其他运动的光学元件进行参量匹配，利用重力场下液体自然表面的定向特性，产生液体动态光楔，实现光线偏折，达到自动补偿目的。

上述补偿方式各有利弊。吊丝为弹性工作方式，使被吊挂的补偿光学元件在重力作用下呈限定的规律摆动状态，这对吊丝的材料及制造工艺要求很高。吊丝很薄，不耐冲击振动、易变形、精度易漂移。此外，在空气流动、地面振动、地球自转和壳体移动等因素影响下，吊丝悬挂部件会无规律摆动，需要很长时间稳定，即使采用阻尼器快速稳定补偿元件，也会因吊丝与支点产生的摩擦圆而使悬挂元件很难竖直，因此吊丝补偿方式一般应用在精度要求不高的地方。吊丝补偿方式的优点是结构简单、灵敏度较好、系统体积较小。目前，采用吊丝工作方式的自动水准仪和垂准仪仍是主流产品。轴承补偿器的补偿元件用二维万向框架吊挂所用的微型球轴承，要求摩擦力矩很小，对轴承的光洁度要求非常高，否则会影响归位精度。轴承补偿器的强度高、补偿范围大，但结构较复杂且体积大、精度较低、灵敏度较低。电子水泡加伺服系统补偿方式的补偿范围较大，但其补偿范围与补偿精度成反比，要达到较高的精度还需要一套精密的伺服机构。由于电子水泡加伺服系统的精度取决于传感器和伺服机构精度，而传感器的传输误差与伺服机构的制造误差都不可避免，电子水泡结合伺服驱动系统补偿方式的精度受限于传感器及驱动系统精度，且系统较复杂。电子水泡加伺服系统补偿方式的抗振动、抗干扰性优于吊丝补偿方式和轴承补偿方式。液体补偿方式的基准为液面，液面定向精度较高，可直接应用于光学系统的光路中，灵敏度较高、补偿范围也较大，而且不需要阻尼器，因此结构相对简单，有利于微型化设计。液体表面张力与毛细现象使静止的液体表面呈弧面，曲率很小，中心附近区域内可近似为平面，可作为液体的工作面，设计补偿器时只要使光线在工作面内通过，即可实现很高的精度。

脱离重力场后，需要以惯性源作基准来实现补偿。将补偿元件直接与二自由度框架陀螺仪连接以实现直接稳定，或由惯性陀螺输出姿态信号，再通过电学驱动控制补偿器件达到自动补偿的目的。这种方法成本高、结构复杂，主要用于军事或空间光学定向。

液体光学补偿能达到最高精度等级的补偿，可组成很多具体结构方式。将液体置于光学系统中，其自然表面从专利上看一般不超过两个，重力作用平衡后呈自然水平基准态，用于补偿光学系统像的运动，主要取基准面的定向性和折射率值，以此作为参量完成自动补偿。对于以两个液面为基准的系统，可采用两种液体，并对这两种液体的折射率进行适当匹配，即可达到自动补偿的目的。例如液体激光自动垂准仪里的补偿器，当两种液体的折射率之和等于3时，可完成补偿；当三种液体的折射率之和等于4时，可实现补偿。