專利名稱：用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置。
背景技術(shù)：
目前軌道的檢測方法主要分為慣性基準(zhǔn)法和弦測法，大型的軌檢車普遍采用慣性基準(zhǔn)法，通過對列車的加速度信號進(jìn)行二次積分直接求得位置或位移量，得出慣性基準(zhǔn)，其缺點(diǎn)在于測量結(jié)果受行車速度的影響，只能用于檢測已經(jīng)完工的路段，制造和使用成本很高，不便于日常線路檢測維護(hù)。便攜式軌檢車則大多采用弦測法，通過測量短弦矢高來推算長波不平順(CN200971459)，由于以小推大，存在誤差放大等問題，且弦測法傳遞函數(shù)收斂性差，測量值不能完全真實(shí)地反映軌道狀態(tài)，通過逆濾波處理也只能換算到40米波長的測量值。為了提高長波不平順的測量精度，大連拉特激光有限公司采用激光準(zhǔn)直法進(jìn)行長弦測量(CN201575794U)，其缺點(diǎn)在于無法克服大氣湍流導(dǎo)致的激光光斑隨機(jī)抖動(dòng)，光斑中心的判讀誤差以及振動(dòng)等都會(huì)限制測量精度的進(jìn)一步提高。為了克服上述問題，實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道不平順度的高精度、高效率測量，專利CN102304884A公開了一種新的高速鐵路軌道平順性檢測方法，該檢測方法基于雙頻激光干涉原理，分別采用橫向鎖相測頭和垂向鎖相測頭來測量軌道的橫向和垂向不平順參數(shù)，兩個(gè)鎖相測頭相互獨(dú)立，比對位相時(shí)采用各自的雙頻激光器產(chǎn)生的參考信號，所以兩個(gè)雙頻激光器的頻差穩(wěn)定性差異將使兩個(gè)鎖相測頭在測量過程中引入系統(tǒng)誤差，影響最終的軌道不平順參數(shù)的高精度測量；并且由于雙頻激光器價(jià)格昂貴，體積較大，嚴(yán)重限制了整個(gè)測量系統(tǒng)的小型化和輕量化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于消除該系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高軌道平順性檢測的精度，減小整個(gè)測量系統(tǒng)的體積，降低成本。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，主要由雙頻激光光源部分，參考光路部分，橫向不平順測量光路部分以及垂向不平順測量光路部分組成。上述的橫向不平順測量光路包括平面反射鏡Al⑶，平面反射鏡A2 (9)，偏振分光棱鏡B (13)，1/4波片BI (14)，1/4波片B2 (15)，轉(zhuǎn)臺BI (16)，平面反射鏡BI (17)，傳動(dòng)帶 B (18)，50 %分光棱鏡B (19)，轉(zhuǎn)臺B2 (20)，平面反射鏡B2 (21)，會(huì)聚透鏡組B (12)，檢偏器 B(Il)，探測器 B (10)。上述的垂向不平順測量光路由偏振分光棱鏡C(30)，1/4波片Cl (24)，1/4波片 C2 (26)，平面反射鏡Cl (22)，平面反射鏡C2 (29)，轉(zhuǎn)臺Cl (23)，轉(zhuǎn)臺C2 (28)，傳動(dòng)帶C (27)， 50 %分光棱鏡C (25)，會(huì)聚透鏡組C (31)，檢偏器C (32)，探測器C (33)組成。上述橫向不平順測量光路中，平面反射鏡BI (17)和平面反射鏡B2(21)分別固定在轉(zhuǎn)臺BI (16)和轉(zhuǎn)臺B2(20)上，兩轉(zhuǎn)臺由傳動(dòng)帶B(18)連接并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)使經(jīng)過偏振分光棱鏡(13)后的反射和透射光形成共焦點(diǎn)對稱雙掃描光路，使從50%分光棱鏡B(19)出射的兩束不同頻率的正交圓偏振光沿整個(gè)測量裝置的中心平面對稱，在水平面內(nèi)分開一定角度，形成兩束橫向不平順測量光束；兩光束分別被設(shè)置在軌道兩側(cè)的基準(zhǔn)標(biāo)桿上的球形棱鏡自準(zhǔn)直回去，最后被探測器B(IO)接收作為橫向不平順測量信號，其中基準(zhǔn)標(biāo)桿上的球形棱鏡作為軌道測量的基準(zhǔn)點(diǎn)。上述垂向不平順測量光路在原理上與橫向不平順測量光路相同，只是出射的兩束不同頻率的正交圓偏振光在鉛垂方向上分開一定角度，形成兩束垂向不平順測量光束，被設(shè)置在基準(zhǔn)標(biāo)桿上的兩個(gè)垂向分開的球形棱鏡自準(zhǔn)直回去，最后被探測器C(33)接收作為垂向不平順測量信號。上述垂向不平順測量光路與橫向不平順測量光路在光學(xué)元件上的差異在于沒有橫向不平順測量光路中用于折轉(zhuǎn)光路的平面反射鏡平面反射鏡Al (8)和平面反射鏡 A2(9);這兩個(gè)平面反射鏡對橫向不平順測量光路的折轉(zhuǎn)，保證了出射的兩束橫向不平順測量光束的對稱平面與整個(gè)測量裝置的中心平面重合。上述的垂向不平順測量光路與橫向不平順測量光路在設(shè)計(jì)時(shí)相同光學(xué)元件的尺寸以及元件之間的相對距離應(yīng)該相同，此外應(yīng)保證從50%分光棱鏡A(7)到偏振分光棱鏡 B(13)和偏振分光棱鏡C(30)的光程相等。上述的參考光路包括檢偏器A (5)和探測器A ￠)，探測器A (6)接收的來自雙頻激光光源部分的光拍信號作為整個(gè)二維鎖相測量裝置的參考信號。上述的橫向不平順測量信號和垂向不平順測量信號經(jīng)過電學(xué)處理后分別與參考信號比相，采用外差干涉測量原理和專利CN102304884A提出的軌道平順性檢測原理，即可測量軌道的二維不平順度，從而完全真實(shí)地反映出軌道的空間不平順狀態(tài)，進(jìn)一步可以處理數(shù)據(jù)得到軌距、水平(超高)、軌向(正矢)、高低、三角坑等軌道幾何參數(shù)。本發(fā)明能夠解決的主要技術(shù)問題及其積極效果是I、由于橫向不平順測量光路和垂向不平順測量光路共用同一光源，外差干涉測量時(shí)采用同一參考信號，消除了由于雙頻激光器頻差穩(wěn)定性差異而引入的軌道橫向不平順和垂向不平順測量的系統(tǒng)誤差；2、用一個(gè)雙頻激光器光源實(shí)現(xiàn)了軌道平順性的二維高精度檢測；3、大幅減小了整個(gè)測量系統(tǒng)的體積和重量，降低成本；4、可廣泛應(yīng)用于高精度超長軌道直線度測量，大型水壩的變形監(jiān)測，基于雙頻激光干涉技術(shù)的大口徑非球面檢測，地鐵軌道的維護(hù)和檢測等精密測量領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明的二維鎖相測量裝置光學(xué)原理圖。附圖標(biāo)號說明1_雙頻激光器；2_1/4波片A ；3-反射比很小的分光鏡；4_準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)；5_檢偏器A ;6_探測器A ;7-50%分光棱鏡A ;8_平面反射鏡Al ;9_平面反射鏡A2 ； 10-探測器B ; 11-檢偏器B ; 12-會(huì)聚透鏡組B ; 13-偏振分光棱鏡B ; 14-1/4波片BI ; 15-1/4 波片B2 ;16_轉(zhuǎn)臺BI ;17_平面反射鏡BI ;18_傳動(dòng)帶B ;19-50%分光棱鏡B ;20_轉(zhuǎn)臺B2 ； 21-平面反射鏡B2 ；22-平面反射鏡Cl ；23-轉(zhuǎn)臺Cl ;24_1/4波片Cl ;25-50%分光棱鏡C ； 26-1/4波片C2 ;27_傳動(dòng)帶C;28-轉(zhuǎn)臺C2 ;29_平面反射鏡C2 ;30_偏振分光棱鏡C ;31_會(huì)聚透鏡組C ；32-檢偏器C ；33-探測器C。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作出進(jìn)一步的詳細(xì)說明如圖1，本發(fā)明所涉及的用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，主要由雙頻激光光源部分，參考光路部分，橫向不平順測量光路部分以及垂向不平順測量光路部分組成； 其中橫向不平順測量光路包括平面反射鏡Al (8)，平面反射鏡A2 (9)，偏振分光棱鏡B (13)， 1/4波片BI (14)，1/4波片B2 (15)，轉(zhuǎn)臺BI (16)，平面反射鏡BI (17)，傳動(dòng)帶B (18)，50%分光棱鏡B (19)，轉(zhuǎn)臺B2 (20)，平面反射鏡B2 (21)，會(huì)聚透鏡組B (12)，檢偏器B(Il),探測器 B(IO);垂向不平順測量光路由偏振分光棱鏡C(30)，1/4波片Cl (24)，1/4波片C2 (26)，平面反射鏡Cl (22)，平面反射鏡C2 (29)，轉(zhuǎn)臺Cl (23)，轉(zhuǎn)臺C2 (28)，傳動(dòng)帶C(27)，50%分光棱鏡C (25)，會(huì)聚透鏡組C (31)，檢偏器C (32)，探測器C (33)組成。雙頻激光器(I)發(fā)出兩束具有一定頻差的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，經(jīng)過 1/4波片A(2)后變?yōu)槠穹较蛘坏膬墒€偏振光4和f2，經(jīng)過反射比很小的分光鏡(3) 后，一小部分光進(jìn)入?yún)⒖脊饴?，?5°放置的檢偏器A(5)上形成光拍，被探測器A(6)接收作為參考信號；其它大部分光經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)后，被50%分光棱鏡A(7)分為兩部分，一部分光透射進(jìn)入橫向不平順測量光路，另一部分光經(jīng)反射進(jìn)入垂向不平順測量光路。進(jìn)入橫向不平順測量光路的光包含沿Y軸方向振動(dòng)的線偏振光4和沿Z軸方向振動(dòng)的線偏振光f2，經(jīng)過平面反射鏡Al (8)和平面反射鏡A2 (9)后進(jìn)入偏振分光棱鏡B (13)； 沿Y軸方向振動(dòng)的線偏振光被反射經(jīng)過45°放置的1/4波片B2 (15)后變?yōu)閳A偏振光， 經(jīng)平面反射鏡B2(21)和50%分光棱鏡B(19)后出射，經(jīng)球形棱鏡反射后沿原路返回，再次經(jīng)過1/4波片B2 (15)后變?yōu)檠豘軸振動(dòng)的線偏振光，從偏振分光棱鏡B (13)透射；沿Z 軸方向振動(dòng)的線偏振光透過偏振分光棱鏡B(13)后，經(jīng)過45°放置的1/4波片BI (14) 后變?yōu)閳A偏振光，經(jīng)平面反射鏡BI (17)和50%分光棱鏡B(19)反射后出射，經(jīng)球形棱鏡反射后沿原路返回，再次經(jīng)過1/4波片BI (14)后f2變?yōu)檠豗軸振動(dòng)的線偏振光，被偏振分光棱鏡B(13)反射，跟一起經(jīng)會(huì)聚透鏡組B(12)在45°放置的檢偏器B(Il)上形成光拍， 被探測器B(IO)接收作為橫向不平順測量信號。上述橫向不平順測量光路中，平面反射鏡BI (17)和平面反射鏡B2(21)分別固定在轉(zhuǎn)臺BI (16)和轉(zhuǎn)臺B2(20)上，兩轉(zhuǎn)臺由傳動(dòng)帶B(18)連接并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)使經(jīng)過偏振分光棱鏡(13)后的反射和透射光形成共焦點(diǎn)對稱雙掃描光路，使從50%分光棱鏡B(19)出射的兩正交圓偏振光和f2沿整個(gè)測量裝置的中心平面即XY平面對稱，并在XZ平面上形成兩束橫向測量光束；兩光束分別被設(shè)置在軌道兩側(cè)的基準(zhǔn)標(biāo)桿上的球形棱鏡自準(zhǔn)直回去， 其中基準(zhǔn)標(biāo)桿上的球形棱鏡作為軌道測量的基準(zhǔn)點(diǎn)。上述垂向不平順測量光路在原理上與橫向不平順測量光路相同，只是出射的兩正交圓偏振光fi和f2在YZ平面上形成兩束垂向測量光束，被設(shè)置在基準(zhǔn)標(biāo)桿上的兩個(gè)垂向分開的球形棱鏡自準(zhǔn)直回去，最后被探測器c(33)接收作為垂向不平順測量信號。上述垂向不平順測量光路與橫向不平順測量光路在光學(xué)元件上的差異在于沒有橫向不平順測量光路中用于折轉(zhuǎn)光路的平面反射鏡平面反射鏡Al (8)和平面反射鏡 A2(9);這兩個(gè)平面反射鏡對橫向不平順測量光路的折轉(zhuǎn)，保證了出射的兩束橫向測量光束的對稱平面與整個(gè)測量裝置的中心平面重合。上述的垂向不平順測量光路與橫向不平順測量光路在設(shè)計(jì)時(shí)相同光學(xué)元件的尺寸以及元件之間的相對距離應(yīng)該相同，此外應(yīng)保證從50%分光棱鏡A(7)到偏振分光棱鏡 B(13)和偏振分光棱鏡C(30)的光程相等。上述的橫向不平順測量信號和垂向不平順測量信號經(jīng)過電學(xué)處理后分別與參考信號比相，采用外差干涉測量原理和專利CN102304884A提出的軌道平順性檢測原理，即可測量軌道的二維不平順度，從而完全真實(shí)地反映出軌道的空間不平順狀態(tài)，進(jìn)一步可以處理數(shù)據(jù)得到軌距、水平(超高)、軌向(正矢)、高低、三角坑等軌道幾何參數(shù)。
權(quán)利要求
1.用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，其特征在于由雙頻激光光源部分，參考光路部分，橫向不平順測量光路部分以及垂向不平順測量光路部分組成；其中橫向不平順測量光路包括平面反射鏡Al (8)，平面反射鏡A2 (9)，偏振分光棱鏡B (13)，1/4波片 BI (14)，1/4波片B2 (15)，轉(zhuǎn)臺BI (16)，平面反射鏡BI (17)，傳動(dòng)帶B (18)，50 %分光棱鏡 B(19)，轉(zhuǎn)臺B2 (20)，平面反射鏡B2 (21)，會(huì)聚透鏡組B(12)，檢偏器B(Il),探測器B(10)； 垂向不平順測量光路包括偏振分光棱鏡C (30)，1/4波片Cl (24)，1/4波片C2(26)，平面反射鏡Cl (22)，平面反射鏡C2 (29)，轉(zhuǎn)臺Cl (23)，轉(zhuǎn)臺C2 (28)，傳動(dòng)帶C(27)，50 %分光棱鏡 C (25)，會(huì)聚透鏡組C (31)，檢偏器C (32)，探測器C (33)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，其特征在于所述的橫向不平順測量光路中，平面反射鏡Bl(17)和平面反射鏡B2(21)分別固定在轉(zhuǎn)臺 BI (16)和轉(zhuǎn)臺B2(20)上，兩轉(zhuǎn)臺由傳動(dòng)帶B(18)連接并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)使經(jīng)過偏振分光棱鏡 (13)后的反射和透射光形成共焦點(diǎn)對稱雙掃描光路，使從50%分光棱鏡B (19)出射的兩束不同頻率的正交圓偏振光沿整個(gè)測量裝置的中心平面對稱，在水平面內(nèi)分開一定角度，形成兩束橫向不平順測量光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，其特征在于所述的垂向不平順測量光路在原理上與橫向不平順測量光路相同，只是出射的兩束不同頻率的正交圓偏振光在鉛垂方向上分開一定角度，形成兩束垂向不平順測量光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，其特征在于所述的橫向不平順測量光路和垂向不平順測量光路共用同一光源，外差干涉測量時(shí)采用同一參考信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置，其特征在于可廣泛應(yīng)用于高精度超長軌道直線度測量，大型水壩的變形監(jiān)測，基于雙頻激光干涉技術(shù)的大口徑非球面檢測，地鐵軌道的維護(hù)和檢測等精密測量領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)測量領(lǐng)域，涉及一種用于軌道平順性檢測的二維鎖相測量裝置。該裝置由雙頻激光光源部分，參考光路部分，橫向不平順測量光路部分以及垂向不平順測量光路部分組成。從雙頻激光光源部分出射的兩束具有一定頻差的正交線偏振光，經(jīng)分束鏡，一部分進(jìn)入?yún)⒖脊饴?，另一部分?jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束及分光后，分別進(jìn)入橫向不平順測量光路和垂向不平順測量光路，兩測量光路所得的測量信號分別與參考信號比相。由于兩測量光路共用同一光源，外差干涉測量時(shí)采用了同一參考信號，消除了軌道的橫向不平順和垂向不平順測量之間的系統(tǒng)誤差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軌道平順性的二維測量，減小體積，降低成本。
文檔編號E01B35/06GK102587232SQ201210063479
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者張磊, 王倩, 王加科, 賀文俊, 鄭建平, 鄭陽 申請人:長春理工大學(xué)