專利名稱：用于干涉式測量裝置的動態(tài)空氣湍流補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于激光測量的方法和裝置。具體來說，本發(fā)明涉及包括激 光干涉儀和聲學(xué)飛行時間測量系統(tǒng)的測量裝置。
背景技術(shù)：
已知在空氣中進(jìn)行的激光干涉儀位置測量通常受到空氣湍流感生噪聲 的干擾。這種噪聲削弱了激光位置反饋的穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^將激光束包圍在 "靜止空氣"內(nèi)來減少這種噪聲，但是由于空間制約，這樣做通常不切實(shí)際。 還可以通過使用性能非常高的空調(diào)系統(tǒng)來統(tǒng)一/穩(wěn)定大氣條件，但是這樣做代 價高昂。在真空中進(jìn)行激光測量可以消除全部噪聲，但是這樣做成本也很高 或者不且實(shí)際。
隨著誤差縮小、特征尺寸收縮以及晶片/面板尺寸加大，從激光干涉儀測 量值中消除或減少空氣湍流感生噪聲在電子和半導(dǎo)體制造中變得越發(fā)地重 要。該領(lǐng)域的生產(chǎn)需求還要求用來減少這種噪聲的任何技術(shù)必須能在動態(tài)應(yīng) 用場合中工作，即要測量移動物體的位置。
激光干涉儀讀數(shù)中的空氣湍流感生噪聲的主要原因在于激光束所穿過 的空氣的溫度微小波動。這種溫度變化改變空氣的折射率，因此改變激光束 的光學(xué)路徑長度?？諝庹凵渎史矫娴目諝鉁囟扔绊懯且阎?，并且例如通過
Edlen方程(Kaye & Laby Tables of Physical and Chemical Constant 16th Edition Page 130)來建模。在正常大氣條件下，空氣溫度每升高l攝氏度，空氣折 射率將降低約0.96ppm。 Edlen方程顯示，空氣折射率還受到其他因素影響， 諸如空氣壓力、濕度和C02含量。但是，空氣溫度的短期局部波動是空氣湍 流感生噪聲的主要原因。其他參數(shù)或者改變地非常緩慢(例如，大氣壓力) 或者對折射率影響很小(例如，空氣濕度或C02含量)。Byan和Carter在 Lawrence Livermore由勺文章("Straightness Metrology Applied to a 100 inch creep feed grinder" 5th International Precision Engineering Seminar Monterey California 1989 )稱這種空氣瑞流感生噪聲為"微小的熱噪聲"。它們的文章顯示，可以利用風(fēng)扇和擴(kuò)散網(wǎng)來使空氣均勻以使空氣時間上和空間上都一
致，從而減少空氣湍流噪聲，參見美國專利No. 5,141,318。但是，這種技術(shù) 并不完全有效，且由于空間制約的原因，并不能總是采用。
如果空氣溫度改變O.rC，則其折射率改變約0.096ppm，這將增加激光 的波長并從而將激光讀數(shù)減小約0.096ppm?？諝馔牧鞲猩肼曂ǔＲ约す馕?置讀數(shù)波動的形式出現(xiàn)，任何地方的幅值從土0.1ppm (在熱穩(wěn)定環(huán)境中)高 至± 5ppm (在非熱穩(wěn)定環(huán)境中)。通常這種波動表現(xiàn)為激光位置讀數(shù)的隨機(jī) "漫游"，其任何地方的頻譜范圍從0.01Hz到100Hz。除了時間方面的變化 之外，空氣溫度波動在空間方面也是不同的。在一個位置，空氣可能是熱穩(wěn) 定的，但是一段短距離之外空氣就可能不是熱穩(wěn)定的，即使這兩個地方的平 均空氣溫度等同。
還已知如US3,520,613所述的那樣，利用空氣溫度傳感器(基于熱敏電 阻、熱電耦或其他適當(dāng)?shù)母兄?來提供空氣折射差異補(bǔ)償。但是，這種 方案僅能補(bǔ)償環(huán)境中相對緩慢的變化，并且因為兩方面的原因而不適合用于 消除空氣湍流噪聲。第一，這種性質(zhì)的空氣溫度傳感器不能足夠快地進(jìn)行響 應(yīng)來測量更快的引起空氣湍流感生噪聲的空氣溫度變化。第二，這種傳感器 僅響應(yīng)緊鄰其周圍的空氣溫度，不能適用于沿著實(shí)際測量激光束的空氣溫度 變化。
如果激光干涉儀設(shè)置在對空氣開放的固定長度參考路徑上，則激光可以 用來測量該參考路徑內(nèi)的空氣折射率變化，因為它們將導(dǎo)致光學(xué)路徑長度變 化。所謂"折射率測定儀"或波長跟蹤器在US4765741中說明，該設(shè)備能極 其迅速地測量折射率變化，因此能跟蹤引起空氣湍流感生噪聲的空氣溫度快 速變化。但是，跟蹤折射率測定儀價格昂貴，并且還是只能響應(yīng)其內(nèi)側(cè)的空 氣折射率變化，不能沿著測量激光束匹配空氣溫度變化。
由于空氣折射率還取決于經(jīng)過該空氣的光波長(由于散射效應(yīng))，所以 可以設(shè)置兩個激光干涉儀，同時在相同的路徑上用不同的波長測量。然后可 以處理這兩個激光讀數(shù)，從折射率變化感生的表象變化中分離處所測量的路 徑長度上的真實(shí)變化。這在US6，327，039中有述。但是，散射效應(yīng)很小，所 以兩個激光波長之間的關(guān)系必須精確已知。這需要花費(fèi)高昂代價來獲得。
還已知聲波在空氣中的速度依賴于溫度。因此，可以利用聲波在已知距 離上的傳輸時間來確定該路徑上的空氣溫度，例如參見US4,201，087和US5，624，188。由于空氣湍流感生噪聲主要是一種溫度效應(yīng)，所以這種技術(shù)可 以用來減少激光位置讀數(shù)中的空氣湍流噪聲。這種性質(zhì)的系統(tǒng)在 US6,501,550中有述。這種方法具有足夠快的響應(yīng)時間來4全測可能引起空氣 湍流感生噪聲的空氣溫度快速變化，并且也能布置成沿著接近與激光束路徑 重合的路徑進(jìn)行測量。在正常大氣條件下，可以顯示出聲波在空氣中的速度 降低約1800ppm/C。 Edlen方程(見上述)顯示出，通常在實(shí)驗室條件下， 空氣折射率降低0.96ppm/°C。因此，可以通過將激光讀數(shù)調(diào)節(jié)1/1800/0.96 來補(bǔ)償空氣溫度波動，1/1800/0.96大約是聲波速度波動的1A875倍。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，測量裝置包括激光測量系統(tǒng)，其提供可動物體 相對于參考物體的激光測量值；用于提供機(jī)器反饋控制信號的裝置，用于控 制所述可動物體相對于所述參考物體的移動；聲學(xué)系統(tǒng)，其在所述可動物體 和所述參考物體之間傳輸聲波，并輸出指示聲波在所述可動物體和所述參考 物體之間行進(jìn)的飛行時間的飛行時間值；補(bǔ)償系統(tǒng)，其使用所述聲學(xué)系統(tǒng)的 輸出來補(bǔ)償所述激光測量值，以產(chǎn)生補(bǔ)償后的激光測量值，其中所述激光測 量值的產(chǎn)生速率大于所述飛行時間值的產(chǎn)生速率，并且所述機(jī)器反饋控制信 號的更新速率大于所述飛行時間值的產(chǎn)生速率，其特征在于，所述補(bǔ)償系統(tǒng) 利用從多個激光測量值和至少一個飛行時間值推算的補(bǔ)償值來產(chǎn)生每個補(bǔ) 償后的激光測量值。
因此，本發(fā)明^是供一種測量裝置，其包括激光測量系統(tǒng)(例如，激光干 涉儀或其他適當(dāng)?shù)募す庠O(shè)備)，用于測量可動物體相對于參考物體(例如， 反射器)的移動。具有優(yōu)勢的是，所述激光測量系統(tǒng)提供所述可動物體相對 于所述參考物體的位置和/或速度的激光測量值。本發(fā)明的裝置還包括聲學(xué)系 統(tǒng)，用來測量所述可動物體和所述參考物體之間的聲波飛行時間，從而允許
時間值。還提供了一種補(bǔ)償系統(tǒng)，其使用所述飛行時間值來提供補(bǔ)償后的激 光測量值。所述裝置還設(shè)置有用來提供機(jī)器反饋控制信號(例如，位置信息 信號)的裝置，所述機(jī)器反饋控制信號可以饋送到關(guān)聯(lián)的機(jī)器的控制回路。 這種機(jī)器反饋控制信號從所述補(bǔ)償后的激光測量值來推算，并且可以以與產(chǎn) 生激光測量值的速率相同或不同的速率進(jìn)行更新。在這一點(diǎn)，應(yīng)該注意本發(fā)明測量裝置背后的物理原理，所述激光測量裝 置可以提供所述系統(tǒng)光學(xué)路徑長度(例如，可動物體和參考物體分開的距離) 的精確測量值。指示聲波基本上沿著相同路徑飛行的時間的值也可以從所述 聲學(xué)系統(tǒng)中推算出來。結(jié)合已知的聲學(xué)飛行時間值和已知的(光學(xué))路徑長
度值，允許得出沿著該路徑的聲波速度空間中數(shù)(spatialmean)平均值。從 聲波速度的空間中數(shù)平均值，可以推導(dǎo)沿著該路徑的空氣溫度空間中數(shù)溫 度，該空間中數(shù)溫度又允許獲得沿著該路徑的空氣空間中數(shù)折射率。知道沿 著該路徑的空氣空間中數(shù)折射率，允許補(bǔ)償所述激光測量值，從而提供補(bǔ)償 后的激光測量值。還應(yīng)該注意，在需要改善精度的情況下，所述裝置不必依 次明確計算上述每一個值，而是本發(fā)明背后的一般原理建立在上述物理學(xué)相 互關(guān)系之上。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，雖然在靜態(tài)條件下，上述現(xiàn)有技術(shù)的這種系統(tǒng)(例 如，在US6，501，550)能提供足夠的空氣湍流噪聲衰減，但是在動態(tài)應(yīng)用中 (例如，在需要測量移動物體位置的情況下)，該系統(tǒng)的性能下降。本發(fā)明 緩解了這種性能變差的問題，并允許對于動態(tài)系統(tǒng)減少空氣湍流噪聲。具體 來說，本發(fā)明提供一種裝置，其中從激光測量系統(tǒng)獲得光學(xué)路徑長度數(shù)據(jù)更 為接近地對應(yīng)于聲學(xué)系統(tǒng)的飛行時間數(shù)據(jù)，即使是在所述參考物體和所述可 動物體之間存在相對運(yùn)動的情況下也是如此。這是通過所述補(bǔ)償系統(tǒng)利用從
多個激光測量值(而非現(xiàn)有技術(shù)中所述的一個激光測量值)和至少一個聲學(xué) 測量值推算出來的補(bǔ)償值(例如，補(bǔ)償系數(shù))從初始激光測量值產(chǎn)生每個補(bǔ) 償后的激光測量值來實(shí)現(xiàn)的，在以下有更為詳細(xì)的說明。這樣允許在使用中 所述可動物體相對于所述參考物體連續(xù)運(yùn)動而使得所述路徑長度(光學(xué)和聲 學(xué)兩者)持續(xù)變化的情況下，改善裝置中的激光測量值補(bǔ)償效果。因此，這 種反饋控制信號允許為基本上實(shí)時操作建立反饋控制。
存在許多可以從本發(fā)明的裝置受益的動態(tài)應(yīng)用場合的例子。例如，半導(dǎo) 體/電子工業(yè)中所用的現(xiàn)代位置反饋伺服控制回路通常依賴超過10KHz有時 甚至高達(dá)幾個MHz的伺服回路更新速率。這種系統(tǒng)還要求延遲變化(即， 實(shí)際位置和報告的位置讀數(shù)之間的時間延遲)小于10ns。要求這種高更新速 率和低延遲變化是為了保證運(yùn)動控制系統(tǒng)能保持位置控制處于納米級，而主 軸可以以許多毫米每秒的速度移動，這是這些工業(yè)的誤差和生產(chǎn)速率。激光 干涉儀系統(tǒng)可以提供必要的位置讀數(shù)分辨率(亞納米)和更新速率(幾個MHz)。這些機(jī)器的主軸長度通常介于300mm (硅晶片)到3000mm (大型 平板顯示器)之間，且聲波在空氣中的速度約為300m/s。這意味著聲波脈沖 沿著全部主軸的往返行程傳輸時間可能在任何地方都是2到20毫秒。因此， 發(fā)送聲波脈沖然后等待回聲的系統(tǒng)的更新速率根據(jù)主軸長度，最好介于50Hz 至500Hz之間。例如可以通過發(fā)射第二脈沖而等待第一脈沖的回聲來提高該 更新速率，但是當(dāng)后續(xù)脈沖和雜亂回聲的噪聲與原始聲波脈沖混合，給分開 各種信號帶來麻煩時，這種技術(shù)馬上出現(xiàn)問題。
本發(fā)明提供一種用于空氣湍流噪聲衰減的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供伺服控制應(yīng) 用場合所需的快速更新速率以及最小延時變化，同時采用來自聲學(xué)傳輸時間 (飛行時間)信號的相對緩慢的更新數(shù)據(jù)。換句話說，所述聲學(xué)飛行時間數(shù) 據(jù)用來矯正所述激光測量值，而不會限制可以產(chǎn)生所述補(bǔ)償后的激光測量值 的速率。
具有優(yōu)勢的是，所述補(bǔ)償系統(tǒng)利用插值處理確定每個補(bǔ)償值，所述插值 處理包括在多個激光測量值之間進(jìn)行插值。這種插值可以便利地為線性插值 或者可以通過多項式方程擬合所述多個激光測量值來實(shí)現(xiàn)。這種插值處理可 以具有優(yōu)勢地涉及計算插值后的激光測量值，以估算與每個飛行時間值關(guān)聯(lián) 的路徑長度。作為插值的替代方案，也可以采用外推過程實(shí)現(xiàn)類似效果。
方{更的是，所述補(bǔ)償系統(tǒng)隨著時間平滑地改變所述補(bǔ)償值。例如，可以 在補(bǔ)償值之間的過渡部分進(jìn)行線性插值。這樣確保提供給關(guān)聯(lián)的運(yùn)動控制器 的反饋控制信號不會出現(xiàn)突然的變化。用于確保這種平滑變化的技術(shù)在以下 有更為詳細(xì)的說明。
具有優(yōu)勢的是，所述補(bǔ)償系統(tǒng)通過從測量到的補(bǔ)償值進(jìn)行外推來估算將 來的補(bǔ)償值。換句話說，施加于激光干涉儀測量值的所述補(bǔ)償值是"前瞻" 值，該值是通過外推以前計算得到的補(bǔ)償值而確定的。這樣減少與補(bǔ)償值計 算有關(guān)的任何滯后，激光測量值利用所述補(bǔ)償值轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償后的激光測量 值。這種"前瞻，，技術(shù)還可以減少補(bǔ)償值中的任何階躍變化，否則將會發(fā)生 這種階if夭變化。
所述可動物體可以包括光學(xué)反射器，諸如反射鏡。所述可動物體可以包 括關(guān)聯(lián)的機(jī)器的平臺或類似物。
所述聲學(xué)系統(tǒng)可以配置成產(chǎn)生任何頻率的聲波，但是，所述聲學(xué)系統(tǒng)方 便地傳輸超聲波。為了防止多路徑影響，所述聲學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選傳輸聲波脈沖。所述聲學(xué)系統(tǒng)具有優(yōu)勢地包括至少一個聲學(xué)發(fā)射器和至少一個聲學(xué)接 收器。發(fā)射器和接收器可以根據(jù)需要定位在所述可動物體和所述參考物體兩 者之上或任意一個之上。雖然可以提供單獨(dú)的發(fā)射器和接收器，但是也可以 使用相結(jié)合的發(fā)射器/接收器(發(fā)送接收器)部件。
方便的是，聲學(xué)發(fā)射器和聲學(xué)接收器連接到所述參考物體，且聲波從所
物體方便地攜帶聲學(xué)發(fā)射器，其向所述參考物體攜帶的聲學(xué)接收器發(fā)射聲 波。具有優(yōu)勢的是，所迷參考物體攜帶聲學(xué)發(fā)射器，其向所述可動物體攜帶 的聲學(xué)接收器發(fā)射一束聲波。
為了使所述光學(xué)系統(tǒng)和所述聲學(xué)系統(tǒng)之間的通信最大化，所述聲學(xué)系統(tǒng) 的聲波束優(yōu)選基本上與所述激光測量系統(tǒng)的激光束平行。
根據(jù)本發(fā)明第二方面， 一種測量方法包括步驟
(i) 利用激光系統(tǒng)獲取可動物體相對于參考物體的激光測量值；
(ii) 產(chǎn)生機(jī)器反饋控制信號，用于控制所述可動物體相對于所述參考 物體的運(yùn)動；
(iii) 利用聲學(xué)系統(tǒng)在所述可動物體和所述參考物體之間傳輸聲波，以 時間值；
(iv) 利用所述聲學(xué)系統(tǒng)的輸出來補(bǔ)償所述激光測量值，以產(chǎn)生補(bǔ)償后 的激光測量值。
其中所述步驟(i)中的激光測量值的產(chǎn)生速率大于所述步驟(iii)中的 所述飛行時間值的產(chǎn)生速率，且所述步驟(ii)中的所述機(jī)器反饋控制信號 更新速率大于所述步驟(iii)中的所述飛行數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，
其特征在于，步驟(iv)包括利用從多個激光測量值和至少一個飛行時 間值推算出的補(bǔ)償值。
本文中還說明了一種測量裝置，包括激光測量系統(tǒng)(例如，激光千涉 儀)，其提供可動物體相對于參考物體的激光測量值；聲學(xué)系統(tǒng)(例如，聲 學(xué)測距系統(tǒng))，其在所述可動物體和所述參考物體之間傳輸聲波，并輸出指
補(bǔ)償系統(tǒng)，其利用所述聲學(xué)系統(tǒng)的輸出來補(bǔ)償所述激光測量值，以產(chǎn)生補(bǔ)償 后的激光測量值，其中所述S卜償系統(tǒng)利用從多個激光測量值和至少 一個飛行
10時間(即聲學(xué))值推算的補(bǔ)償值來產(chǎn)生每個補(bǔ)償后的激光測量值。


僅作為示例，將參照

本發(fā)明，其中
圖1是本發(fā)明基于激光干涉儀的系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意性概圖;
圖2是未補(bǔ)償?shù)募す馕恢米x數(shù)對時間的曲線；
圖3是補(bǔ)償后的激光位置讀數(shù)對時間的曲線；
圖4、 5和6是圖2所示未補(bǔ)償?shù)淖x數(shù)的展開圖7圖示了額外的時序延遲的影響；
圖8是激光干涉儀系統(tǒng)一部分的更為詳細(xì)的視圖；和
圖9示出了本發(fā)明的替代實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照圖1，其中示出了本發(fā)明測量裝置的概圖。
所迷測量裝置包括激光干涉儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光源1;光電聯(lián)系線 纜2和組合的干涉儀和干涉檢測器3 組合的干涉儀和干涉檢測器3借助線 纜2光學(xué)聯(lián)接到激光器1，并布置成利用出射和返回激光束5來測量移動反 射器4的位置變化。反射器4通常附著到運(yùn)動系統(tǒng)(未示出)的可動平臺上， 并且通常為平面反射鏡。這種反射鏡在傳統(tǒng)雙束雙通平面反射鏡干涉儀的測 量臂上形成反射器。
隨著激光束5路徑長度的變化來檢測反射器4的位置變化，所述激光束 5路徑長度的變化導(dǎo)致在干涉儀上產(chǎn)生亮暗干涉條紋，利用干涉條紋檢測器 單元3中的光電檢測器來4全測所述干涉條紋。處理之后，這些信號作為正弦 和余弦位置反饋電信號6出現(xiàn)，也稱為模擬90度相差信號。通常，反射器4 每次移動的距離等于激光波長的1/4,出現(xiàn)所述正弦和余弦信號的一個循環(huán) (周期)。波長為633nm的紅色激光給出的周期為158nm。這些信號6是實(shí) 時連續(xù)的模擬電壓信號，在反射器發(fā)生移動的幾十個納秒內(nèi)做出響應(yīng)。
然后信號6饋送給插值器和計數(shù)電路7,其將模擬信號轉(zhuǎn)換為隨著反射 鏡移動而變化的數(shù)字位置讀數(shù)。通常，在移動反射器4靠近干涉儀3的時候， 利用其中一個控制信號9將所述數(shù)字輸出值歸零。接下來的40位并行總線 上的數(shù)字輸出值8則與反射器4和干涉儀3之間分開的距離成比例變化。插值器提供分辨率非常高的位置讀數(shù)(亞納米)，該讀數(shù)響應(yīng)主時鐘17的脈沖，
以非常高的速率(通常約為5MHz)更新，帶有幾個納秒的延遲。插值器和 計數(shù)電路的詳細(xì)操作在以下更為詳細(xì)地說明。
總線8上的數(shù)字位置讀數(shù)的分辨率和更新速率理想地適合高分辨率動態(tài) 伺服回路控制應(yīng)用場合。但是，這些激光位置讀數(shù)不僅隨著反射鏡移動而變 化，而且如果激光束5所經(jīng)過的空氣溫度變化，這些讀數(shù)也會發(fā)生變化，因 為這會導(dǎo)致激光波長略^t變化。這種變化就是上述由空氣湍流感生出來的噪 聲。因此，讀數(shù)8稱為"未補(bǔ)償"讀數(shù)，因為尚未采取補(bǔ)償措施來去除這種 感生噪聲。未補(bǔ)償數(shù)字位置讀數(shù)8饋送給實(shí)時位置補(bǔ)償器20。雖然為了簡單 起見而稱為"未補(bǔ)償讀數(shù)"，但是應(yīng)該注意，這種讀數(shù)已經(jīng)得到干涉儀系統(tǒng) 其他部件某種程度的補(bǔ)償。術(shù)語補(bǔ)償和未補(bǔ)償用在本文中定義根據(jù)本發(fā)明進(jìn) 行了補(bǔ)償和未進(jìn)行補(bǔ)償。
與激光干涉儀系統(tǒng)并列， 一種在該示例中作為聲學(xué)測距系統(tǒng)的聲學(xué)系統(tǒng) 布置成在已知時刻產(chǎn)生聲波脈沖，并確定它們的回聲的到達(dá)時刻，所述回聲 與激光束5 —樣名義上經(jīng)過了相同的空氣。
該聲學(xué)測距系統(tǒng)包括以下元件電子電路IO,其周期性產(chǎn)生電脈沖波形， 該電脈沖波形驅(qū)動超聲發(fā)射器11產(chǎn)生聲波脈沖12。聲波脈沖12從發(fā)射器 11行進(jìn)到反射器4并回到超聲接收器13。脈沖之間的周期通常具有1/100 秒的數(shù)量級，以允許在長達(dá)l米的主軸上發(fā)射下一個脈沖之前，前一個脈沖 回聲消失。優(yōu)選聲波脈沖或振動(burst)具有快速上升時間，以使接收器能 更好地將其與雜散反射區(qū)別開來。例如，可以通過放電來產(chǎn)生。
超聲發(fā)射器11和接收器13布置成使聲波脈沖在實(shí)踐上盡可能靠近激光 束5并由反射器4上的類似點(diǎn)反射。脈沖發(fā)生電路IO也基于來自主時鐘17 的信號而記錄發(fā)射脈沖的時刻，并將該信息發(fā)送給實(shí)時位置補(bǔ)償系統(tǒng)20。利 用回聲檢測電子件14分析來自接收器的信號，以確定回聲何時到達(dá)，并基 于來自主時鐘17的信號記錄發(fā)生該事件的時刻，該信息發(fā)送給實(shí)時位置補(bǔ) 償器20。
因此，實(shí)時位置補(bǔ)償器20以相對較低的更新速率(例如，約100Hz) 接收聲波脈沖傳輸時間信息(即，飛行時間數(shù)據(jù))并以非常高的速率( 5MHz) 接收激光干涉儀的位置數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)時位置補(bǔ)償器20以速度非常 高的伺服回路所需的約lMHz速率產(chǎn)生補(bǔ)償后的數(shù)字位置值21。實(shí)時位置補(bǔ)償器20的詳細(xì)操作在以下更為詳細(xì)地說明，但是到達(dá)實(shí)時位置補(bǔ)償器的 數(shù)據(jù)和信號的本質(zhì)將首先參照圖2和3進(jìn)行更為詳細(xì)地說明。
如上所述，激光干涉儀以高速率提供位置對時間的數(shù)據(jù)。圖2示出了在 主軸(以及反射器)以恒定的10mm/sec移動時，1秒鐘內(nèi)采集的這種數(shù)據(jù) 的圖形。所述數(shù)據(jù)未經(jīng)補(bǔ)償，因此包含空氣湍流感生噪聲，如曲線上的擺動 所示。實(shí)時補(bǔ)償器的目的是補(bǔ)償任何空氣湍流，從而消除這種噪聲。因此， 補(bǔ)償后的激光位置讀數(shù)的軌跡看起來將如圖3所示的那樣。注意為了清晰夸 大了圖2和3的軌跡外在差異，在現(xiàn)實(shí)中，空氣湍流感生的噪聲要比圖中所 示的小1000倍。還要注意圖2和3中的曲線各包含約五百萬個激光讀數(shù)， 所以在這種尺度上看不到具體的激光讀數(shù)。
圖4示出了圖2中表示的數(shù)據(jù)的展開視圖。軌跡上的垂直實(shí)線指示聲波 脈沖發(fā)射的時刻15，和收到回聲的時刻16。聲波脈沖往返行程時間22通過 從回聲接收時刻16減去脈沖發(fā)射時刻15而得出。為了精確補(bǔ)償，在動態(tài)應(yīng) 用中，需要在聲波撞擊反射器的精確時刻知道激光讀數(shù)，因為這樣允許確定 聲波行進(jìn)的精確距離。如果反射器4是靜止的，則這是很直觀的。但是，在 動態(tài)應(yīng)用場合，所述平臺是移動的，且激光讀數(shù)在變化(如圖4所示)，所 以該過程更為復(fù)雜。
可以看出，聲波脈沖到達(dá)反射器花費(fèi)的時間以及返回所花費(fèi)的時間相等 (只要穿過發(fā)射器和接收器激活點(diǎn)的線布置成平行于反射器表面即可)。如 果有微風(fēng)向反射器吹送或從反射器吹走，則會存在較小的影響。但是，相對 于約340m/s的聲波速度來說，這種情況的影響可以忽略，因為微風(fēng)的速度 低于約lm/s。因此，聲波撞擊反射鏡的時刻可以看做脈沖發(fā)射時刻15和回 聲接收時刻16的中點(diǎn)，這在圖4中以點(diǎn)線23示出。
計算出聲波撞擊反射器的時刻后，需要計算該相同時刻的激光讀數(shù)。這 種操作如下所述來執(zhí)行。來自插值器和計數(shù)電路7的未補(bǔ)償激光位置讀數(shù)8 以約5MHz的速率更新。實(shí)時位置補(bǔ)償器20存儲這些讀數(shù)以及它們被記錄 的時間。然后， 一旦接收到回聲，則計算脈沖發(fā)射時刻和回聲接收時刻的中 點(diǎn)，以給出反射器撞擊時刻23，然后檢查在此時刻附近記錄的激光讀數(shù)。這 在圖5和6中示意性示出。
圖5示出了在反射器撞擊時刻23周圍記錄的激光讀數(shù)。不太可能存在 與撞擊時刻重合的被記錄激光讀數(shù)(因為這兩個過程是獨(dú)立的，因此不同步)。因此，為了獲得激光位置讀數(shù)的精確值，估算反射器撞擊時刻的激光 讀數(shù)是方便的。這可以通過在緊接在撞擊時刻之前的激光位置讀數(shù)和緊接在 其后的激光位置讀數(shù)之間進(jìn)行線性插值而得到。但是，為了讓精度更高，希 望將多項式方程擬合撞擊時刻周圍的多個點(diǎn)(如圖6所示)，然后求解撞擊 時刻的激光讀數(shù)值。考慮到需要讓系統(tǒng)中的任何延遲最小化，盡可能快速地 計算激光器位置非常重要。這可以利用稱為拉格朗日多項式插值的技術(shù)有效
地實(shí)現(xiàn)(參考文獻(xiàn)I.N. Bronshtein， K.A. Semendyayev Handbook of Mathematics, Mathematica etc.)。這些計算過程可以進(jìn)行改動，以綜合信號處 理電子裝置中的小延遲以及歸因于激光束傳輸時間的小延遲。可以替代地使 用其他插值技術(shù)。
獲得撞擊時刻的激光器讀數(shù)以及聲波脈沖的往返行程時間22以后，可 以處理該數(shù)據(jù)，以減小空氣湍流感生噪聲，以及任選改善該結(jié)果的精度。
本發(fā)明的空氣湍流噪聲衰減方法可以如下所述這樣實(shí)施。首先，將反射 器沿著主軸移動到最遠(yuǎn)位置。然后，通過一個除以另一個，可以建立撞擊時 刻未補(bǔ)償激光讀數(shù)和聲波往返行程時間之間的基線比率。然后啟動空氣湍流 噪聲衰減過程。每個后續(xù)聲波脈沖的往返行程時間除以各個反射器撞擊時刻 的未補(bǔ)償激光器位置讀數(shù)，得到新的比率。然后，利用任何偏離前述所計算 的基線比率的偏差來推算補(bǔ)償系數(shù)，該補(bǔ)償系數(shù)可以用來計算補(bǔ)償后的激光 器位置讀數(shù)。
舉個具體例子來說，假設(shè)反射器移動到軸的最遠(yuǎn)端，在該位置，聲波往 返行程時間確定為1.744186ms,且撞擊時刻未補(bǔ)償激光器讀數(shù)發(fā)現(xiàn)是 301.411265mm。因此，基線比率為172.8091299mm/ms。然后反射器移動到 另一個位置，且空氣溫度可以略微波動。在該新位置，聲波往返行程時間確 定為1.395349ms而撞擊時刻未補(bǔ)償激光器讀數(shù)發(fā)現(xiàn)是241.179890mm。因此， 新比率為172.8455677mm/ms。新比率比基線比率大210.8557ppm。這表示平 均空氣溫度下降了 210.8557/1800=0.116°C。因此，未補(bǔ)償激光器讀數(shù)所需的 矯正量為-0.116x0.96=-0.111ppm 。 因此補(bǔ)償后的激光器讀數(shù)為 241.1798631mm。該過程無限重復(fù)，>^人而減少空氣溫度短期變化導(dǎo)致的空氣 湍流感生噪聲。
應(yīng)該注意，上述計算過程中的常數(shù)(0.96ppm和約1800)應(yīng)用于正常大 氣壓力(101,325nm-2)、溫度(20°C )和濕度(50%RH)。對于改進(jìn)的補(bǔ)償方案，如果大氣條件不同于所述條件，則可以利用Edlen方程和Cramer方程 (Journal of The Acoustic Socitey of America 21， 1993, 2510-2516 )略孩t調(diào)節(jié)這 些常數(shù)。如下所述，如果需要高精度，則可以周期性測量這些值。
參照圖7,將說明系統(tǒng)中的失效路徑(dead path)和其他時序延遲的影 響。具體來說，圖7提供了本發(fā)明測量裝置的頂層圖示。因此，所述測量裝 置包括控制電子件100,用于控制激光器103和關(guān)聯(lián)的干涉儀的干涉和干涉 條紋檢測器104。此外，電子件100提供由發(fā)射器111發(fā)射的信號，還接收 由聲波檢測器112檢測到的信號。還示出了光學(xué)和聲學(xué)反射器101,該發(fā)射 器可以相對于所述裝置的剩余部分移動。
因此，可以看出，在匹配光學(xué)和聲學(xué)信號的時序時，可能要考慮許多因 素。例如，可能希望考慮系統(tǒng)中的光學(xué)失效路徑120以及任何另外的光學(xué)路 徑122。同樣，也要考慮聲學(xué)光學(xué)失效路徑124?？諝馐窂街傅氖撬?系統(tǒng)歸零時，干涉儀和反射器或者發(fā)射器和接收器之間的激光或聲學(xué)路徑。
還要考慮所述裝置各種電信號的傳輸時間。例如，信號穿過并從干涉儀 檢測單元到達(dá)重合定時器所花費(fèi)的時間。在所述聲學(xué)系統(tǒng)中，可以估算初始 化所述電脈沖所花費(fèi)的時間，與信號傳達(dá)到聲學(xué)發(fā)射器關(guān)聯(lián)的延遲以及聲學(xué) 發(fā)生器產(chǎn)生所述聲波脈沖的時間延遲。此外，還可以糾正聲學(xué)接收器檢測所 述聲波脈沖的時間延遲以及該信號傳達(dá)到重合定時器所花費(fèi)的時間。
還要注意，如果在計算折射率時考慮了光學(xué)失效路徑，則折射率的變化 優(yōu)選適用于測量得到的光學(xué)路徑長度和光學(xué)失效路徑。
由此可以看出，如果需要，上述各種計算結(jié)果可以進(jìn)行改動，以考慮空 氣"失效路徑"和/或系統(tǒng)中的時序延遲。可以通過在計算所述比率之前為全 部激光讀數(shù)和聲學(xué)傳輸時間加上預(yù)定偏移值來實(shí)現(xiàn)，或者通過在主軸(反射 器)行程兩個端部獲取基線比率測量值然后在它們之間進(jìn)行線性插值來實(shí) 現(xiàn)。也可以通過在每個位置進(jìn)行多次測量并取它們的均值來改進(jìn)基線比率測 量值的質(zhì)量。
上述補(bǔ)償方法適合于消除短期空氣溫度變化的影響，但是對于絕對溫度 或者空氣壓力、濕度或C02水平并不正確。因此還可以利用傳統(tǒng)環(huán)境傳感器 執(zhí)行空氣折射補(bǔ)償來進(jìn)一步改進(jìn)測量精度。例如，如圖1所示的傳感器25、 26、 27和28可以用來周期性地測量當(dāng)前空氣溫度、壓力、濕度和C02水平。 它們可以替換入上述Edlen方程中，以確定當(dāng)前空氣折射率，從而計算補(bǔ)償系數(shù)，然后將該補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)用于激光讀數(shù)。這種初始矯正將改善激光位置讀 數(shù)的精度。但是，由于傳統(tǒng)空氣傳感器響應(yīng)時間相對遲緩(以及其位置)的 原因，這種補(bǔ)償系數(shù)不能補(bǔ)償沿著激光束的快速空氣溫度波動，這種快速空 氣溫度波動是導(dǎo)致感生噪聲的原因。為了克服這種缺點(diǎn)，利用如上所述偏離
基線比率的偏差計算結(jié)果對補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，例如，如果Edlen方 程產(chǎn)生的激光補(bǔ)償系數(shù)為+51.000ppm，且比率計算顯示出偏離基線比率的偏 差為-0.111ppm,(按照上述示例)則所需的組合矯正為+50.889ppm。
這種空氣湍流噪聲衰減和空氣折射補(bǔ)償過程兩者可以無限重復(fù)，從而減 少來自短期空氣溫度變化的空氣湍流感生噪聲，并同時通過消除空氣壓力、 濕度和C02水平變化所導(dǎo)致的長期變化，以改善長期精度。
應(yīng)該理解，根據(jù)所需精度水平，上述環(huán)境傳感器可以被固定值所取代。 例如，對于空氣壓力的顯著影響為海拔高度。所以，代替使用壓力傳感器， 可以根據(jù)例如所述系統(tǒng)的地理位置而采用單個計算壓力值。但是，這種系統(tǒng) 不能補(bǔ)償因天氣原因?qū)е碌娜粘４髿鈮毫ψ兓?br> 以上說明了(根據(jù)本發(fā)明)獲取補(bǔ)償系數(shù)來產(chǎn)生補(bǔ)償后的激光讀數(shù)的方 法。但是，補(bǔ)償系數(shù)更新速率相對遲緩(即，在接收到每次聲波脈沖后)。 這在以前被認(rèn)為會造成補(bǔ)償過程延遲，因此將補(bǔ)償后的測量值的產(chǎn)生速率限 制于聲波脈沖的產(chǎn)生速率(例如，約100Hz附近)。
參照圖8,現(xiàn)在將說明如何利用超過lMHz的更新速率產(chǎn)生實(shí)時補(bǔ)償?shù)?位置，補(bǔ)償如何光滑更新以及如何使用"前瞻"矯正來減小補(bǔ)償中的誤差。 換句話說，圖8對以上參照圖l說明的插值器和計數(shù)器7和實(shí)時位置補(bǔ)償器 20元件提供了更為詳細(xì)的說明。
首先，利用快速A/D轉(zhuǎn)換器將來自激光干涉儀的正弦和余弦信號數(shù)字 化，由插值器和計數(shù)器7實(shí)現(xiàn)插值和計數(shù)。例如，轉(zhuǎn)換器各自可以以大約 50MHz的更新速率產(chǎn)生8位數(shù)字化的正弦和余弦值。每個A/D轉(zhuǎn)換器的最 高位(MSB)在正弦和余弦"過零"時改變狀態(tài)，以產(chǎn)生A和B "數(shù)字化的 卯度相差信號"，這些信號用來驅(qū)動同步的可逆計數(shù)器31。每個A/D轉(zhuǎn)換器 的低輸出位為EPROM存儲器32提供地址線輸入。利用插值相位角為 EPROM中每個存儲器位置的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)先編程，該插值相位角對應(yīng)于可以 施加到EPROM地址輸入端的每種正弦和余弦值的組合。當(dāng)數(shù)字化的正弦和 余弦值施加到地址輸入線的時候，插值結(jié)果出現(xiàn)，即，作為EPROM數(shù)據(jù)輸出線上的8位結(jié)果?？梢詫τ嫈?shù)器和插值器的結(jié)果進(jìn)行約5MHz頻率的采樣， 并將其置于插值器和計數(shù)器輸出數(shù)據(jù)總線上，作為未補(bǔ)償?shù)?0位并行位置 讀數(shù)18。
實(shí)時位置補(bǔ)償器包含微處理器(MPU)或數(shù)字信號處理器(DSP) 33。 實(shí)時位置補(bǔ)償器負(fù)責(zé)從總線上讀取未補(bǔ)償?shù)募す馕恢米x數(shù)，從主時鐘讀取當(dāng) 前時序，并用來接收產(chǎn)生聲學(xué)脈沖的時刻和接收到回聲的時刻，以及用來從 任何任選的環(huán)境傳感器讀取數(shù)據(jù)。然后，MPU或DSP計算補(bǔ)償系數(shù)(通常 為接近1的數(shù)字)，該補(bǔ)償系數(shù)發(fā)送給硬件乘法器34的Q輸入。
注意，在脈沖發(fā)射以及回聲接收之間接收的未補(bǔ)償激光讀數(shù)的個數(shù)可能 為100000左右。因此，該系統(tǒng)需要FIFO或雙口 RAM存儲器來存儲全部的 值，允許以后調(diào)取反射器撞擊時刻附近獲取的那些值?？梢赃x擇的是， DSP/MPU可以(基于以前的值)預(yù)測何時可能發(fā)生反射器撞擊時刻，并且 僅記錄該時刻附近的激光讀數(shù)，從而降低存儲需求。
硬件乘法器在其P輸入端接收未補(bǔ)償激光位置讀數(shù)(該讀數(shù)以約5MHz 的頻率更新)，而在其Q輸入端接收補(bǔ)償系數(shù)。硬件乘法器計算PxQ,并輸 出補(bǔ)償后的激光位置讀數(shù)18。硬件乘法器在P輸入端每次更新時(即，以 約5MHz的頻率)產(chǎn)生新的結(jié)果。使用硬件乘法器保證了位置反饋回路的更 新速率不受減損并保持在5MHz，且僅向位置反饋回路引入了幾十個納秒的 額外延遲(延時)。
但是，如果MPU/DSP (33)僅更新補(bǔ)償系數(shù)一次(在接收到每次回聲 之后)，則由硬件乘法器產(chǎn)生的PxQ輸出結(jié)果隨著Q值變化可能會出現(xiàn)小 的階躍。可以利用DSP/MPU中額外的計算來減小所述階躍的尺寸，以使通 過線性插值，以一 系列更小的階躍來施加補(bǔ)償系數(shù)。
例如，假設(shè)計算出的第一個補(bǔ)償系數(shù)為1.0001,且1/100秒之后(在接 收到下一次回聲之后)，計算出的下一個補(bǔ)償系數(shù)為1.0002。與一次性將補(bǔ) 償系數(shù)改變0.0001不同，DSP/MPU( 33 )可以替代性地利用線性插值以1/1000 秒的間隔在10個0.00001的階躍中更新其發(fā)送給乘法器的補(bǔ)償系數(shù)。這將平 滑乘法器輸出中的任何階躍，帶來更為平滑的補(bǔ)償。
但是，這種平滑過程將額外的延遲引入了補(bǔ)償過程。與立即施加額外的 0.0001補(bǔ)償不同，在全部補(bǔ)償施加完之前，系統(tǒng)花費(fèi)了更長的額外1A00秒。 為了克服這種缺點(diǎn)，DSP/MPU可以進(jìn)行"前瞻補(bǔ)償"。這是通過用方程擬合已經(jīng)計算出的最后幾個補(bǔ)償系數(shù)并在接收到下一次回聲之前利用該方程(利 用外推法)預(yù)測下一個預(yù)期補(bǔ)償系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。這種估算值可以發(fā)送到硬件 乘法器(如果需要，則進(jìn)行平滑處理)以減小補(bǔ)償延遲。
應(yīng)該注意，上述裝置和方法對于零差式激光系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。但是，所 述原理還可以適用于外差式激光系統(tǒng)。所述插值和計數(shù)實(shí)現(xiàn)起來有所不同， 但是仍然產(chǎn)生一串激光位置讀數(shù)和時序。例如，在外差式激光系統(tǒng)的情況下，
更容易以相等的距離增量獲得圖5和6所示的激光位置數(shù)據(jù)，而非以相等的 時間間隔獲得。因此，在時間對位置領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)反射器撞擊時刻的拉格朗日多 項式計算，而非在位置對時間領(lǐng)域進(jìn)行該計算。
還應(yīng)該理解，硬件乘法器和MPU/DSP的功能可以以各種方式實(shí)施，包 括-微處理器、FPGA等。因此，還應(yīng)該理解，全部這些功能在原則上可以由 單個DSP來實(shí)現(xiàn)，只要其足夠快，而且只要PxQ的乘法過程被授予了最高 優(yōu)先權(quán)以使傳輸延遲最小且更新速率最快就可以。
此外，并不是全部伺服控制系統(tǒng)都可以接受并行格式的位置反饋信號， 而是只接受模擬正弦/余弦信號或數(shù)字A/B相差為90度的信號。在這種情況 下，補(bǔ)償后的輸出讀數(shù)20可以饋送給脈沖或波形合成器。位置讀數(shù)提供"指 令位置"而脈沖發(fā)生器或波形合成器被修正，以使所產(chǎn)生的信號輸出周期和 相位跟蹤所述指令位置。通常的PID和前饋伺服控制算法可以用來使指令位 置和脈沖或波形輸出的變化之間的延遲最小。
此外，應(yīng)該注意，本文中所用的術(shù)語"主時鐘，，可以是穩(wěn)定的高頻數(shù)字 方波發(fā)生器，諸如由石英晶體振蕩器所提供的方波發(fā)生器。因此，可以通過 簡單地計數(shù)來自所述主時鐘的周期而獲得全部時序。應(yīng)該注意，該時鐘并不 是必須指代任何實(shí)時時鐘。主時鐘優(yōu)選具有足夠高的頻率和穩(wěn)定性，以提供 必要的時序精度，并且具有優(yōu)勢的是，系統(tǒng)中的全部時序參照同一個主時鐘 信號。
雖然上述示例采用了置于干涉儀上的發(fā)射器/接收器，所述干涉儀從可移 動的反射器反射聲波，但是應(yīng)該注意， 一個或多個接收器和/或一個或多個發(fā) 射器可以位于所述反射器上(并與反射器一起移動)。這種布置的一個示例 將參照圖9進(jìn)行說明。
圖9示意性圖示了本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例。圖9的測量裝置基本上類似 于上面參照圖7所述的裝置，除了聲學(xué)系統(tǒng)的布置不同。所述聲學(xué)系統(tǒng)包括第一接收器/發(fā)射器對，該第一接收器/發(fā)射器對具有位置固定的發(fā)射器150， 其可以將聲波導(dǎo)向位于可動反射器101上的接收器152。還提供了第二接收 器/發(fā)射器對，其具有位置固定的接收器154以及位于可動反射器101上的關(guān) 聯(lián)發(fā)射器156。然后可以利用每個接收器/發(fā)射器對計算飛行時間值，其平均 值用來提供緩解了間隙內(nèi)任何氣流影響的飛行時間值。
應(yīng)該注意，用來與激光干涉儀測量值比較的時序值對于不同的接收器/ 發(fā)射器對來說優(yōu)選為不相同。具體來說，由移動接收器152接收的聲波脈沖
中。這樣確保了由干涉儀測量的可動反射器的位置對應(yīng)于聲學(xué)測量的飛行時 間值。應(yīng)該注意，設(shè)置兩個接收器/發(fā)射器對僅在氣流影響顯著的情況下才是 必須的。如果沿著聲學(xué)路徑?jīng)]有顯著的氣流，則單個換能器對就足夠了。
權(quán)利要求
1.一種測量裝置，包括激光測量系統(tǒng)，其提供可動物體相對于參考物體的激光測量值；用于提供機(jī)器反饋控制信號的裝置，用于控制所述可動物體相對于所述參考物體的移動；聲學(xué)系統(tǒng)，其在所述可動物體和所述參考物體之間傳輸聲波，并輸出指示聲波在所述可動物體和所述參考物體之間行進(jìn)的飛行時間的飛行時間值；補(bǔ)償系統(tǒng)，其使用所述聲學(xué)系統(tǒng)的輸出來補(bǔ)償所述激光測量值，以產(chǎn)生補(bǔ)償后的激光測量值，其中所述激光測量值的產(chǎn)生速率大于所述飛行時間值的產(chǎn)生速率，并且所述機(jī)器反饋控制信號的更新速率大于所述飛行時間值的產(chǎn)生速率，其特征在于，所述補(bǔ)償系統(tǒng)利用從多個激光測量值和至少一個飛行時間值推算的補(bǔ)償值來產(chǎn)生每個補(bǔ)償后的激光測量值。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光測量系統(tǒng)提供所 述可動物體相對于所述參考物體的位置測量值。
3. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光測量系 統(tǒng)是激光干涉儀。
4. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述補(bǔ)償系統(tǒng)利 用插值處理來確定每個補(bǔ)償值，所述插值處理包括在多個激光測量值之間進(jìn) 行插值。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述插值為線性插值。
6. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，通過以多項式方程擬合所 述多個激光測量值來進(jìn)行所述插值。
7. 如權(quán)利要求4至6任一項所述的裝置，其特征在于，所述插值處理 涉及計算插值后的激光測量值，以估算與每個飛行時間值關(guān)聯(lián)的路徑長度。
8. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述補(bǔ)償系統(tǒng)隨 著時間平滑改變所述補(bǔ)償值。
9. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述補(bǔ)償系統(tǒng)通 過從測量得到的補(bǔ)償值進(jìn)行外推而估算將來的補(bǔ)償值。
10. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)射超聲波。
11. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述聲學(xué)系統(tǒng)發(fā) 射聲波脈沖。
12. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述可動物體包括光學(xué)反射器。
13. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述聲學(xué)系統(tǒng)包 括至少一個聲學(xué)發(fā)射器和至少一個聲學(xué)接收器。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，聲學(xué)發(fā)射器和聲學(xué)接收 器連接到所述參考物體，且聲波從所述聲學(xué)發(fā)射器經(jīng)由所述可動物體的反射 而行進(jìn)到所述聲學(xué)接收器。
15. 如權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于，所述可動物體承載 波。、，。。- '" 、.a 。、'鄉(xiāng) 、、 、q 、，
16. 如權(quán)利要求13至15任一項所述的裝置，其特征在于，所述參考物 體承載聲學(xué)發(fā)射器，所述的聲學(xué)發(fā)射器向所述可動物體承載的聲學(xué)接收器發(fā) 射聲波。
17. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述聲學(xué)系統(tǒng)的 聲波束基本上平行于所述激光測量系統(tǒng)的激光束。
18. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光測量值 的產(chǎn)生與所述飛行時間值的產(chǎn)生不同步。
19. 如前述權(quán)利要求任一項所述的裝置，其特征在于，所述反饋控制信 號允許為基本上實(shí)時操作建立反饋控制。
20. —種測量方法包括以下步驟(i) 利用激光系統(tǒng)獲取可動物體相對于參考物體的激光測量值；(ii) 產(chǎn)生機(jī)器反饋控制信號，用于控制所述可動物體相對于所述參考 物體的運(yùn)動；(iii) 利用聲學(xué)系統(tǒng)在所述可動物體和所述參考物體之間傳輸聲波，以 產(chǎn)生指示聲波在所述可動物體和所述參考物體之間行進(jìn)的飛行時間的飛行 時間值；(iv) 利用所述聲學(xué)系統(tǒng)的輸出來補(bǔ)償所述激光測量值，以產(chǎn)生補(bǔ)償后 的激光測量值。其中所述步驟(i)中的激光測量值的產(chǎn)生速率大于所述步驟(m)中的所述飛行時間值的產(chǎn)生速率，且所述步驟(ii)中的所述機(jī)器反饋控制信號更新速率大于所述步驟(m)中的所述飛行數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，其特征在于，步驟(iv)包括利用從多個激光測量值和至少一個飛行時間值推算出的補(bǔ)償值。
全文摘要
一種用于提供距離可動物體的距離測量值的干涉式測量裝置。源于溫度波動的空氣湍流在所述干涉式測量值中感生出噪聲，因為空氣的折射率被改變。產(chǎn)生補(bǔ)償值來補(bǔ)償所述溫度感生噪聲。為此，所述測量裝置包括聲學(xué)系統(tǒng)，其在所述可動物體和參考物體之間傳輸聲波脈沖，并在接收到發(fā)射的脈沖后，輸出飛行時間值。在多個插值的干涉式距離測量值的基礎(chǔ)上估算與每個飛行時間值關(guān)聯(lián)的路徑長度。補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生從至少一個飛行時間值及其關(guān)聯(lián)的多個干涉式距離測量值推算出的補(bǔ)償值。
文檔編號G01B9/02GK101310160SQ200680043114
公開日2008年11月19日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者謝爾蓋·洛基亞諾瓦, 雷蒙德·約翰·查內(nèi), 馬克·亞德里恩·文森特·查普曼 申請人:瑞尼斯豪公司