一种弧线拼接光栅尺多读数头协同数据补偿方法

本发明涉及一种绝对式直线光栅尺至弧线拼接光栅尺转化的测量误差补偿方法，适用安装于口径越来越大的地基光学望远镜方位轴和高度轴的轴系转台圆周上。

背景技术：

1、高精度指向与跟踪是衡量大口径地基光学望远镜整体性能的重要指标，现代大口径望远镜通常采用方位轴和高度轴协同运动工作的方式实现精准指向和目标跟踪，轴系测角精度直接决定了望远镜的指向精度和跟踪稳定性。光栅尺编码器作为轴系角度测量的核心传感器，其安装方式、信号质量和数据处理的可靠性，是保证望远镜控制系统正常工作的关键环节。

2、随着天文事业的发展，现代望远镜的口径越来越大，轴系尺寸的增大使得传统的整圆光栅编码器不再匹配和适用，如14.5米光学红外望远镜方位轴的直线光栅尺安装在直径4米的圆周上，高度轴的直线光栅尺安装在直径3.25米的圆周上，传统2.5米、以及4.2米级口径的望远镜整圆光栅尺不再适用，再加上受工艺限制，传统整圆光栅编码器通常仅能提供标准直径规格，难以匹配超大直径轴系转台的差异化尺寸需求，且定制大直径整圆光栅尺成本高昂、周期长，已逐渐无法满足现代大口径望远镜的工程需要。

3、针对上述问题，拼接式光栅编码器因具有精度高、装调简单、能灵活调整自身尺寸等优点，已成为大型望远镜测角系统的重要发展方向。拼接式光栅编码器通常将直线光栅尺弯曲安装于转台圆周表面，通过拼接形成近似完整的圆周测角尺带，其尺寸可根据转台直径现场适配，具有良好的灵活性和可拓展性。

4、直线光栅尺在裁剪后拼接成弧线光栅尺时，拼接处的刻线相位对准精度、莫尔条纹信号的连续性与完整性难以保证；同时，光栅尺首尾无法完全闭合，存在物理缺口，导致读数头在该区域产生信号畸变或丢失等不可预测的测量异常。

5、目前，拼接式光栅编码器在大型望远镜领域已有研究报道。潘年、黄龙等人针对增量式拼接光栅编码器开展了系统研究。该研究采用heidenhain era 8400c系列增量式编码器进行拼接，制定了相位差为90°的4读数头软件细分测角方案，通过谐波分析对测角数据进行补偿，实现了亚角秒级测角精度。然而，该方案存在以下固有局限：

6、（1）编码器类型单一且依赖厂家预制。现有方案多采用增量式编码器（如era8400c系列），其拼接缝处理技术由厂家预先完成，并配备专用的拼接缝处卡扣固定件。用户仅需按照厂家提供的成品进行安装即可使用，属于“即装即用”型方案，用户不具备对拼接方案的自主设计与改造能力。一旦需要适应不同直径的转台，必须重新向厂家定制对应尺寸的拼接编码器，导致研制周期延长、成本增加，且限制了望远镜轴系设计的灵活性。同时，由于定制产品的尺寸通常是离散的固定规格，望远镜转台直径往往需要反过来适配光栅尺的尺寸，这给大口径望远镜的轴系总体设计带来了不必要的约束。

7、（2）现有方案均为厂家预制拼接，本质上不涉及拼接方法本身的自主设计。现有技术所采用的光栅尺，其拼接缝在出厂时已经过专业处理和校准，用户直接安装成品即可使用，无需也无需处理拼接缝处的物理缺口和信号畸变问题。换言之，现有技术解决的是“已拼好的尺子如何读数更准”的问题，而并未解决“如何将直线光栅尺自主转化为弧线拼接光栅尺”及“如何应对现场裁剪拼接引入的不可预测测量异常”这一方法层面的问题。由于现有方案依赖厂家预先处理好的拼接缝，其测角误差主要源于编码器刻线自身误差和机械安装偏心等，与本发明所面临的现场裁剪导致的绝对码值物理断裂、拼接缝处信号跳变等问题在本质上完全不同。

8、（3）增量式编码器存在系统断电后丢失绝对位置信息的固有缺陷。增量式编码器在系统断电后丧失绝对位置记忆功能，每次重新上电后需要执行回零操作以确定轴系当前角度位置。对于大口径望远镜而言，轴系转动惯量大、寻零过程耗时较长（通常需数分钟），在需要快速响应的紧急天文观测场景（如引力波电磁对应体观测、快速射电暴跟踪等）中，因断电后重新寻零而错失关键观测窗口的风险不容忽视。绝对式编码器虽具有断电记忆绝对位置的优点，但由于其码道包含唯一的数字序列，现场裁剪将破坏码值的连续性，目前尚无将绝对式直线光栅尺现场裁剪拼接转化为弧线光栅尺并解决拼接缝数据异常的成熟技术方案。

9、（4）拼接缝处的数据处理方式存在差异。尽管多读数头方案在成都光电所论文中已被提及，但其仅用于误差平均值消除，并未涉及在拼接缝处进行读数头数据切换补偿的算法设计。本发明自主设计多读数头切换方案在拼接缝处采用两个相邻读数头交替工作的方式，切换瞬间参与均值计算的无效读数头将由旋转方向相邻的读数头替换，有效解决系统闭环反馈位置输出值产生阶跃跳变的问题，实现闭环反馈在全周范围内的光滑连续。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于绝对式直线光栅尺的自主拼接与多读数头协同数据补偿方法，通过自主设计裁剪拼接方案，并提出基于无效区间辨识与多读数头协同切换的数据补偿算法，有效消除裁剪拼接引入的不可预测测量误差，使得弧线拼接光栅尺技术能够安全可靠地适用于未来口径更大、尺寸更多样的地基光学望远镜轴系测角系统。本发明旨在突破绝对式直线光栅尺现场裁剪拼接的技术瓶颈，实现拼接方案完全自主可控、尺寸灵活适配、且无需依赖厂家预制的大口径望远镜轴系测角解决方案。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种弧线拼接光栅尺多读数头协同数据补偿方法，包括如下步骤：

4、步骤1：根据望远镜轴系圆周转台的实际周长，选取接近对应长度的绝对式直线光栅尺进行裁剪，在转台外环面沿周向加工安装槽，利用光栅尺弯曲后自然产生的张紧力与安装槽施加的预紧力，使光栅尺紧密贴合于转台弧形表面，实现绝对式直线光栅尺至弧线拼接光栅尺的转化；

5、步骤2：在弧线拼接光栅尺的圆周上均匀安装4个读数头，相邻读数头相位差为90°，各读数头实时采集绝对式光栅尺的位置反馈信息；

6、步骤3：针对弧线拼接光栅尺的拼接缝处，分别界定各读数头在过拼接缝左边界与右边界之间的无效区间；

7、步骤4：当某一读数头进入所述无效区间时，该读数头的位置反馈信息由顺序相邻的下一个读数头实时替代；当该读数头离开无效区间后，恢复其自身的实际测量值反馈；以此完成拼接缝处测量误差的协同数据补偿。

8、进一步的，所述步骤1中：安装槽的槽深小于光栅尺厚度，槽宽大于光栅尺宽度；光栅尺嵌入安装槽后，尺体弯曲产生的回弹张紧力与槽壁对尺背的弹性夹持预紧力共同作用，使光栅尺尺面紧密贴合于转台的弧形表面。

9、进一步的，所述光栅尺厚度为0.2mm时，安装槽深度为0.15mm~0.18mm，槽深比尺厚小0.02mm~0.05mm，以提供0.5n~2n的预紧力；槽宽比光栅尺宽度宽0.1mm~0.2mm。

10、进一步的，所述步骤2中：采用整圆光栅尺与弧线拼接光栅尺结合定位的方法，测试先以整圆光栅尺用于做闭环控制，该光栅尺准确运动到命令位置，再观察弧线光栅尺的运动距离，用于校正和测试弧线光栅尺与命令位置之间的测量误差。

11、进一步的，所述步骤3中：无效区间的左边界和右边界通过以下方式预先标定：将圆周转台以低速匀速旋转，记录各读数头经过拼接缝时的连续测量值序列，当测量值出现连续跳变的起始点记为左边界，跳变结束恢复正常的点记为右边界。

12、进一步的，所述步骤4中各读数头的具体数据补偿逻辑为：

13、系统实时监测#1号读数头的位置反馈值pos1，当pos1大于或等于预设的左边界值pos1n、且小于或等于预设的右边界值pos1p、且#1号读数头当前处于未切换状态时，则将#1号读数头标记为切换状态，并将其位置反馈值替换为#2号读数头的实时测量值；当pos1小于pos1n、或大于pos1p、且#1号读数头当前处于切换状态时，则清除#1号读数头的切换状态标记，并将其位置反馈值恢复为自身的实时测量值；

14、系统实时监测#2号读数头的位置反馈值pos2，当pos2大于或等于预设的左边界值pos2n、且小于或等于预设的右边界值pos2p、且#2号读数头当前处于未切换状态时，则将#2号读数头标记为切换状态，并将其位置反馈值替换为#3号读数头的实时测量值；当pos2小于pos2n、或大于pos2p、且#2号读数头当前处于切换状态时，则清除#2号读数头的切换状态标记，并将其位置反馈值恢复为自身的实时测量值；

15、系统实时监测#3号读数头的位置反馈值pos3，当pos3大于或等于预设的左边界值pos3n、且小于或等于预设的右边界值pos3p、且#3号读数头当前处于未切换状态时，则将#3号读数头标记为切换状态，并将其位置反馈值替换为#4号读数头的实时测量值；当pos3小于pos3n、或大于pos3p、且#3号读数头当前处于切换状态时，则清除#3号读数头的切换状态标记，并将其位置反馈值恢复为自身的实时测量值；

16、系统实时监测#4号读数头的位置反馈值pos4，当pos4大于或等于预设的左边界值pos4n、且小于或等于预设的右边界值pos4p、且#4号读数头当前处于未切换状态时，则将#4号读数头标记为切换状态，并将其位置反馈值替换为#1号读数头的实时测量值；当pos4小于pos4n、或大于pos4p、且#4号读数头当前处于切换状态时，则清除#4号读数头的切换状态标记，并将其位置反馈值恢复为自身的实时测量值；

17、其中，pos1、pos2、pos3、pos4分别为#1、#2、#3、#4号读数头的实时位置反馈值；pos1n、pos2n、pos3n、pos4n分别为各读数头对应的无效区间左边界值；pos1p、pos2p、pos3p、pos4p分别为各读数头对应的无效区间右边界值；各读数头的切换状态标记初始值均为未切换状态。

18、进一步的，所述步骤2之前还包括：搭建整圆光栅尺与弧线拼接光栅尺结合定位的望远镜轴系实验转台，以整圆光栅尺作为闭环控制基准，校正和测试弧线拼接光栅尺与命令位置之间的测量误差。

19、进一步的，所述绝对式直线光栅尺为lic 4005系列绝对式直线光栅尺，所述读数头为ak lic 411读数头。

20、进一步的，所述方法适用于大口径地基光学望远镜方位轴和/或高度轴的轴系圆周光栅尺编码器安装。

21、进一步的，采用所述的弧线拼接光栅尺多读数头协同数据补偿方法进行轴系圆周光栅尺编码器的测量误差补偿。

22、与现有技术相比，本发明具有以下显著效果：

23、（1）首次实现了绝对式直线光栅尺向弧线拼接光栅尺的自主转化。

24、现有拼接式光栅尺方案均采用厂家预制的增量式编码器，拼接缝由生产厂家在出厂前完成处理，用户仅能直接安装使用成品，不具备自主设计和改造的能力。本领域技术人员普遍认为绝对式直线光栅尺的码道具有唯一连续性，一旦剪裁即破坏编码完整性，无法用于高精度角度测量。本发明通过“机械结构贴合+软件补偿算法映射”的技术路径，首次实现了绝对式直线光栅尺在大型转台上的高精度弧形应用，用户可根据转台实际直径灵活裁剪标准规格的绝对式直线光栅尺，无需依赖厂家定制，实现了拼接方案的完全自主可控，有效解决了大口径望远镜因尺寸多样化而无法匹配现有光栅尺规格的工程瓶颈。

25、（2）提出了“均值恒定”的多读数头循环替代策略，实现了拼接缝处位置反馈的无缝切换。

26、现有双读数头切换方案在拼接缝处切换时参与均值计算的数据源数量发生变化，导致输出值产生阶跃跳变。本发明采用#1→#2→#3→#4→#1的循环替代策略，切换前后系统输出始终由固定数量（4个）的有效数据源求取均值，从根本上避免了阶跃跳变，配合预先对各读数头的交叉校准，确保闭环反馈曲线在全周范围内光滑连续，显著提升了控制系统的稳定性。

27、（3）断电无需寻零操作，提升应急观测效率

28、本发明采用绝对式直线光栅尺，系统断电后重新上电时无需执行低速寻零操作即可立即输出当前真实绝对角度，避免了因重新寻零而错失引力波电磁对应体、快速射电暴等瞬变天象的紧急观测窗口。

29、（4）尺寸灵活适配，降低研制成本和周期

30、本发明采用标准货架产品级的绝对式直线光栅尺，可根据望远镜轴系转台实际直径自由裁剪，不受整圆光栅尺或定制拼接尺的固定规格限制，显著降低了采购成本和定制周期，适用于不同口径的各类地基光学望远镜。

31、（5）经实验验证有效

32、本发明在望远镜轴系实验转台上完成了测试验证，实验结果表明，应用本发明的补偿算法后，闭环反馈值在四个读数头切换区间内均保持光滑连续、无跳变抖动，满足望远镜工程实际运行对测角精度的需求。