随着高精密测量技术在高端制造业的迅速发展,对测量速度、测量精度、测量范围等要求日益增长。激光追踪测量技术作为高精密测量装备的关键技术,在超精密测量中发挥着越来越重要的作用。课题“激光追踪测量光学系统关键技术研究”的目的是基于激光跟踪测量系统的测量原理,研究一种高精度的激光追踪测量技术,实现对空间目标点的高精度、快速跟踪测量,为我国激光追踪测量仪器的创新与自主研发提供技术储备。本文首先基于激光干涉的测量原理,分析了激光追踪测量系统的测量机理。建立了激光追踪测量光学系统条纹对比度的综合模型,提出了一种激光追踪测量光学系统光学元件性能非理想及放置误差对条纹对比度影响的分析方法,建立了基于ZEMAX的仿真模型,并进行仿真实验验证。对激光追踪测量系统的精度提升、可靠性评估、光学系统设计和光学元件的选择具有重要的理论指导意义。为了提高激光追踪测量系统的测量精度,提出了一种入射光偏离猫眼中心导致的系统误差对激光追踪系统测量精度影响的分析方法,建立了激光追踪测量系统入射光偏离猫眼中心的测量误差模型。利用干涉信号强度的相对误差补偿因入射光偏离猫眼中心产生的系统误差,有效地提高激光追踪测量系统的测量精度。为实现空间目标点的精密追踪测量,提出了一种位置敏感探测器(PSD)性能对激光追踪测量跟踪性能影响的分析方法,基于位置敏感探测器的测量原理,建立了激光追踪系统中位置敏感探测器的测量模型。在Matlab仿真环境下搭建了激光追踪测量精密伺服控制系统仿真模型,同时进行实验研究,分析了位置敏感探测器的位移电压转换系数对激光追踪测量系统的跟踪性能的影响规律,从而提高了追踪测量系统对动态目标的追踪速度和追踪精度,为有针对性地提高激光追踪测量系统的跟踪性能奠定了理论基础。最后,本文对课题研究的激光追踪测量光学系统关键技术研究进行了模拟仿真和实验验证,主要包括:(1)基于激光追踪测量光学系统条纹对比度的综合模型,搭建了基于ZEMAX的仿真模型,得到了光学元件性能非理想及其放置误差对干涉条纹对比度的影响规律,并搭建了激光追踪测量系统实验装置,得到了四路相位互差90°的干涉信号,证明了搭建的光学系统的可靠性,及所提出的激光追踪测量光学系统条纹对比度模型的正确性;(2)实验验证了入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度的影响,实验结果表明,入射光束偏离猫眼中心距离达到-50μm时,由于入射光偏离猫眼中心导致的系统误差为3.5867±0.0260μm;当入射光束偏离猫眼中心距离达到50μm时,由于入射光偏离猫眼中心导致的系统误差为3.5939±0.0189μm。实验验证了提出方法的正确性;(3)在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了激光追踪测量精密伺服控制系统仿真模型,仿真分析了位置敏感探测器的位移电压转换系数对激光追踪测量系统的跟踪性能的影响。仿真结果表明,当位移电压转换系数α_p为1000时,PSD的响应时间短,激光追踪测量系统动态响应曲线的超调量低,稳定时间短,系统响应的动态超调误差小。同时进行实验分析,实验结果表明,位移电压转换系数α_p越大,PSD光电转换电路输出电压值的误差越大,对激光追踪测量系统跟踪性能影响越大。且当α_p=1000时,PSD光电转换电路输出电压值的误差低,稳定时间短。实验验证了本文研制的激光追踪测量系统的科学性和有效性。(4)对激光追踪测量光学系统的各项误差因素对系统测量不确定度的影响进行了分析,给出了激光追踪测量光学系统的测量不确定度。