專利名稱：精密測(cè)角方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于偏振光的精密測(cè)角方法及其裝置，尤其涉及一種基于雙光路信號(hào)處理及壓控放大實(shí)現(xiàn)精密測(cè)角的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)測(cè)角方法由于具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度的特點(diǎn)而倍受人們的重視，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。光學(xué)測(cè)角法除眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法、自準(zhǔn)直法、聲光調(diào)制法以及激光干涉法等。典型的設(shè)備有碼盤(光電或光學(xué)碼盤)、多齒分度臺(tái)等設(shè)備。在距離較遠(yuǎn)的條件下(例如超過(guò)lm)，采用這些設(shè)備進(jìn)行高精度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)成本和難度大大增加，因而，其應(yīng)用受到限制。利用偏振光進(jìn)行角度測(cè)量可以攻克這一技術(shù)難點(diǎn)，其利用光路中偏振元件的旋轉(zhuǎn)引起偏振光光強(qiáng)、相位或頻差的變化，并基于光的偏振面對(duì)旋轉(zhuǎn)的敏感性，可以方便地測(cè)量與偏振光束垂直的角位移，具有精度高、速度 快且作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而在航天器對(duì)接、軍用系統(tǒng)高精度測(cè)量、采礦和隧道開(kāi)掘、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。利用偏振光，可以直接應(yīng)用馬呂斯定律檢測(cè)兩個(gè)偏振片透光軸之間的夾角，但測(cè)量精度不高，這是因?yàn)槟壳吧袩o(wú)高精度測(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)角的儀器，所以，必須將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)再進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，微小角度變化引起的光強(qiáng)度變化并不明顯，如果直接用光強(qiáng)度信號(hào)作為角度信號(hào)的載體，利用光電轉(zhuǎn)換器件將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娦盘?hào)，那么微小的角度變化就會(huì)湮沒(méi)在噪聲與電信號(hào)漂移之中而檢測(cè)不到；且采用直接檢測(cè)檢偏器投射或反射光強(qiáng)方法測(cè)量方位角信息時(shí)，由于光電器件漂移、放大電路性能等影響，測(cè)量精度難以提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可提高系統(tǒng)測(cè)角精度、測(cè)角速度快、靈敏度高以及作用距離遠(yuǎn)的精密測(cè)角方法及其裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提供了一種精密測(cè)角方法，其特殊之處在于所述精密測(cè)角方法包括以下步驟I)由光源發(fā)射出光強(qiáng)為I。的光束；2 )對(duì)步驟I)中的光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，得到準(zhǔn)直光；3)將準(zhǔn)直光束進(jìn)行起偏并得到線偏振光；4)對(duì)線偏振光進(jìn)行磁光調(diào)制，得到磁光調(diào)制信號(hào)光；5)將磁光調(diào)制信號(hào)光進(jìn)行偏振分束,得到分束后的光強(qiáng)為I1的第一分束光以及光強(qiáng)為I2的第二分束光；6)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器探測(cè)第一分束光的光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)以及第二分束光的光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)；所述模擬電信號(hào)包括交流分量以及直流分量；
8)解算檢偏器與X軸之間的方位角。上述步驟8)的具體實(shí)現(xiàn)方式是根據(jù)下面公式解算檢偏器與X軸之間的方位角；
/ —八F = -1 = si Ii 2α + 2Θ{) cos 2a cos ω - θ()2 sin 2a cos 2cot
/, + A其中α為檢偏器與X軸之間的方位角； Θ。是交流磁光調(diào)制角幅度；ω是磁光調(diào)制頻率；t是時(shí)間；I1是第一分束光光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)；I2是第二分束光光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)；F是為解算a值所設(shè)的中間變量。上述精密測(cè)角方法在步驟6)和步驟8)之間還包括7)對(duì)步驟6)所得到的第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)進(jìn)行雙光路
信號(hào)處理。上述步驟7)的具體實(shí)現(xiàn)方式是判斷第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后的和信號(hào)中是否含有調(diào)制頻率及其倍頻成分；理想情況下不含有這種信號(hào)，兩路信號(hào)的放大比例一致，直接進(jìn)行和運(yùn)算以及差運(yùn)算，執(zhí)行步驟8)，即可實(shí)現(xiàn)精密測(cè)角；實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中，由于光電器件漂移、放大電路性能等影響，兩路信號(hào)的放大比例不一致，對(duì)二者的和信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)中含有調(diào)制頻率及其倍頻成分，直接影響測(cè)角精度。將此調(diào)制信號(hào)作為反饋信號(hào)，壓控放大其中一路信號(hào)(附圖2中通道2)，判斷兩路信號(hào)的和信號(hào)中是否含有調(diào)制頻率及其倍頻成分；若含有，繼續(xù)進(jìn)行壓控放大；若不含，則判斷第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)放大比例一致，消除了光電器件漂移、放大電路性能差異等帶來(lái)的兩路信號(hào)增益差異對(duì)測(cè)角精度的影響，繼而執(zhí)行差運(yùn)算，進(jìn)行步驟8)。上述步驟7 )中，若第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)放大比例不一致時(shí)，所述使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致的具體實(shí)現(xiàn)方式是采用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行和運(yùn)算以及頻譜分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出一個(gè)相應(yīng)的控制電壓，壓控放大其中一路信號(hào)，使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致。一種基于上述的精密測(cè)角方法的精密測(cè)角裝置，其特殊之處在于所述精密測(cè)角裝置包括偏振光信號(hào)發(fā)射單元以及設(shè)置在偏振光信號(hào)發(fā)射單元出射光路上的信號(hào)檢測(cè)單元；所述偏振光信號(hào)發(fā)射單元包括光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、起偏器以及磁光調(diào)制器；所述準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、起偏器以及磁光調(diào)制器依次設(shè)置在經(jīng)光源的出射光路上。上述磁光調(diào)制器包括磁旋光玻璃以及環(huán)繞設(shè)置在磁旋光玻璃周圍的調(diào)制線圈。上述信號(hào)檢測(cè)單兀包括偏振分光鏡、第一聚光鏡、第二聚光鏡、第一光電轉(zhuǎn)換器以及第二光電轉(zhuǎn)換器；所述光源依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、起偏器以及磁光調(diào)制器入射至檢偏器即偏振分光鏡；所述偏振分光鏡將入射光分為第一分束光以及第二分束光；所述第一分束光以及第二分束光為線偏振光，偏振方向相互垂直，傳播方向成一定夾角；所述第一聚光鏡以及第一光電轉(zhuǎn)換器依次設(shè)置在第一分束光的光路上；所述第二聚光鏡以及第二光電轉(zhuǎn)換器依次設(shè)置在第二分束光的光路上；所述偏振分光鏡(檢偏器)是渥拉斯頓棱鏡或偏振分束器。上述精密測(cè)角裝置還包括與信號(hào)檢測(cè)單元電性相連的雙光路信號(hào)處理單元。上述雙光路信號(hào)處理單元包括第一通道、第一濾波器、放大器、第二通道、第二濾波器、壓控放大器、和運(yùn)算處理單元、差運(yùn)算處理單元、第一 A/D轉(zhuǎn)換器、精密放大器、第二A/D轉(zhuǎn)換器、第三A/D轉(zhuǎn)換器、DSP (頻譜分析模塊、計(jì)算控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊)、D/A轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；所述第一通道通過(guò)第一濾波器與放大器相連；所述第二通道通過(guò)第二濾波器與壓控放大器相連；所述放大器與壓控放大器并聯(lián)后依次接入和運(yùn)算處理單元以及差運(yùn)算處理單元；所述和運(yùn)算處理單元依次通過(guò)第一 A/D轉(zhuǎn)換器、頻譜分析模塊、計(jì)算控制模塊以及D/A轉(zhuǎn)換器接入壓控放大器；所述和運(yùn)算處理單元通過(guò)第三A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)處理模塊接入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；所述差運(yùn)算處理單元依次通過(guò)精密放大器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)處理模塊接入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明提供了一種精密測(cè)角方法及其裝置，采用調(diào)制偏振光技術(shù)，具體采用磁光調(diào)制技術(shù)，將光強(qiáng)度變化的頻率作為角度信號(hào)的載體，從而使直接測(cè)量強(qiáng)度信號(hào)變?yōu)闇y(cè)量頻率信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度角度測(cè)量；同時(shí)，為消除兩路信號(hào)的放大比例對(duì)測(cè)角結(jié)果的影響，提高測(cè)角精度，采用雙光路信號(hào)處理，使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致，由于可以采用相關(guān)處理及長(zhǎng)時(shí)間積分的方式進(jìn)行信號(hào)分析，對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高，所以可以達(dá)到很高的分析精度，進(jìn)而是角度測(cè)量的精度可以提高到10"之內(nèi)。本發(fā)明具有測(cè)角速度快、靈敏度高以及作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明所提供的精密測(cè)角裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所采用的雙光路信號(hào)處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；其中I-偏振光信號(hào)發(fā)射單元；2_信號(hào)檢測(cè)單元；11_光源；12_準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡；13_起偏器；14-磁旋光玻璃；15-磁光調(diào)制器；21_偏振分光鏡；22_第一聚光鏡；23_第二聚光鏡；24-第一光電轉(zhuǎn)換器；25_第二光電轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種精密測(cè)角方法，該精密測(cè)角方法包括以下步驟I)由光源發(fā)射出光強(qiáng)為I。的光束；2 )對(duì)步驟I)中的光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，得到準(zhǔn)直光；3)將準(zhǔn)直光束進(jìn)行起偏并得到線偏振光；4)對(duì)線偏振光進(jìn)行磁光調(diào)制，得到磁光調(diào)制信號(hào)光；5)將磁光調(diào)制信號(hào)光進(jìn)行偏振分束,得到分束后的光強(qiáng)為I1的第一分束光以及光強(qiáng)為I2的第二分束光；6)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器探測(cè)第一分束光光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)(包括交流和直流分量)以及第二分束光光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)(包括交流和直流分量);7)對(duì)步驟6)所得到的第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)進(jìn)行雙光路信號(hào)處理其具體實(shí)現(xiàn)方式是判斷第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后的和信號(hào)中是否含有調(diào)制頻率及其倍頻成分；若沒(méi)有，直接進(jìn)行步驟8);若含有，則判斷第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)放大比例不一致，所述使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致的具體實(shí)現(xiàn)方式是采用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行和運(yùn)算以及頻譜分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出一個(gè)相應(yīng)的控制電壓，壓控放大其中一路信號(hào)，使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致后進(jìn)行步驟8)。8)根據(jù)下面公式解算檢偏器與X軸之間的方位角；
權(quán)利要求
1.一種精密測(cè)角方法，其特征在于所述精密測(cè)角方法包括以下步驟 1)由光源發(fā)射出光強(qiáng)為Itl的光束； 2)對(duì)步驟I)中的光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，得到準(zhǔn)直光； 3)將準(zhǔn)直光進(jìn)行起偏并得到線偏振光； 4)對(duì)線偏振光進(jìn)行磁光調(diào)制，得到磁光調(diào)制信號(hào)光； 5)將磁光調(diào)制信號(hào)光進(jìn)行偏振分束,得到分束后的光強(qiáng)為I1的第一分束光以及光強(qiáng)為I2的第二分束光； 6)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器探測(cè)第一分束光的光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)以及第二分束光的光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)；所述模擬電信號(hào)包括交流分量以及直流分量； 8)解算檢偏器與X軸之間的方位角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的精密測(cè)角方法，其特征在于所述步驟8)的具體實(shí)現(xiàn)方式是 根據(jù)下面公式解算檢偏器與X軸之間的方位角；
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的精密測(cè)角方法，其特征在于所述精密測(cè)角方法在步驟6)和步驟8)之間還包括 7)對(duì)步驟6)所得到的第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)進(jìn)行雙光路信號(hào)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精密測(cè)角方法，其特征在于所述步驟7)的具體實(shí)現(xiàn)方式是 判斷第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后的和信號(hào)中是否含有調(diào)制頻率及其倍頻成分；若沒(méi)有，直接進(jìn)行步驟8);若含有，則判斷第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)放大比例不一致；采用一個(gè)壓控放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致后進(jìn)行步驟8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的精密測(cè)角方法，其特征在于所述步驟7)中，若第一分束光的電信號(hào)以及第二分束光的電信號(hào)放大比例不一致時(shí)，所述使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致的具體實(shí)現(xiàn)方式是采用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行和運(yùn)算以及頻譜分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出一個(gè)相應(yīng)的控制電壓，壓控放大其中一路信號(hào)，使兩路信號(hào)的放大比例趨向一致。
6.一種基于權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述的精密測(cè)角方法的精密測(cè)角裝置，其特征在于所述精密測(cè)角裝置包括偏振光信號(hào)發(fā)射單元以及設(shè)置在偏振光信號(hào)發(fā)射單元出射光路上的信號(hào)檢測(cè)單元；所述偏振光信號(hào)發(fā)射單元包括光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、起偏器以及磁光調(diào)制器；所述準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、起偏器以及磁光調(diào)制器依次設(shè)置在經(jīng)光源的出射光路上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精密測(cè)角裝置，其特征在于所述磁光調(diào)制器包括磁旋光玻璃以及環(huán)繞設(shè)置在磁旋光玻璃周圍的調(diào)制線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的精密測(cè)角裝置，其特征在于所述信號(hào)檢測(cè)單元包括偏振分光鏡、第一聚光鏡、第二聚光鏡、第一光電轉(zhuǎn)換器以及第二光電轉(zhuǎn)換器；所述光源依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、起偏器以及磁光調(diào)制器入射至偏振分光鏡；所述偏振分光鏡將入射光分為第一分束光以及第二分束光；所述第一分束光以及第二分束光為偏振方向相互垂直、傳播方向成一定夾角的線偏振光；所述第一聚光鏡以及第一光電轉(zhuǎn)換器依次設(shè)置在第一分束光的光路上；所述第二聚光鏡以及第二光電轉(zhuǎn)換器依次設(shè)置在第二分束光的光路上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的精密測(cè)角裝置，其特征在于所述精密測(cè)角裝置還包括與信號(hào)檢測(cè)單元電性相連的雙光路信號(hào)處理單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的精密測(cè)角裝置，其特征在于所述雙光路信號(hào)處理單元包括第一通道、第一濾波器、放大器、第二通道、第二濾波器、壓控放大器、和運(yùn)算處理單元、差運(yùn)算處理單元、第一 A/D轉(zhuǎn)換器、精密放大器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器、第三A/D轉(zhuǎn)換器、頻譜分析模塊、計(jì)算控制模塊、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；所述第一通道通過(guò)第一濾波器與放大器相連；所述第二通道通過(guò)第二濾波器與壓控放大器相連；所述放大器與壓控放大器并聯(lián)后依次接入和運(yùn)算處理單元以及差運(yùn)算處理單元；所述和運(yùn)算處理單元依次通過(guò)第一 A/D轉(zhuǎn)換器、頻譜分析模塊、計(jì)算控制模塊以及D/A轉(zhuǎn)換器接入壓控放大器；所述和運(yùn)算處理單元通過(guò)第三A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)處理模塊接入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；所述差運(yùn)算處理單元依次通過(guò)精密放大器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)處理模塊接入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及精密測(cè)角的方法及其裝置，包括1)由光源發(fā)射出光強(qiáng)為I0的光束；2)對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，得到準(zhǔn)直光；3)將準(zhǔn)直光束進(jìn)行起偏并得到線偏振光；4)對(duì)線偏振光進(jìn)行磁光調(diào)制，得到磁光調(diào)制信號(hào)光；5)將磁光調(diào)制信號(hào)光進(jìn)行偏振分束，得到分束后的光強(qiáng)為I1的第一分束光以及光強(qiáng)為I2的第二分束光；6)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器探測(cè)第一分束光的光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)以及第二分束光的光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電信號(hào)；所述模擬電信號(hào)包括交流分量以及直流分量；8)解算檢偏器與x軸之間的方位角。本發(fā)明提供了一種可提高系統(tǒng)測(cè)角精度、測(cè)角速度快、靈敏度高以及作用距離遠(yuǎn)的精密測(cè)角方法及其裝置。
文檔編號(hào)G01B11/26GK102878953SQ20121036376
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者吳易明, 陸衛(wèi)國(guó), 李春艷, 肖茂森, 王海霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所