專利名稱：多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角度測(cè)量技術(shù)。
背景技術(shù)：
測(cè)角精度是光電系統(tǒng)中一項(xiàng)最重要的指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量方法不斷的推陳出新，如CCD光學(xué)測(cè)角法，PIP干涉測(cè)量法，成像式光柵自準(zhǔn)直測(cè)角法，衍射法等。利用上述方法一般都不能達(dá)到高準(zhǔn)確度角度測(cè)量的要求。由于光學(xué)測(cè)角由于具有非接觸性、 精度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而備受人們的重視，因此使用光學(xué)測(cè)角的方法得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；诖耍岢隽艘环N基于多光束激光外差檢測(cè)的動(dòng)態(tài)測(cè)角算法，其特點(diǎn)是不需要?jiǎng)隅R的方向信息，可以在滿足精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍角度測(cè)量。傳統(tǒng)的外差干涉均為雙光束干涉技術(shù)，外差信號(hào)頻譜只含單一頻率信息，解調(diào)后得到單一的待測(cè)參數(shù)值。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有角度測(cè)量的精度不能夠滿足精密系統(tǒng)的要求的問題，本發(fā)明提供了一種基于激光外差測(cè)量技術(shù)的多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法。本發(fā)明所述的多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法，該方法是基于下述裝置實(shí)現(xiàn)的，所述裝置包括激光器、偏振分束鏡PBS、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、會(huì)聚透鏡、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)，所述平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的厚度為d ；激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS反射后入射至四分之一波片，經(jīng)該四分之一波片透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS透射后的光束入射至平面反射鏡的反射面，經(jīng)該平面反射鏡反射后的光束入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面透射的光束在該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡內(nèi)，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡內(nèi)部后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的前表面透射之后與經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面反射后的光束均通過會(huì)聚透鏡匯聚至光電探測(cè)器的光敏面上，所述光電探測(cè)器輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)；基于上述裝置的多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法為打開激光器，激光器發(fā)出的激光的角頻率為Qci，該激光以入射角Qtl斜入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面時(shí)的入射光場(chǎng)為E(t) = E0 exp(i ω0 )(1)E0是為振幅常數(shù)，i表示虛數(shù)，所述激光入射角θ ^為待測(cè)角度，控制振鏡為多普勒振鏡，該振鏡的振動(dòng)方程為x(t) = a(t2/2))(2)該振鏡的速度方程為v(t) = at (3)經(jīng)振鏡反射后的光束的角頻率為
ω = co。(l+at/c)(4)其中，a為振鏡振動(dòng)的加速度，c為真空中的光速；信號(hào)處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的光電探測(cè)器發(fā)出的光電流I，并對(duì)所述光電流I進(jìn)行處理，采用傅里葉變換獲該光電流I中的中頻信號(hào)的頻率，獲得干涉信號(hào)的頻率fp，所述頻率&與激光入射到平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面后的折射角θ之間的關(guān)系式fρ = Ω (ρ) = Kp cos θ(15)由上述公式計(jì)算獲得折射角θ，公式中Kp是比例系數(shù)，該比例系數(shù)Kp根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法，該方法是基于下述裝置實(shí)現(xiàn)的， 所述裝置包括激光器(1)、偏振分束鏡PBSO)、四分之一波片(3)、振鏡G)、平面反射鏡(5)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)、會(huì)聚透鏡(7)、光電探測(cè)器(8)和信號(hào)處理系統(tǒng)(9)，所述平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的厚度為d;激光器(1)發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS(2)反射后入射至四分之一波片(3)，經(jīng)該四分之一波片( 透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡(4) 反射的光束再次經(jīng)四分之一波片( 透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS( ，經(jīng)該偏振分束鏡 PBS(2)透射后的光束入射至平面反射鏡(5)的反射面，經(jīng)該平面反射鏡(5)反射后的光束入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面透射的光束在該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6) 內(nèi)，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)內(nèi)部后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的前表面透射之后與經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面反射后的光束均通過會(huì)聚透鏡(7)匯聚至光電探測(cè)器(8)的光敏面上，所述光電探測(cè)器(8)輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)(9)；其特征在于，基于上述裝置的多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法為 打開激光器(1)，激光器(1)發(fā)出的激光的角頻率為Qci，該激光以入射角θ ^斜入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面時(shí)的入射光場(chǎng)為 E(t) = E0 exp(i co0t)(1)E0是為振幅常數(shù)，i表示虛數(shù)，所述激光入射角θ ^為待測(cè)角度，控制振鏡(4)為多普勒振鏡，該振鏡的振動(dòng)方程為x(t) =a(t2/2))(2)該振鏡的速度方程為v(t) = at (3)經(jīng)振鏡(4)反射后的光束的角頻率為ω = co0(l+at/c)(4)其中，a為振鏡振動(dòng)的加速度，c為真空中的光速；信號(hào)處理系統(tǒng)(9)根據(jù)接收到的光電探測(cè)器(8)發(fā)出的光電流I，并對(duì)所述光電流I進(jìn)行處理，采用傅里葉變換獲該光電流I中的中頻信號(hào)的頻率，獲得干涉信號(hào)的頻率&，所述頻率fp與激光入射到平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面后的折射角θ之間的關(guān)系式 fp = Ω (ρ) = Kp cos θ(15)由上述公式計(jì)算獲得折射角θ，公式中Kp是比例系數(shù)，該比例系數(shù)Kp根據(jù)公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法，其特征在于，信號(hào)處理系統(tǒng)(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成，所述濾波器(9-1)對(duì)接收到的光電探測(cè)器( 輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器(9-2)，經(jīng)前置放大器(9- 放大之后的信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/ D)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法，其特征在于，信號(hào)處理系統(tǒng)(9)根據(jù)光電流I中的中頻信號(hào)的頻率獲得干涉信號(hào)的頻率fp的過程為根據(jù)探測(cè)器平方率檢測(cè)定律可知探測(cè)器輸出的光電流I的表達(dá)式為
全文摘要
多光束激光外差高精度測(cè)量激光入射角度的方法，涉及一種角度測(cè)量技術(shù)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有角度測(cè)量的精度不能夠滿足精密系統(tǒng)的要求的問題。本發(fā)明所述的測(cè)量方法將激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)相結(jié)合，通過測(cè)量光路中的多普勒振鏡對(duì)不同時(shí)刻入射光的進(jìn)行頻率調(diào)制，把待測(cè)角度信息加載到外差信號(hào)的頻率差中，經(jīng)信號(hào)解調(diào)后可以同時(shí)得到多個(gè)待測(cè)角度值，經(jīng)加權(quán)平均處理可以提高待測(cè)角度的測(cè)量精度。本發(fā)明所述的測(cè)量方法的最大相對(duì)誤差小于0.5216％。本發(fā)明所述的測(cè)量方法能夠滿足微小角度測(cè)量的要求，為許多工程領(lǐng)域提供了很好的測(cè)量手段，可以廣泛的應(yīng)用于激光雷達(dá)、機(jī)械、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中，具有很好應(yīng)用前景和價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C1/00GK102322843SQ20111014477
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)