專利名稱：精密測角方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學測量技術領域，涉及一種基于偏振光的精密測角方法及其裝置，尤其涉及一種基于雙光路信號處理及壓控放大實現精密測角的方法及其裝置。
背景技術：
光學測角方法由于具有非接觸、高準確度和高靈敏度的特點而倍受人們的重視，應用越來越廣泛。光學測角法除眾所周知的光學分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法、自準直法、聲光調制法以及激光干涉法等。典型的設備有碼盤(光電或光學碼盤)、多齒分度臺等設備。在距離較遠的條件下(例如超過lm)，采用這些設備進行高精度測量的實現成本和難度大大增加，因而，其應用受到限制。利用偏振光進行角度測量可以攻克這一技術難點，其利用光路中偏振元件的旋轉引起偏振光光強、相位或頻差的變化，并基于光的偏振面對旋轉的敏感性，可以方便地測量與偏振光束垂直的角位移，具有精度高、速度 快且作用距離遠等優點，因而在航天器對接、軍用系統高精度測量、采礦和隧道開掘、生物醫學等領域有廣闊的應用前景。利用偏振光，可以直接應用馬呂斯定律檢測兩個偏振片透光軸之間的夾角，但測量精度不高，這是因為目前尚無高精度測量偏振面旋轉角的儀器，所以，必須將角度信號轉換為光強度信號再進行測量。同時，微小角度變化引起的光強度變化并不明顯，如果直接用光強度信號作為角度信號的載體，利用光電轉換器件將光強度信號轉變為直流電信號，那么微小的角度變化就會湮沒在噪聲與電信號漂移之中而檢測不到；且采用直接檢測檢偏器投射或反射光強方法測量方位角信息時，由于光電器件漂移、放大電路性能等影響，測量精度難以提高。

發明內容
為了解決背景技術中存在的技術問題，本發明提供了一種可提高系統測角精度、測角速度快、靈敏度高以及作用距離遠的精密測角方法及其裝置。本發明的技術解決方案是本發明提供了一種精密測角方法，其特殊之處在于所述精密測角方法包括以下步驟I)由光源發射出光強為I。的光束；2 )對步驟I)中的光束進行準直擴束，得到準直光；3)將準直光束進行起偏并得到線偏振光；4)對線偏振光進行磁光調制，得到磁光調制信號光；5)將磁光調制信號光進行偏振分束,得到分束后的光強為I1的第一分束光以及光強為I2的第二分束光；6)通過光電轉換器探測第一分束光的光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號以及第二分束光的光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號；所述模擬電信號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)的具體實現方式是根據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。是交流磁光調制角幅度；ω是磁光調制頻率；t是時間；I1是第一分束光光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號；I2是第二分束光光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號；F是為解算a值所設的中間變量。上述精密測角方法在步驟6)和步驟8)之間還包括7)對步驟6)所得到的第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號進行雙光路
信號處理。上述步驟7)的具體實現方式是判斷第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號經過放大之后的和信號中是否含有調制頻率及其倍頻成分；理想情況下不含有這種信號，兩路信號的放大比例一致，直接進行和運算以及差運算，執行步驟8)，即可實現精密測角；實際工程實現中，由于光電器件漂移、放大電路性能等影響，兩路信號的放大比例不一致，對二者的和信號進行A/D轉換，信號中含有調制頻率及其倍頻成分，直接影響測角精度。將此調制信號作為反饋信號，壓控放大其中一路信號(附圖2中通道2)，判斷兩路信號的和信號中是否含有調制頻率及其倍頻成分；若含有，繼續進行壓控放大；若不含，則判斷第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號放大比例一致，消除了光電器件漂移、放大電路性能差異等帶來的兩路信號增益差異對測角精度的影響，繼而執行差運算，進行步驟8)。上述步驟7 )中，若第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號放大比例不一致時，所述使兩路信號的放大比例趨向一致的具體實現方式是采用數字信號處理器對兩路信號進行和運算以及頻譜分析，根據分析結果輸出一個相應的控制電壓，壓控放大其中一路信號，使兩路信號的放大比例趨向一致。一種基于上述的精密測角方法的精密測角裝置，其特殊之處在于所述精密測角裝置包括偏振光信號發射單元以及設置在偏振光信號發射單元出射光路上的信號檢測單元；所述偏振光信號發射單元包括光源、準直擴束鏡、起偏器以及磁光調制器；所述準直擴束鏡、起偏器以及磁光調制器依次設置在經光源的出射光路上。上述磁光調制器包括磁旋光玻璃以及環繞設置在磁旋光玻璃周圍的調制線圈。上述信號檢測單兀包括偏振分光鏡、第一聚光鏡、第二聚光鏡、第一光電轉換器以及第二光電轉換器；所述光源依次經過準直擴束鏡、起偏器以及磁光調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換器依次設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換器依次設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。上述精密測角裝置還包括與信號檢測單元電性相連的雙光路信號處理單元。上述雙光路信號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、和運算處理單元、差運算處理單元、第一 A/D轉換器、精密放大器、第二A/D轉換器、第三A/D轉換器、DSP (頻譜分析模塊、計算控制模塊以及數據處理模塊)、D/A轉換器以及數據處理計算機；所述第一通道通過第一濾波器與放大器相連；所述第二通道通過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后依次接入和運算處理單元以及差運算處理單元；所述和運算處理單元依次通過第一 A/D轉換器、頻譜分析模塊、計算控制模塊以及D/A轉換器接入壓控放大器；所述和運算處理單元通過第三A/D轉換器及數據處理模塊接入數據處理計算機；所述差運算處理單元依次通過精密放大器、第二 A/D轉換器及數據處理模塊接入數據處理計算機。 本發明的優點是本發明提供了一種精密測角方法及其裝置，采用調制偏振光技術，具體采用磁光調制技術，將光強度變化的頻率作為角度信號的載體，從而使直接測量強度信號變為測量頻率信號，通過信號處理來實現高精度角度測量；同時，為消除兩路信號的放大比例對測角結果的影響，提高測角精度，采用雙光路信號處理，使兩路信號的放大比例趨向一致，由于可以采用相關處理及長時間積分的方式進行信號分析，對實時性要求并不高，所以可以達到很高的分析精度，進而是角度測量的精度可以提高到10"之內。本發明具有測角速度快、靈敏度高以及作用距離遠等優點。


圖I是本發明所提供的精密測角裝置的結構示意圖；圖2是本發明所采用的雙光路信號處理單元的結構示意圖；其中I-偏振光信號發射單元；2_信號檢測單元；11_光源；12_準直擴束鏡；13_起偏器；14-磁旋光玻璃；15-磁光調制器；21_偏振分光鏡；22_第一聚光鏡；23_第二聚光鏡；24-第一光電轉換器；25_第二光電轉換器。
具體實施例方式本發明提供了一種精密測角方法，該精密測角方法包括以下步驟I)由光源發射出光強為I。的光束；2 )對步驟I)中的光束進行準直擴束，得到準直光；3)將準直光束進行起偏并得到線偏振光；4)對線偏振光進行磁光調制，得到磁光調制信號光；5)將磁光調制信號光進行偏振分束,得到分束后的光強為I1的第一分束光以及光強為I2的第二分束光；6)通過光電轉換器探測第一分束光光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號(包括交流和直流分量)以及第二分束光光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號(包括交流和直流分量);7)對步驟6)所得到的第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號進行雙光路信號處理其具體實現方式是判斷第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號經過放大之后的和信號中是否含有調制頻率及其倍頻成分；若沒有，直接進行步驟8);若含有，則判斷第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號放大比例不一致，所述使兩路信號的放大比例趨向一致的具體實現方式是采用數字信號處理器對兩路信號進行和運算以及頻譜分析，根據分析結果輸出一個相應的控制電壓，壓控放大其中一路信號，使兩路信號的放大比例趨向一致后進行步驟8)。8)根據下面公式解算檢偏器與X軸之間的方位角；
權利要求
1.一種精密測角方法，其特征在于所述精密測角方法包括以下步驟 1)由光源發射出光強為Itl的光束； 2)對步驟I)中的光束進行準直擴束，得到準直光； 3)將準直光進行起偏并得到線偏振光； 4)對線偏振光進行磁光調制，得到磁光調制信號光； 5)將磁光調制信號光進行偏振分束,得到分束后的光強為I1的第一分束光以及光強為I2的第二分束光； 6)通過光電轉換器探測第一分束光的光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號以及第二分束光的光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號；所述模擬電信號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.根據權利要求I所述的精密測角方法，其特征在于所述步驟8)的具體實現方式是 根據下面公式解算檢偏器與X軸之間的方位角；
3.根據權利要求I或2所述的精密測角方法，其特征在于所述精密測角方法在步驟6)和步驟8)之間還包括 7)對步驟6)所得到的第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號進行雙光路信號處理。
4.根據權利要求3所述的精密測角方法，其特征在于所述步驟7)的具體實現方式是 判斷第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號經過放大之后的和信號中是否含有調制頻率及其倍頻成分；若沒有，直接進行步驟8);若含有，則判斷第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號放大比例不一致；采用一個壓控放大電路進行信號放大，使兩路信號的放大比例趨向一致后進行步驟8)。
5.根據權利要求4所述的精密測角方法，其特征在于所述步驟7)中，若第一分束光的電信號以及第二分束光的電信號放大比例不一致時，所述使兩路信號的放大比例趨向一致的具體實現方式是采用數字信號處理器對兩路信號進行和運算以及頻譜分析，根據分析結果輸出一個相應的控制電壓，壓控放大其中一路信號，使兩路信號的放大比例趨向一致。
6.一種基于權利要求1-5任一權利要求所述的精密測角方法的精密測角裝置，其特征在于所述精密測角裝置包括偏振光信號發射單元以及設置在偏振光信號發射單元出射光路上的信號檢測單元；所述偏振光信號發射單元包括光源、準直擴束鏡、起偏器以及磁光調制器；所述準直擴束鏡、起偏器以及磁光調制器依次設置在經光源的出射光路上。
7.根據權利要求6所述的精密測角裝置，其特征在于所述磁光調制器包括磁旋光玻璃以及環繞設置在磁旋光玻璃周圍的調制線圈。
8.根據權利要求7所述的精密測角裝置，其特征在于所述信號檢測單元包括偏振分光鏡、第一聚光鏡、第二聚光鏡、第一光電轉換器以及第二光電轉換器；所述光源依次經過準直擴束鏡、起偏器以及磁光調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換器依次設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換器依次設置在第二分束光的光路上。
9.根據權利要求6或7或8所述的精密測角裝置，其特征在于所述精密測角裝置還包括與信號檢測單元電性相連的雙光路信號處理單元。
10.根據權利要求9所述的精密測角裝置，其特征在于所述雙光路信號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、和運算處理單元、差運算處理單元、第一 A/D轉換器、精密放大器、第二 A/D轉換器、第三A/D轉換器、頻譜分析模塊、計算控制模塊、D/A轉換器、數據處理模塊以及數據處理計算機；所述第一通道通過第一濾波器與放大器相連；所述第二通道通過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后依次接入和運算處理單元以及差運算處理單元；所述和運算處理單元依次通過第一 A/D轉換器、頻譜分析模塊、計算控制模塊以及D/A轉換器接入壓控放大器；所述和運算處理單元通過第三A/D轉換器及數據處理模塊接入數據處理計算機；所述差運算處理單元依次通過精密放大器、第二 A/D轉換器及數據處理模塊接入數據處理計算機。
全文摘要
本發明涉及精密測角的方法及其裝置，包括1)由光源發射出光強為I0的光束；2)對光束進行準直擴束，得到準直光；3)將準直光束進行起偏并得到線偏振光；4)對線偏振光進行磁光調制，得到磁光調制信號光；5)將磁光調制信號光進行偏振分束，得到分束后的光強為I1的第一分束光以及光強為I2的第二分束光；6)通過光電轉換器探測第一分束光的光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號以及第二分束光的光強度信號經過光電轉換器轉換成的模擬電信號；所述模擬電信號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。本發明提供了一種可提高系統測角精度、測角速度快、靈敏度高以及作用距離遠的精密測角方法及其裝置。
文檔編號G01B11/26GK102878953SQ20121036376
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者吳易明, 陸衛國, 李春艷, 肖茂森, 王海霞 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所