CN102878953B - 精密测角方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密测角的方法及其装置，包括：1）由光源发射出光强为I₀的光束；2）对光束进行准直扩束，得到准直光；3）将准直光束进行起偏并得到线偏振光；4）对线偏振光进行磁光调制，得到磁光调制信号光；5）将磁光调制信号光进行偏振分束，得到分束后的光强为I₁的第一分束光以及光强为I₂的第二分束光；6）通过光电转换器探测第一分束光的光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号以及第二分束光的光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；所述模拟电信号包括交流分量以及直流分量；8）解算检偏器与x轴之间的方位角。本发明提供了一种可提高系统测角精度、测角速度快、灵敏度高以及作用距离远的精密测角方法及其装置。

Description

精密测角方法及其装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种基于偏振光的精密测角方法及其装置，尤其涉及一种基于双光路信号处理及压控放大实现精密测角的方法及其装置。

背景技术

光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，应用越来越广泛。光学测角法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、自准直法、声光调制法以及激光干涉法等。典型的设备有码盘（光电或光学码盘）、多齿分度台等设备。在距离较远的条件下（例如超过1m），采用这些设备进行高精度测量的实现成本和难度大大增加，因而，其应用受到限制。利用偏振光进行角度测量可以攻克这一技术难点，其利用光路中偏振元件的旋转引起偏振光光强、相位或频差的变化，并基于光的偏振面对旋转的敏感性，可以方便地测量与偏振光束垂直的角位移，具有精度高、速度快且作用距离远等优点，因而在航天器对接、军用系统高精度测量、采矿和隧道开掘、生物医学等领域有广阔的应用前景。

利用偏振光，可以直接应用马吕斯定律检测两个偏振片透光轴之间的夹角，但测量精度不高，这是因为目前尚无高精度测量偏振面旋转角的仪器，所以，必须将角度信号转换为光强度信号再进行测量。同时，微小角度变化引起的光强度变化并不明显，如果直接用光强度信号作为角度信号的载体，利用光电转换器件将光强度信号转变为直流电信号，那么微小的角度变化就会湮没在噪声与电信号漂移之中而检测不到；且采用直接检测检偏器投射或反射光强方法测量方位角信息时，由于光电器件漂移、放大电路性能等影响，测量精度难以提高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种可提高系统测角精度、测角速度快、灵敏度高以及作用距离远的精密测角方法及其装置。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种精密测角方法，其特殊之处在于：所述精密测角方法包括以下步骤：

1）由光源发射出光强为I₀的光束；

2）对步骤1）中的光束进行准直扩束，得到准直光；

3）将准直光束进行起偏并得到线偏振光；

4）对线偏振光进行磁光调制，得到磁光调制信号光；

5）将磁光调制信号光进行偏振分束，得到分束后的光强为I₁的第一分束光以及光强为I₂的第二分束光；

6）通过光电转换器探测第一分束光的光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号以及第二分束光的光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；所述模拟电信号包括交流分量以及直流分量；

8）解算检偏器与x轴之间的方位角。

上述步骤8）的具体实现方式是：

根据下面公式解算检偏器与x轴之间的方位角；

$F=\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=\sin 2\mathrm{\α}+2{\mathrm{\θ}}_0\cos 2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\ωt}-{{\mathrm{\θ}}_0}^2\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\ωt}$

其中：

α为检偏器与x轴之间的方位角；

θ₀是交流磁光调制角幅度；

ω是磁光调制频率；

t是时间；

I₁是第一分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；

I₂是第二分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；

F是为解算α值所设的中间变量。

上述精密测角方法在步骤6）和步骤8）之间还包括：

7）对步骤6）所得到的第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号进行双光路信号处理。

上述步骤7）的具体实现方式是：

判断第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号经过放大之后的和信号中是否含有调制频率及其倍频成分；理想情况下不含有这种信号，两路信号的放大比例一致，直接进行和运算以及差运算，执行步骤8），即可实现精密测角；实际工程实现中，由于光电器件漂移、放大电路性能等影响，两路信号的放大比例不一致，对二者的和信号进行A/D转换，信号中含有调制频率及其倍频成分，直接影响测角精度。将此调制信号作为反馈信号，压控放大其中一路信号（附图2中通道2），判断两路信号的和信号中是否含有调制频率及其倍频成分；若含有，继续进行压控放大；若不含，则判断第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号放大比例一致，消除了光电器件漂移、放大电路性能差异等带来的两路信号增益差异对测角精度的影响，继而执行差运算，进行步骤8)。

上述步骤7）中，若第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号放大比例不一致时，所述使两路信号的放大比例趋向一致的具体实现方式是：采用数字信号处理器对两路信号进行和运算以及频谱分析，根据分析结果输出一个相应的控制电压，压控放大其中一路信号，使两路信号的放大比例趋向一致。

一种基于上述的精密测角方法的精密测角装置，其特殊之处在于：所述精密测角装置包括偏振光信号发射单元以及设置在偏振光信号发射单元出射光路上的信号检测单元；所述偏振光信号发射单元包括光源、准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器；所述准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器依次设置在经光源的出射光路上。

上述磁光调制器包括磁旋光玻璃以及环绕设置在磁旋光玻璃周围的调制线圈。

上述信号检测单元包括偏振分光镜、第一聚光镜、第二聚光镜、第一光电转换器以及第二光电转换器；所述光源依次经过准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器入射至检偏器即偏振分光镜；所述偏振分光镜将入射光分为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为线偏振光，偏振方向相互垂直，传播方向成一定夹角；所述第一聚光镜以及第一光电转换器依次设置在第一分束光的光路上；所述第二聚光镜以及第二光电转换器依次设置在第二分束光的光路上；所述偏振分光镜（检偏器）是渥拉斯顿棱镜或偏振分束器。

上述精密测角装置还包括与信号检测单元电性相连的双光路信号处理单元。

上述双光路信号处理单元包括第一通道、第一滤波器、放大器、第二通道、第二滤波器、压控放大器、和运算处理单元、差运算处理单元、第一A/D转换器、精密放大器、第二A/D转换器、第三A/D转换器、DSP（频谱分析模块、计算控制模块以及数据处理模块）、D/A转换器以及数据处理计算机；所述第一通道通过第一滤波器与放大器相连；所述第二通道通过第二滤波器与压控放大器相连；所述放大器与压控放大器并联后依次接入和运算处理单元以及差运算处理单元；所述和运算处理单元依次通过第一A/D转换器、频谱分析模块、计算控制模块以及D/A转换器接入压控放大器；所述和运算处理单元通过第三A/D转换器及数据处理模块接入数据处理计算机；所述差运算处理单元依次通过精密放大器、第二A/D转换器及数据处理模块接入数据处理计算机。

本发明的优点是：

本发明提供了一种精密测角方法及其装置，采用调制偏振光技术，具体采用磁光调制技术，将光强度变化的频率作为角度信号的载体，从而使直接测量强度信号变为测量频率信号，通过信号处理来实现高精度角度测量；同时，为消除两路信号的放大比例对测角结果的影响，提高测角精度，采用双光路信号处理，使两路信号的放大比例趋向一致，由于可以采用相关处理及长时间积分的方式进行信号分析，对实时性要求并不高，所以可以达到很高的分析精度，进而是角度测量的精度可以提高到10″之内。本发明具有测角速度快、灵敏度高以及作用距离远等优点。

附图说明

图1是本发明所提供的精密测角装置的结构示意图；

图2是本发明所采用的双光路信号处理单元的结构示意图；

其中：

1-偏振光信号发射单元；2-信号检测单元；11-光源；12-准直扩束镜；13-起偏器；14-磁旋光玻璃；15-磁光调制器；21-偏振分光镜；22-第一聚光镜；23-第二聚光镜；24-第一光电转换器；25-第二光电转换器。

具体实施方式

本发明提供了一种精密测角方法，该精密测角方法包括以下步骤：

1）由光源发射出光强为I₀的光束；

2）对步骤1）中的光束进行准直扩束，得到准直光；

3）将准直光束进行起偏并得到线偏振光；

4）对线偏振光进行磁光调制，得到磁光调制信号光；

5）将磁光调制信号光进行偏振分束，得到分束后的光强为I₁的第一分束光以及光强为I₂的第二分束光；

6）通过光电转换器探测第一分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号（包括交流和直流分量）以及第二分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号（包括交流和直流分量）；

7）对步骤6）所得到的第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号进行双光路信号处理：其具体实现方式是：

判断第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号经过放大之后的和信号中是否含有调制频率及其倍频成分；若没有，直接进行步骤8）；若含有，则判断第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号放大比例不一致，所述使两路信号的放大比例趋向一致的具体实现方式是：采用数字信号处理器对两路信号进行和运算以及频谱分析，根据分析结果输出一个相应的控制电压，压控放大其中一路信号，使两路信号的放大比例趋向一致后进行步骤8）。

8）根据下面公式解算检偏器与x轴之间的方位角；

$F=\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=\sin 2\mathrm{\α}+2{\mathrm{\θ}}_0\cos 2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\ωt}-{{\mathrm{\θ}}_0}^2\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\ωt};$

其中：

α是检偏器与x轴之间的方位角；

θ₀是交流磁光调制角幅度；

ω是磁光调制频率；

t是时间；

I₁是第一分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号（包括交流和直流分量）；

I₂是第二分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号（包括交流和直流分量）；

F是为解算α值所设的中间变量。

参见图1，本发明在提供一种精密测角方法的同时还提供了一种精密测角装置，该精密测角装置包括偏振光信号发射单元以及设置在偏振光信号发射单元出射光路上的信号检测单元；偏振光信号发射单元包括光源、准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器；准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器依次设置在经光源的出射光路上。磁光调制器包括磁旋光玻璃以及环绕设置在磁旋光玻璃周围的调制线圈。

信号检测单元包括偏振分光镜（检偏器）、第一聚光镜、第二聚光镜、第一光电转换器以及第二光电转换器；光源依次经过准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器入射至偏振分光镜；偏振分光镜将入射光分为偏振方向相互垂直、传播方向成一定夹角的线偏振第一分束光以及第二分束光；第一聚光镜以及第一光电转换器依次设置在第一分束光的光路上；第二聚光镜以及第二光电转换器依次设置在第二分束光的光路上。

参见图2，精密测角装置还包括与信号检测单元电性相连的双光路信号处理单元，双光路信号处理单元包括第一通道、第一滤波器、放大器、第二通道、第二滤波器、压控放大器、和运算处理单元、差运算处理单元、第一A/D转换器、精密放大器、第二A/D转换器、第三A/D转换器、DSP（频谱分析模块、计算控制模块、数据处理模块）、D/A转换器以及数据处理计算机；第一通道通过第一滤波器与放大器相连；第二通道通过第二滤波器与压控放大器相连；放大器与压控放大器并联后依次接入和运算处理单元以及差运算处理单元；和运算处理单元依次通过第一A/D转换器、频谱分析模块、计算控制模块以及D/A转换器接入压控放大器；和运算处理单元通过第三A/D转换器及数据处理模块接入数据处理计算机；差运算处理单元依次通过精密放大器、第二A/D转换器及数据处理模块接入数据处理计算机。本发明在具体工作时，偏振光信号发射单元1中光源11发出的光强为I₀的光束经过准直扩束镜12，从起偏器13中出射的光束为偏振方向和起偏器13的光轴平行的线偏振光，通过磁光调制器15中的磁旋光玻璃14时，产生法拉第磁光效应，偏振光矢量信号转换为偏振面随时间变化的信号，实现了偏振光信号的磁光调制，经过信号检测单元中偏振分光镜21，分开的两束光分别被第一聚光镜22、第二聚光镜23汇聚到第一光电转换器件24以及第二光电转换器件25，转换为电信号输出。通过对两路光进行信号处理及压控放大，提高了系统测角精度。

起偏器13与x轴夹角为45°，磁光调制器15对磁旋光玻璃14外加交变磁场，由于法拉第效应，线偏振光通过磁光玻璃14时，偏振面发生旋转，旋转角θ＝θ₀sinωt，θ₀是交流磁光调制角幅度，ω为磁光调制频率。通过检偏器即偏振分光镜21分为两束偏振面互相垂直、传播方向成一定夹角的线偏振光，第一光电探测器24以及第二光电探测器25分别探测光强值。理论输出信号I₁、I₂为：

$I_1=I_0{\sin }^2(\mathrm{\π}/4+\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})$

$\≈\frac{1}{2}{I}_0[1+\sin 2\mathrm{\α}+2{\mathrm{\θ}}_0\cos 2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\ωt}-{{\mathrm{\θ}}_0}^2\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\ωt}]$

$I_2=I_0-I_1\≈\frac{1}{2}{I}_0[1-\sin 2\mathrm{\α}-2{\mathrm{\θ}}_0\cos 2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\ωt}+{{\mathrm{\θ}}_0}^2\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\ωt}]$

α为检偏器与x轴之间的方位角，为消除光强（光源波动）对测量的影响，作除法运算：

$F=\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=\sin 2\mathrm{\α}+2{\mathrm{\θ}}_0\cos 2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\ωt}-{{\mathrm{\θ}}_0}^2\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\ωt}$

由于是根据检测两路光强信号的大小来解算方位角α的。实际中由于检偏器偏振分光镜对光能的吸收，以及经过光电转换后，两个光电转换器件的光谱特性、光电转换效率等的差异，以及信号处理电路损耗的不同，都会对两路信号强度产生影响，使得两路信号的放大比例不同，直接影响测量精度。

为消除两路信号的放大比例对测角结果的影响，提高测角精度，采用双光路信号处理，基本方法是采用一个压控放大电路进行信号放大，使两路信号的放大比例趋向一致。压控放大网络的基本工作原理是采用数字信号处理器对加法信号进行频谱分析，检查是否含有调制频率及其倍频成分，根据分析结果输出一个相应的控制电压，使通道2信号的放大倍率和通道1相同。由于可以采用相关处理及长时间积分的方式进行信号分析，对实时性要求并不高，所以，可以达到很高的分析精度，进而是角度测量的精度可以提高到10″之内。

Claims (4)

1.一种精密测角方法，其特征在于：所述精密测角方法包括以下步骤：

1)由光源发射出光强为I₀的光束；

2)对步骤1)中的光束进行准直扩束，得到准直光；

3)将准直光进行起偏并得到线偏振光；

4)对线偏振光进行磁光调制，得到磁光调制信号光；

5)将磁光调制信号光进行偏振分束，得到分束后的光强为I₁的第一分束光以及光强为I₂的第二分束光；

6)通过光电转换器探测第一分束光的光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号以及第二分束光的光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；所述模拟电信号包括交流分量以及直流分量；

7)对步骤6)所得到的第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号进行双光路信号处理：

判断第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号经过放大之后的和信号中是否含有调制频率及其倍频成分；若没有，直接进行步骤8)；若含有，则判断第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号放大比例不一致；采用一个压控放大电路进行信号放大，使两路信号的放大比例趋向一致后进行步骤8)；

8)解算检偏器与x轴之间的方位角；所述步骤8)的具体实现方式是：

根据下面公式解算检偏器与x轴之间的方位角；

$F=\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=\sin 2\mathrm{\α}+{2\mathrm{\θ}}_0\cos 2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\ωt}-{{\mathrm{\θ}}_0}^2\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\ωt}$

其中：

α是检偏器与x轴之间的方位角；

θ₀是交流磁光调制角幅度；

ω是磁光调制频率；

t是时间；

I₁是第一分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；

I₂是第二分束光光强度信号经过光电转换器转换成的模拟电信号；

F是为解算α值所设的中间变量。

2.根据权利要求1所述的精密测角方法，其特征在于：所述步骤7)中，若第一分束光的电信号以及第二分束光的电信号放大比例不一致时，所述使两路信号的放大比例趋向一致的具体实现方式是：采用数字信号处理器对两路信号进行和运算以及频谱分析，根据分析结果输出一个相应的控制电压，压控放大其中一路信号，使两路信号的放大比例趋向一致。

3.一种基于权利要求1或2所述的精密测角方法的精密测角装置，其特征在于：所述精密测角装置包括偏振光信号发射单元、设置在偏振光信号发射单元出射光路上的信号检测单元以及与信号检测单元电性相连的双光路信号处理单元；所述偏振光信号发射单元包括光源、准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器；所述准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器依次设置在经光源的出射光路上；所述磁光调制器包括磁旋光玻璃以及环绕设置在磁旋光玻璃周围的调制线圈；

所述信号检测单元包括偏振分光镜、第一聚光镜、第二聚光镜、第一光电转换器以及第二光电转换器；所述光源依次经过准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器入射至偏振分光镜；所述偏振分光镜将入射光分为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为偏振方向相互垂直、传播方向成一定夹角的线偏振光；所述第一聚光镜以及第一光电转换器依次设置在第一分束光的光路上；所述第二聚光镜以及第二光电转换器依次设置在第二分束光的光路上。

4.根据权利要求3所述的精密测角装置，其特征在于：所述双光路信号处理单元包括第一通道、第一滤波器、放大器、第二通道、第二滤波器、压控放大器、和运算处理单元、差运算处理单元、第一A/D转换器、精密放大器、第二A/D转换器、第三A/D转换器、频谱分析模块、计算控制模块、D/A转换器、数据处理模块以及数据处理计算机；所述第一通道通过第一滤波器与放大器相连；所述第二通道通过第二滤波器与压控放大器相连；所述放大器与压控放大器并联后依次接入和运算处理单元以及差运算处理单元；所述和运算处理单元依次通过第一A/D转换器、频谱分析模块、计算控制模块以及D/A转换器接入压控放大器；所述和运算处理单元通过第三A/D转换器及数据处理模块接入数据处理计算机；所述差运算处理单元依次通过精密放大器、第二A/D转换器及数据处理模块接入数据处理计算机。