CN105466363A - 一种基于双磁光调制的精密测角装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于双磁光调制的精密测角装置，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、起偏器以及第一磁光调制器；准直扩束镜、起偏器以及磁光调制器依次设置在经光源发出的出射光的光路上。本发明提供了一种精密测角装置及方法，采用的是偏振光调制技术，具体实现方式是采用双磁光调制技术，该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。本发明具有测角速度快、灵敏度高以及作用距离远等特点。

Description

一种基于双磁光调制的精密测角装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，设计一种基于双磁光调制的精密测角方法及其装置。

背景技术

在火箭发射、航天器对接、材料内应力测量等装置中，需要动态的实现上下不同平面内仪器空间方位角的测量。角度信息要完成在不同水平面之间的角度信息传递及精密测量，常用的方法有：机械方法、光学方法。机械方法需要刚性连接，且受连接件精度、稳定性等因素的影响难以达到高精度的角度测量，在实际中较少使用。光学方法分为：几何光学方法和物理光学方法。几何方法结构简单，容易实现，但受空气扰动影响大，不容易实现高精度的角度测量。物理光学方法利用光的偏振特性实现角度的测量，相比几何光学方法测量精度要高得多。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。

针对上述问题曾提出一种使用磁光调制的方式进行角度的精密测量及传递，不过目前该方法主要局限在单次磁光调制的水平上，单次磁光调制虽然能很合好的解决以上角度测量时所提遇到的问题，但该方法在原理上忽略了光束通过检偏器后所产生的偏振非正交量，而事实上偏振非正交分量对于测角精度及传递准确度对有较大的影响。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于双磁光调制的精密测角方法，该方法具有测角速度快、测量精度高、灵敏度高以及作用距离远等特点。

本发明的技术解决方案是：一种基于双磁光调制的精密测角装置，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、起偏器以及第一磁光调制器；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发出的出射光的光路上。

上述信号检测单元包括第二磁光调制器、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、起偏器以及第一磁光调制器入射至第二磁光调制器，再进入偏振分光棱镜；

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。

上述第一磁光调制器和第二磁光调制器均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。

一种基于双磁光调制的精密测角方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

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)对线偏振光进行第一次磁光调制，得到调制信号光a；

5)对所得的调制信号光a进行第二次磁光调制，得到调制信号光b；

6)使用渥拉斯顿棱镜将调制信号光b进行偏振分束，得到光强分别为I_o、I_e的两束光；

7)对步骤6)中的两束光分别使用聚光透镜进行会聚；

8)第一分束光经聚光透镜会聚后通过光电转换器转换成模拟电信号；第二分束光经聚光透镜后通过光电转换器也转换成模拟电信号；模拟电信号包括交流分量以及直流分量；

9)解算检偏器光轴与x轴的方位角α。

上述步骤8)的具体实现方式是：

“和频”与“差频”分量包含正弦函数，通过转动α使“和频”与“差频”分量的幅值发生改变，当它们的幅值与基频相近时，将两路信号输入到信号处理电路进行步骤9)。

上述步骤9)的具体实现方式是：

9.1)将步骤8)所得到的两路电信号模拟量输入到信号处理电路中，通过增强光源功率和调整放大电路倍数使它们的幅值显著增强；

9.2)在通过电路控制使两路模拟电信号量的放大倍数相同；

9.3)对两路信号进行进一步的处理和分析，解算出所测的方位角的角度值，并将其输出。

步骤9.3)中信号处理电路对方位角的解算方法具体实现方式是：

两路输出光经贝塞尔函数展开后，其基本形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_o=I_{ODC}+I_{O\mathrm{\ω}1}+I_{O\mathrm{\ω}2}+I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}+I_{O({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}\\ I_e=I_{EDC}+I_{E\mathrm{\ω}1}+I_{E\mathrm{\ω}2}+I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}+I_{E({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}\end{array}\right.$

设： $A=\frac{I_{O\mathrm{\ω}1}}{I_{ODC}},B=\frac{I_{E\mathrm{\ω}1}}{I_{EDC}},C=\frac{I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}}{I_{O\mathrm{\ω}1}},D=\frac{I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}}{I_{E\mathrm{\ω}1}},$ 则

$\left\{\begin{array}{c}H=\frac{A-B}{A+B}=\frac{sin2\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\ϵ}}\\ E=\frac{D-C}{D+C}=\frac{1}{H}\frac{sin\mathrm{\ϵ}}{\cos 2\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

得出 ${\cos }^{2}2\mathrm{\α}=\frac{H^2-1}{E^2{H}^4-1},$ $\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{H^2-1}{E^2{H}^4-1}},$ 即得出所测量的角度值；

其中：

α是检偏器与x轴之间的方位角；ε是两分束光之间的偏振非正交量；ω1、ω2分别是两次磁光调制的调制频率；I_o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；I_e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；

I_ODC、I_EDC分别为两束光的直流信号分量；I_Oω1、I_Oω2、I_Eω1、I_Eω2分别为经磁场调制后的基频模拟电信号分量；

分别为“和频”与“差频”模拟电信号分量；t是时间；其余均为解算α值所设的中间变量。

本发明的优点：

本发明提供了一种精密测角方法及其装置，采用的是偏振光调制技术，具体实现方式是采用双磁光调制技术，该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。本发明具有测角速度快、灵敏度高以及作用距离远等特点。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

其中：

1-偏振光信号发射单元；2-信号检测单元；3-光源；4-准直扩束镜；5-起偏器；6-第一磁旋光玻璃；7-第一磁光调制器；8-第二磁旋光玻璃；9-第二磁光调制器；10-偏振分光镜；11-第一聚光镜；12-第二聚光镜；13-第一光电转换器；14-第二光电转换器。

具体实施方式

参见图1，本发明在提供一种基于双磁光调制的精密测角装置，该装置包括偏振光信号发射单元1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2；偏振光信号发射单元1包括光源3、准直扩束镜4、起偏器5以及第一磁光调制器7；准直扩束镜4、起偏器5以及第一磁光调制器7依次设置在经光源3发出的出射光的光路上。

信号检测单元2包括第二磁光调制器9、偏振分光镜10、第一聚光镜11、第二聚光镜12、第一光电转换器13以及第二光电转换器14；光源3依次经过准直扩束镜4、起偏器5以及第一磁光调制器7入射至第二磁光调制器9，然后再进入偏振分光镜10；偏振分光镜10将入射光分为第一分束光以及第二分束光；第一分束光以及第二分束光理论上为偏振方向相互垂直、传播方向成一定夹角的线偏振光，不过实际上两束光之间会存在有偏振非正交量；第一聚光镜11以及第一光电转换器13依次设置在第一分束光的光路上；第二聚光镜12以及第二光电转换器14依次设置在第二分束光的光路上。第一磁光调制器7和第二磁光调制器9均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。

本发明提供了一种基于双磁光调制的精密测角方法，该精密测角方法包括：

1)由光源3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)对线偏振光进行第一次磁光调制，得到调制信号光a；

5)对所得的调制信号光a进行第二次磁光调制，得到调制信号光b；

6)将调制信号光b进行偏振分束，得到光强分别为I_o、I_e的两束光；

7)对两束光分别使用聚光透镜进行会聚；

8)第一分束光经聚光透镜会聚后通过光电转换器转换成模拟电信号；第二分束光经聚光透镜后通过光电转换器也转换成模拟电信号；所述模拟电信号包括交流分量以及直流分量；

9)解算检偏器光轴与x轴的方位角α。具体实现方式是：

两路输出光经贝塞尔函数展开后，其基本形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_o=I_{ODC}+I_{O\mathrm{\ω}1}+I_{O\mathrm{\ω}2}+I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}+I_{O({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}\\ I_e=I_{EDC}+I_{E\mathrm{\ω}1}+I_{E\mathrm{\ω}2}+I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}+I_{E({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}\end{array}\right.$

设： $A=\frac{I_{O\mathrm{\ω}1}}{I_{ODC}},B=\frac{I_{E\mathrm{\ω}1}}{I_{EDC}},C=\frac{I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}}{I_{O\mathrm{\ω}1}},D=\frac{I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}}{I_{E\mathrm{\ω}1}},$ 则

$\left\{\begin{array}{c}H=\frac{A-B}{A+B}=\frac{sin2\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\ϵ}}\\ E=\frac{D-C}{D+C}=\frac{1}{H}\frac{sin\mathrm{\ϵ}}{\cos 2\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

得出 ${\cos }^{2}2\mathrm{\α}=\frac{H^2-1}{E^2{H}^4-1},$ $\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{H^2-1}{E^2{H}^4-1}},$ 即得出所测量的角度值；

其中：

α是检偏器与x轴之间的方位角；ε是两分束光之间的偏振非正交量；ω1、ω2分别是两次磁光调制的调制频率；I_o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；I_e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；

I_ODC、I_EDC分别为两束光的直流信号分量；I_Oω1、I_Oω2、I_Eω1、I_Eω2分别为经磁场调制后的基频模拟电信号分量；

分别为“和频”与“差频”模拟电信号分量；t是时间；其余均为解算α值所设的中间变量。

Claims (7)

1.一种基于双磁光调制的精密测角装置，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、起偏器以及第一磁光调制器；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发出的出射光的光路上。

2.根据权利要求1所述的基于双磁光调制的精密测角装置，其特征在于：所述信号检测单元包括第二磁光调制器、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、起偏器以及第一磁光调制器入射至第二磁光调制器，再进入偏振分光棱镜；

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。

3.根据权利要求1或2所述的基于双磁光调制的精密测角装置，其特征在于：所述第一磁光调制器和第二磁光调制器均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。

4.一种基于双磁光调制的精密测角方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

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)对线偏振光进行第一次磁光调制，得到调制信号光a；

5)对所得的调制信号光a进行第二次磁光调制，得到调制信号光b；

6)使用渥拉斯顿棱镜将调制信号光b进行偏振分束，得到光强分别为I_o、I_e的两束光；

7)对步骤6)中的两束光分别使用聚光透镜进行会聚；

8)第一分束光经聚光透镜会聚后通过光电转换器转换成模拟电信号；第二分束光经聚光透镜后通过光电转换器也转换成模拟电信号；模拟电信号包括交流分量以及直流分量；

9)解算检偏器光轴与x轴的方位角α。

5.根据权利要求4所述的基于双磁光调制的精密测角方法，其特征在于：所述步骤8)的具体实现方式是：

“和频”与“差频”分量包含正弦函数，通过转动α使“和频”与“差频”分量的幅值发生改变，当它们的幅值与基频相近时，将两路信号输入到信号处理电路进行步骤9)。

6.根据权利要求5所述的基于双磁光调制的精密测角方法，其特征在于：所述步骤9)的具体实现方式是：

9.1)将步骤8)所得到的两路电信号模拟量输入到信号处理电路中，通过增强光源功率和调整放大电路倍数使它们的幅值显著增强；

9.2)在通过电路控制使两路模拟电信号量的放大倍数相同；

9.3)对两路信号进行进一步的处理和分析，解算出所测的方位角的角度值，并将其输出。

7.根据权利要求6所述的基于双磁光调制的精密测角方法，其特征在于：步骤9.3)中信号处理电路对方位角的解算方法具体实现方式是：

两路输出光经贝塞尔函数展开后，其基本形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_o=I_{ODC}+I_{O\mathrm{\ω}1}+I_{O\mathrm{\ω}2}+I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}+I_{O({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}\\ I_e=I_{EDC}+I_{E\mathrm{\ω}1}+I_{E\mathrm{\ω}2}+I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}+I_{E({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}\end{array}\right.$

设： $A=\frac{I_{O\mathrm{\ω}1}}{I_{ODC}},B=\frac{I_{E\mathrm{\ω}1}}{I_{EDC}},C=\frac{I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}}{I_{O\mathrm{\ω}1}},D=\frac{I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}}{I_{E\mathrm{\ω}1}},$ 则

$\left\{\begin{array}{c}H=\frac{A-B}{A+B}=\frac{sin2\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\ϵ}}\\ E=\frac{D-C}{D+C}=\frac{1}{H}\frac{sin\mathrm{\ϵ}}{\cos 2\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

得出 ${\cos }^{2}2\mathrm{\α}=\frac{H^2-1}{E^2{H}^4-1},\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{H^2-1}{E^2{H}^4-1}},$ 即得出所测量的角度值；

其中：

α是检偏器与x轴之间的方位角；ε是两分束光之间的偏振非正交量；ω1、ω2分别是两次磁光调制的调制频率；I_o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；I_e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；

I_ODC、I_EDC分别为两束光的直流信号分量；I_Oω1、I_Oω2、I_Eω1、I_Eω2分别为经磁场调制后的基频模拟电信号分量；

$I_{O({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)},I_{O({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)},I_{E({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)},I_{E({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}$ 分别为“和频”与“差频”模拟电信号分量；t是时间；其余均为解算α值所设的中间变量。