CN107192355B - 一种双光梳精密测角方法及测角系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双光梳精密测角方法及测角系统，其特征在于包括以下内容：设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳；第一光频梳发出的光脉冲分成两束分别经由设置在测量臂和参考臂的基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号进行处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度。本发明可以广泛应用于空间姿态的高精度测量。

Description

一种双光梳精密测角方法及测角系统

技术领域

本发明涉及一种光学测角方法及测角系统，特别是关于一种双光梳精密测角方法及测角系统。

背景技术

基于光学方法的高精度姿态角测量在先进制造领域有重要的应用。常见的光学测角方法包括自准直法以及光学干涉法。自准法测角是基于无源的反射镜作为测头，根据返回光斑的位置测量角度，特点是精度高，但是测量范围较小，且自准直光学系统存在光线切割，在不同测量距离需要重复标定，适应性较差。光学干涉法也可基于无源测头，将测头的转角转换成两路光程差的变化。其特点是精度高，但是测头复杂，抗干扰能力有限，测角范围也比较小。目前发展较快的光学测角方法还有圆光栅测角法。圆光栅在角度测量中的应用非常广泛，在整周任意角度的测量中也达到了极高的准确度。但是该方法是一种“植入式”测量，需要将光栅与转台的对心同轴安装，且对安装准确度要求很高。该方法无法基于无源测头，实现远程姿态角测量。综上所述，现有技术缺乏一种基于无源测头的高精度、大量程姿态角测量方法。

随着激光技术的发展，本世纪初诞生了一种新型激光—光频梳。光频梳是指将飞秒脉冲激光器的重复频率(f_rep，简称重频)和相位偏移频率(f_ceo)与频率基准源锁定后的装置，它发出的激光在时域上由一系列等间隔的超短激光脉冲(脉宽为若干飞秒)组成，对应频域上存在一系列等间隔的离散光谱线，相邻光谱线的频率间隔等于飞秒激光器的重频，这些光谱线覆盖的光谱范围为数十纳米。光频梳的诞生对于测距技术的发展具有极大的推动作用，但是在测角方面应用很少。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量精度高且测量范围大的双光梳精密测角方法及测角系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双光梳精密测角方法，其特征在于包括以下内容：设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳；第一光频梳发出的光脉冲分成两束分别经由设置在测量臂和参考臂的基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号进行处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度。

进一步地，姿态角度为俯仰角和/或偏摆角。

进一步地，俯仰角或偏摆角为：

mR+S；

其中，m＝[A/R]；

R＝2πF；

式中，“[]”表示取整运算，A为粗测绝对值，F为放大因子，S为多外差干涉光谱范围内单个谱线相位值进行非模糊角度范围内的小角度。

进一步地，所述基于光栅的空间姿态无源测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

进一步地，所述基于光栅的空间姿态无源测头包括参数相同的透射二维光栅和反射二维光栅，所述透射二维光栅和反射二维光栅平行设置，且所述透射二维光栅与所述反射二维光栅之间有一定的间距；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述反射二维光栅，经所述反射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双光梳精密测角系统，其特征在于，该测角系统包括两光频梳、两基于光栅的空间姿态无源测头、光电探测器和信号处理系统；第一光频梳发出的光脉冲分成两束，其中一束光脉冲入射到设置在参考臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头，另一束光脉冲入射到设置在测量臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头，两所述基于光栅的空间姿态无源测头的衍射光平行于入射光返回合成一束光；第二光频梳发出的光脉冲与合成光束发生干涉得到多外差干涉信号，多外差干涉信号滤波后被所述光电探测器探测，所述光电探测器将探测的干涉信号进行光电转换后发送到所述信号处理系统；所述信号处理系统通过傅里叶变换得到参考臂返回光脉冲、测量臂返回光脉冲分别与所述第二光频梳干涉信号的相位频谱，并通过二者之差得到设置在测量臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头返回光脉冲的光谱相位，进而得到其姿态角度。

进一步地，所述基于光栅的空间姿态无源测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

进一步地，所述基于光栅的空间姿态无源测头包括参数相同的透射二维光栅和反射二维光栅，所述透射二维光栅和反射二维光栅平行设置，且所述透射二维光栅与所述反射二维光栅之间有一定的间距；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述反射二维光栅，经所述反射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明巧妙地将透射二维光栅的分光特性和角锥棱镜的逆向反射特性相结合，将光栅对光谱的操控与光频梳对光谱的精密测量有机结合，通过对光谱相频特性的辨析，完成空间姿态无源测头的姿态角度的测量。2、相比于传统的光学测角方法，本发明具备精度高，测量范围大、测头无源且能远程测量的优点。3、本发明能够将空间姿态无源测头的角度变化转换为光程变化，和传统测头相比，本发明结构简单、体积小巧。4、本发明创新地将光频梳作为测角系统的光源，利用光频梳宽光谱的特点将光程变化转换成光谱相位变化，能够实现角度的高精度、大范围、快速测量，有效提升测角系统性能。5、本发明通过测量相位对波长的斜率，可以解决位相测量超过2π引入的位相模糊问题，从而扩大测量范围。本发明可以广泛应用于空间姿态的高精度测量。

附图说明

图1是本发明的双光梳精密测角系统结构示意图；

图2是本发明的基于光栅的空间姿态无源测头其中一种结构示意图；

图3是本发明的基于光栅的空间姿态无源测头的另一种结构示意图；

图4是本发明的入射光为单色光的镜像光栅对模型的平面示意图；

图5是本发明的镜像光栅对模型的三维示意图；

图6是本发明测量绕y轴旋转角模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本发明将二维光栅定义为x-y平面，垂直于二维光栅定义为z轴。

本发明提供的双光梳精密测角方法，具体内容为：

1)设置具有一定重复频率差Δf_rep＝f_rep2-f_rep1的第一光频梳和第二光频梳，两光频梳的光谱范围有重叠，以保证两光频梳能发生多外差干涉；

2)第一光频梳分成两束光脉冲分别经由设置在测量臂和参考臂的两个基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；

3)合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号经数据处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，进而解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度，其中，姿态角度可以为俯仰角和/或偏摆角。

如图1所示，本发明还提供了实现上述双光梳精密测角方法的测角系统，包括第一光频梳1、第二光频梳2、第一分光镜BS1、第二分光镜BS2、第一基于光栅的空间姿态无源测头CT1、第二基于光栅的空间姿态无源测头CT2、光学带通滤波器BPF、光电探测器PD、电学低通滤波器LPF、数据采集卡3和信号处理系统4，其中，第一光频梳1和第二光频梳2具有一定重复频率差Δf_rep＝f_rep2-f_rep1。

第一光频梳1发出的光脉冲经第一分光镜BS1分成两束，其中一束光脉冲入射到设置在参考臂的第一基于光栅的空间姿态无源测头CT1，另一束光脉冲入射到设置在测量臂的第二基于光栅的空间姿态无源测头CT2，经第一基于光栅的空间姿态无源测头CT1和第二基于光栅的空间姿态无源测头CT2的衍射光平行于入射光返回第一分光镜BS1合成一束光后发射到第二分光镜BS2，返回的光脉冲中包含了因第二基于光栅的空间姿态无源测头CT2角度变化引起的光谱相位变化信息。

第二光频梳2发出的光脉冲发射到第二分光镜BS2，经第一分光镜BS1合成一束光与第二光频梳2发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号。多外差干涉信号发送到光学带通滤波器BPF进行滤波处理，其中，带通滤波器BPF的中心波长需设置在两个光频梳光谱重叠的范围内，确保多外差干涉信号能有效地滤出。经光学带通滤波器BPF滤波后的信号被光电探测器PD探测，光电探测器PD将探测的干涉信号进行光电转换后经电学低通滤波器LPF由数据采集卡3发送到信号处理系统4。

信号处理系统4通过傅里叶变换得到参考臂返回光脉冲、测量臂返回光脉冲分别与第二光频梳干涉信号的相位频谱，并通过二者之差得到设置在测量臂中的第二基于光栅的空间姿态无源测头CT2返回的光脉冲的光谱相位，进而得到第二基于光栅的空间姿态无源测头CT2的姿态角度。

在一个优选的实施例中，如图2所示，上述基于光栅的空间姿态无源测头可以为光栅角锥测头，包括一个角锥棱镜11和一面透射二维光栅12，透射二维光栅12的出光面与角锥棱镜11的底面固定连接，入射光a以某个角度入射到透射二维光栅12(本实施例的入射角度与透射二维光栅12垂直，实际使用此角度可以是入射光与透射二维光栅12接近垂直即可，例如入射光与z的夹角范围为-5°到+5°)，经透射二维光栅12产生的第一次衍射光a₁和a₂分别由角锥棱镜11反射三次(由于图2为平面图只显示反射2次，实际角锥棱镜11的三个侧面均进行一次反射)，角锥棱镜11的出射光b₁和b₂与第一次衍射光a₁和a₂分别平行，角锥棱镜11的出射光b₁和b₂经透射二维光栅12发生第二次衍射，经透射二维光栅12出射的第二次衍射光c₁和c₂与原始入射光a相互平行，本实施例的入射光a与出射光(c₁和c₂)均在透射二维光栅12的一侧。本发明对角锥棱镜11的尺寸没有具体限制，可以根据与实际应用进行选择，但是考虑到实际测量中光束存在一定口径，透射二维光栅12需要能够覆盖角锥棱镜11的底部，本发明需要满足出射光与入射光在空间上能够错开。为了保证衍射光经角锥棱镜11可以恰好反射三次平行出射，进入角锥棱镜11的衍射光线与z轴夹角不得大于26.56°，即对光经过透射二维光栅12时的衍射角θ有一定限制。根据光栅方程对光栅周期d和光波长λ的关系有一定限制，当考虑入射光垂直透射二维光栅面时，应当满足：

本实施例的基于光栅的空间姿态无源测头即光栅角锥测头对满足上述条件的所有波长的光均适用，也就是说，本实施例的光栅角锥测头既可以适用单色光也可以使用宽带光，但是不管是单色光还是宽带光，经透射二维光栅12出射的所有不同波长的第二次衍射光均与原始入射光相互平行。

在一个优选的实施例中，如图3所示，基于光栅的空间姿态无源测头还可以采用参数相同的一个透射二维光栅和一个反射二维光栅进行实现，其包括透射二维光栅13和反射二维光栅14，透射二维光栅13与反射二维光栅14平行设置，且透射二维光栅13与反射二维光栅14之间有一定的间距。入射光a以接近垂直的角度入射到透射二维光栅13，经透射二维光栅13产生的零级衍射光a’入射到反射二维光栅14上，正负一级衍射光a₁和a₂发射到透射二维光栅13上，经反射二维光栅14出射的第二次衍射光c₁和c₂与原始入射光a相互平行，其中，透射二维光栅13与反射二维光栅14之间的距离不做限定，只要满足反射二维光栅14的衍射光线能够入射到透射二维光栅13上即可，本实施例的入射光a和出射光(c₁和c₂)分布在基于光栅的空间姿态无源测头的同侧。本实施例和上述实施例中的空间姿态测量装置的测量原理是完全相同。

由于基于光栅的空间姿态无源测头的测量原理相同，下面以光栅角锥测头为例进一步说明本发明如何通过测量出射光光谱相位变化实现光栅角锥测头的空间姿态角度测量。光栅角锥测头可以对入射光发生衍射，且同一级衍射光中不同波长分量产生不同的衍射角，从而走过不同的光程导致光波相位随波长的规律变化，实现对不同波长光的线性相位调制。本发明以透射二维光栅周期方向建立坐标系。本发明将所有透射二维光栅定义为x-y平面，垂直于透射二维光栅定义为z轴。如图4、图5所示，利用反射镜的镜像成像特点，可以等效地将入射光和透射二维光栅面经角锥棱镜11做了三次镜像得到入射光虚像a’和二维光栅的虚像12’，从而得到等效的透射二维光栅对。假设初始垂直透射二维光栅面的入射光绕y轴旋转了小角度α_y，绕x轴旋转了小角度α_x，因此在光栅坐标系中入射光的波矢为k_inc＝k(sinα_y,sinα_xcosα_y,cosα_xcosα_y)^T。假设在光栅坐标系中第(m,n)级衍射光波矢为θ和是空间球坐标系中衍射光波矢k_mn的方位角。

本发明的双光梳精密测角方法可以实现基于光栅的空间姿态无源测头的高精度、大范围的角度测量。由于相位对波长的斜率不受傅里叶变换相位的范围限制，因此本发明通过测量相位对波长的斜率得到所测角度(例如α_y)的粗测绝对值A，最终要测的α_y的精确值可表示为非模糊角度范围R的m倍(m为整数)加上一个非模糊角度范围内的小角度S，即α_y＝mR+S。非模糊角度范围内的小角度S可利用单个谱线相位值与S的线性关系计算得到。上述粗测和精测相结合的方法与干涉仪测长中粗测与精测结合的方法类似。下面详细说明本发明的双光梳精密测角方法姿态角度的具体计算过程。

1)采用光频梳多外差干涉光谱范围内单个谱线相位值进行非模糊角度范围内的小角度S计算：

假设光频梳多外差干涉光谱范围内第i条谱线对应的光波长为λ_i，透射二维光栅12的两个方向上的光栅常数都为d，则由二维光栅方程：

通过上述公式，可以建立光栅角锥测头空间姿态角(α_y,α_x)和衍射光方位角的关系，从而可以实现所有波长光线的追迹。由于二维光栅对垂直间距固定θ和的变化会引起光波在x方向和y方向上的光程即光波相位的变化，最终通过干涉法获取光波相位以方便测头的空间姿态角(α_y,α_x)的测量。经过一次衍射后光线再一次通过透射二维光栅，经过透射二维光栅后第(-m,-n)级衍射光与最初的入射光平行。从光源出发到进入光电探测器的总光程量由θ和以及透射二维光栅尺寸决定。为了分析方便，本发明只考虑绕y轴的旋转角度α_y，绕x轴的旋转角α_x测量原理与α_y相同，不再赘述。

如图6所示，光栅法线与水平方向成小角度α_y。考虑x轴上分布的(±1,0)级衍射光，其光栅方程为：

dsinα_y±d sinθ＝±λ_i

式中，d为光栅周期，θ为级衍射光的出射角。以图中衍射光为例，P为入射点，Q为出射点，在水平距离L内，该波长光走过的几何距离分为两部分，即光栅对之间与光栅之外，因此光波走过的几何距离为：

式中，D为光栅对间距，为一常数。考虑与α_y＝0时的几何距离之差，并转换成相位值，进行近似得到：

综上所述，可以看到出射光相位变化与旋转的小角度为一线性关系。由于当α_y＝0时±1级衍射光的情况完全相同，因此可以探测另一级出射光信号相位变化与相减消去α_y＝0时候的初值得到：

式中，F为放大因子，取D＝0.055m，d＝3μm，λ_i＝1.025μm时F约为6.5×10^-5。如果测相精度达到1°，就可以得到1μrad的测角精度，此时得到的α_y即为非模糊角度范围内的小角度S的计算结果。

2)粗测绝对值A的计算：

本发明综合利用光频梳多外差干涉光谱范围内一系列谱线对应的一系列波长λ₁,λ₂,…,λ_j和其对应的相位的关系来扩展旋转角度的测量范围，假设光频梳多外差干涉光谱对应的中心波长为λ_c，对各个谱线对应的相位和相应的波长值进行直线拟合，得到直线斜率为A，则：

3)空间姿态无源测头的姿态角度α_y：

由于通过时域信号的傅里叶变换得到的相位值在-π～π，超过该范围的绝对相位值无法得到，因此所测旋转角α_y存在一个有限非模糊角度范围R＝2πF。

m＝[A/R]，“[]”表示取整运算

α_y＝mR+S。

综上所述，本发明的双光梳精密测角方法由于使用二维光栅，可同时测量偏摆角α_x和俯仰角α_y。当位相测量分辨率在1度时，对应姿态角的分辨率为1μrad，可以满足许多应用的使用要求。另外，本发明通过测量相位对波长的斜率，可以解决位相测量超过2π引入的位相模糊问题，从而扩大测量范围。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各个步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种双光梳精密测角方法，其特征在于包括以下内容：

设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳；

第一光频梳发出的光脉冲分成两束分别经由设置在测量臂和参考臂的基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；

合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号进行处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度；

所述基于光栅的空间姿态无源测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

2.一种双光梳精密测角方法，其特征在于包括以下内容：设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳；

第一光频梳发出的光脉冲分成两束分别经由设置在测量臂和参考臂的基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；

合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号进行处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度；

所述基于光栅的空间姿态无源测头包括参数相同的透射二维光栅和反射二维光栅，所述透射二维光栅和反射二维光栅平行设置，且所述透射二维光栅与所述反射二维光栅之间有一定的间距；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述反射二维光栅，经所述反射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

3.如权利要求1或2所述的一种双光梳精密测角方法，其特征在于，姿态角度为俯仰角和/或偏摆角。

4.如权利要求3所述的一种双光梳精密测角方法，其特征在于，俯仰角或偏摆角为：

其中，

式中，“[]”表示取整运算，A为粗测绝对值，F为放大因子，S为多外差干涉光谱范围内单个谱线相位值进行非模糊角度范围内的小角度。

5.一种双光梳精密测角系统，其特征在于，该测角系统包括两光频梳、两基于光栅的空间姿态无源测头、光电探测器和信号处理系统；

第一光频梳发出的光脉冲分成两束，其中一束光脉冲入射到设置在参考臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头，另一束光脉冲入射到设置在测量臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头，两所述基于光栅的空间姿态无源测头的衍射光平行于入射光返回合成一束光；

第二光频梳发出的光脉冲与合成光束发生干涉得到多外差干涉信号，多外差干涉信号滤波后被所述光电探测器探测，所述光电探测器将探测的干涉信号进行光电转换后发送到所述信号处理系统；

所述信号处理系统通过傅里叶变换得到参考臂返回光脉冲、测量臂返回光脉冲分别与所述第二光频梳干涉信号的相位频谱，并通过二者之差得到设置在测量臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头返回光脉冲的光谱相位，进而得到其姿态角度；

所述基于光栅的空间姿态无源测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

6.一种双光梳精密测角系统，其特征在于，该测角系统包括两光频梳、两基于光栅的空间姿态无源测头、光电探测器和信号处理系统；

第一光频梳发出的光脉冲分成两束，其中一束光脉冲入射到设置在参考臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头，另一束光脉冲入射到设置在测量臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头，两所述基于光栅的空间姿态无源测头的衍射光平行于入射光返回合成一束光；

第二光频梳发出的光脉冲与合成光束发生干涉得到多外差干涉信号，多外差干涉信号滤波后被所述光电探测器探测，所述光电探测器将探测的干涉信号进行光电转换后发送到所述信号处理系统；

所述信号处理系统通过傅里叶变换得到参考臂返回光脉冲、测量臂返回光脉冲分别与所述第二光频梳干涉信号的相位频谱，并通过二者之差得到设置在测量臂的所述基于光栅的空间姿态无源测头返回光脉冲的光谱相位，进而得到其姿态角度；

所述基于光栅的空间姿态无源测头包括参数相同的透射二维光栅和反射二维光栅，所述透射二维光栅和反射二维光栅平行设置，且所述透射二维光栅与所述反射二维光栅之间有一定的间距；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述反射二维光栅，经所述反射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。