CN107917680B - 基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，属于智能监测领域。利用闪耀光栅1级衍射光谱序列的光谱特征进行微小角度的快速识别。采用Y型光纤自准直系统实现对闪耀光栅旋转角度变化即角位移的识别。该方法主要包括以下步骤：搭建基于Y型光纤自准直光路角位移识别系统；基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，确定闪耀光栅衍射光谱特征与角位移关系；提出一种基于两个闪耀光栅的差分式角位移识别原理及系统，确定了基于差分式双闪耀光栅衍射光谱互相关谱分析的角位移辨识方法。本发明方法结构简单、识别快速，提出的差分式结构还有助于提高灵敏度，减少外界干扰。

Description

基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法

技术领域

本发明属于传感领域，具体提出了一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法。

背景技术

衍射光栅广泛应用于光谱学、无线电天文学、集成光学、光通讯、信息处理及精密计量等不同的领域。普通的衍射光栅各级光谱线的强度随级次的增加而减小，特别是无色散的零级占了大部分的光能量，而实际使用的非零级光谱的强度却比较弱。闪耀光栅通过将刻槽面与光栅面形成角度即所谓的闪耀角，从而使单个刻槽面衍射衍射的中央主极大和诸槽面间干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大，即零级光谱，转移并集中到某一级光谱上去。

传统的角位移测量方法主要有机械式和电磁分度式两种。机械式以多齿分度台为代表。电磁分度测角技术以圆磁栅测角为代表，利用多面棱体检定系统。传统的方法具有高准确度和高灵敏度等特点，但大多数为手工测量，不容易实现自动化，使用范围受到限制。现代测角方法所采用的原理、精度、分辨率等各有不同，按其原理可分为电测法、光学法、电磁法等。其中，光栅方法应用较广，测角型光栅动栅和定栅来形成莫尔条纹。利用光敏管对莫尔条纹信号进行检测处理后获得运动物体的角位移。还有使用纯光学的高精度测角方法，这些方法大部分是利用干涉法来保证测量精度。目前存在的光学测角方法主要有P.S.Huang等人提出的内反射法，基于Sagnac效应的环形激光器法以及测量精度最高的激光干涉法。但是这些方法所需光路调整繁琐，光学元器件需要精密加工。国内还有利用变栅距光栅进行角度识别，其原理是利用闪耀光栅不同位置栅距的变化，起到对宽带复色光进行滤波的作用，将具有这种特性的光栅制成圆筒状，从而实现对不同旋转角位移的识别，但变栅距光栅研制较为困难且成本很高。

基于上述分析，本发明提出一种基于闪耀光栅以及差分原理的小角度快速识别方法，相较于传统电学和光学方法，且抗干扰能力强、结构简单、灵敏度较高，为小角度测量提供了一种新颖的技术解决方案。

发明内容

发明目的：目前存在的光学测角方法系统搭建复杂、成本高且不易于实现在线监测。针对这些问题，本发明所采用方法结构简单、抗干扰能力强、灵敏度高、易于与在线监测系统集成。进一步丰富传统的角度测量技术解决方案，本发明提供一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法。

该方法通过对闪耀光栅一级衍射光谱的测量，推算出相应的角位移，实现对小角度的快速识别。提出的差分式双闪耀光栅角度辨识原理及系统，还可提高灵敏度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用一个闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用Y型光纤搭建自准直光路系统

本发明自准直光路系统由宽带光源、Y型光纤、准直镜、闪耀光栅、光谱分析仪五大部分组成；Y型光纤含有两分叉端和一个公共端；宽带光源与Y型光纤光源入射端相连；Y型光纤出射公共端与准直镜直接耦合相连；Y型光纤衍射光出射端与光谱仪相连；宽带光由Y型光纤的光源入射端耦合进入光纤后传输至公共端，公共端与准直镜直接耦合，宽带光经由准直镜以与闪耀光栅衍射表面法线成θ₁角度入射射向闪耀光栅的旋转中心，部分衍射光沿原路返回经准直镜进入Y型光纤公共端，最后衍射光从Y型光纤衍射光出射端耦合出射至光谱分析仪；1级衍射光谱分布在闪耀方向一侧，闪耀光栅旋转时准直镜所在侧也即入射光线应为闪耀方向这一侧；通过光谱分析仪对衍射光出射端光谱特征的识别即可得到对应的闪耀光栅旋转角度θ₁，θ₁还定义为入射光与闪耀光栅衍射表面法线之间夹角即入射角，也即所需识别角位移；

步骤二：基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，也即与被测角度相关的衍射光谱。

闪耀光栅夫琅禾费(Fraunhofer)衍射光强公式为：

其中，

式中，i₀为入射光强度，θ₁为入射光线与闪耀光栅宏观平面法线之间夹角即入射角，θ₂为衍射光线与闪耀光栅宏观平面法线之间夹角即衍射角，γ为闪耀光栅的闪耀角度；a表示闪耀面宽度，d表示闪耀光栅的光栅栅距，λ为入射宽带光波长，N为衍射单元总数；

将入射宽带光按步骤一的自准直光路系统照射闪耀光栅衍射表面，得到按入射光原路返回的衍射光(14)，这时有θ₁＝θ₂，夫琅禾费衍射光强分布公式改为：

其中，

1级衍射光谱分布角度范围为闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向一侧，则闪耀光栅转角也即识别角度范围为0到π/2，也就是衍射角θ₂取值为0≤θ₂≤π/2；闪耀光栅刻线密度取定为n，得d＝1/n，取a＝d；取定闪耀角值为γ宽带入射光波长范围取λ_l≤λ≤λ_r(λ_l≤λ_r)，λ_l为实际使用宽带光源带宽的下限，λ_r为实际使用宽带光源带宽的上限，入射光强度i₀取单位1，衍射单元总数取定值为N；

将上述数据代入衍射光强分布公式计算得到光强I、衍射角θ₂、宽带入射光波长λ三者关系的三维曲面图，也即衍射光谱序列三维分布图；通过改变闪耀角度和闪耀光栅栅距之间结构参数属性，根据数值仿真结果，可以观察1级闪耀光谱序列出现光强最高峰，此最高峰对应的波长为一级闪耀波长λ_b，最高峰对应的角度即为闪耀光栅闪耀角γ；

由闪耀光栅夫琅禾费衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，衍射光强度以闪耀波长λ_b为中心，闪耀波长λ_b处光谱强度最强，向两端光强逐渐减小直至为零；通过步骤2-1至步骤2-4即可提取与衍射角变化相关的衍射光谱特征，对闪耀光栅衍射角的识别即实现对闪耀光栅角位移的识别；

步骤2-1、闪耀光栅衍射光谱特征波长偏移量与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，以一级闪耀波长为中心的1级光谱序列峰值波长偏移量与衍射角之间近似呈线性关系，随着衍射角度的增加，峰值波长向长波方向偏移并逐渐变大；通过识别出此时的衍射光谱峰值波长可得到对应的闪耀光栅旋转角度变化，此旋转角即表征了物体实际角位移，即实现对角位移的识别；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，θ_min和θ_max在衍射光谱上又分别对应着最小波长λ_min和最大波长λ_max，这就确定了波长偏移与角位移变化关系曲线的两个端点，当角位移从θ_min至θ_max变化时，衍射光峰值波长从λ_min至λ_max变化；通常θ_min至θ_max范围选取靠近闪耀角γ以期获得较强衍射光强，但同时可识别角度范围也会因此缩小，此时由峰值波长偏移量λ_min至λ_max实现针对θ_min至θ_max范围内角度的识别；

按权利要求1步骤一搭建好光路后，在闪耀光栅一侧发生自准直照射和衍射；此时围绕旋转轴旋转闪耀光栅，使宽带光束入射角为θ₁＝θ_min且入射光斑始终位于旋转轴线上，在衍射光出射端采用光谱分析仪观察到衍射光波长发生偏移且θ₁＝θ_min处峰值波长为λ_min；继续旋转闪耀光栅使得宽带光束入射角增大至θ₁＝θ_max且入射光斑始终位于旋转轴线上，可在光谱仪上观察到波长偏移且θ₁＝θ_max处峰值波长为λ_max；通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值波长λ_p与角位移θ关系曲线：

λ_p＝ζ₁θ+ζ₂ (3)

其中，ζ₁、ζ₂为相关系数；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤2-2、闪耀光栅衍射光谱特征峰值强度与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度分布存在最大值，峰值强度分布最大值处对应衍射角为γ；

当随被测目标旋转的闪耀光栅旋转角也即入射角θ₁<γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐变大，呈现单调递增特点；当光栅旋转角也即入射角θ₁>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐减小，即1级衍射光谱序列的峰值强度分布与衍射角度变化量之间呈现单调递减关系；通过对1级衍射光谱序列的峰值强度大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角也即角位移的识别；

在θ₁<γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处I_min所对应角度选定为θ_min，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处I_max对应角度可选定为θ_max，此时可由峰值强度I_min到I_max实现对θ_min到θ_max范围内角度的识别；

在θ₁>γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处I_max对应角度可选定为θ_min，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处I_min对应角度可选定为θ_max，此时可由光强大小I_max至I_min实现对θ_min到θ_max范围内角位移的识别，这与在θ₁<γ范围内的情况刚好相反；

以上两种情况，都通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值强度与角位移关系曲线：

其中，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为相关系数，I为光谱峰值强度；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤2-3、闪耀光栅衍射光谱包络面积与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，1级衍射光谱序列包络面积存在最大值，面积最大值处对应衍射角度设为γ；

在衍射角θ₂<γ范围内，随着光栅旋转角度也即衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱包络面积逐渐变大，呈现单调递增特点；当衍射角θ₂>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱包络面积逐渐减小，即1级衍射光谱的包络面积与闪耀光栅旋转角也即衍射角度变化量之间呈单调递减关系；通过对1级衍射光谱的光谱包络面积大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角θ₁即角位移的识别；

在θ₁<γ范围内，1级衍射光谱的光谱包络面积最小处S_min所对应角度可选定为θ_min，1级衍射光谱的光谱包络面积最大处S_max对应角度可选定为θ_max，此时可由光谱包络面积实现对θ_min到θ_max范围内角度的识别；

在θ₁>γ范围内，1级衍射光谱的光谱包络面积最大处S_max对应角度设为θ_min，1级衍射光谱的光谱包络面积最小处S_min对应角度为θ_max，此时可由衍射光谱强度曲线包络面积大小实现对闪耀光栅旋转角度也即衍射角θ_min到θ_max范围内角度的识别；

以上两种情况，都通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到闪耀光栅衍射光谱包络面积与角位移关系曲线：

其中，ν₁、ν₂、ν₃、ν₄为相关系数，S为衍射光谱包络面积；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤2-4、闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移关系曲线的确定

由夫琅禾费衍射光强公式仿真可知，在确定的闪耀光栅旋转角度也即确定的衍射角θ₂下，宽带入射光波长范围内存在与该旋转角对应的光强分布，这里定义闪耀光栅衍射光谱强度最大幅值的一半位置处对应波长之差为半波宽度；通过仿真计算得到，该衍射光谱主瓣的半波宽度随着闪耀光栅旋转角度的变化而变化，即随着衍射角度的变大，衍射光谱主瓣的半波宽度也逐渐变大，即闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移近似呈线性关系，通过识别某一时刻的衍射光谱的半波宽度即可反推出对应的衍射角即角位移；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，θ_min处对应的衍射光谱主瓣半波宽度为W_min,θ_max处对应的衍射光谱主瓣半波宽度为W_max，此时由W_min至W_max实现对θ_min到θ_max范围内角位移的识别；通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到衍射光谱半波宽W_FWHM与角位移θ关系曲线：

W_FWHM＝ψ₁θ+ψ₂ (6)

其中，ψ₁、ψ₂为相关系数，W_FWHM为半波宽度；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤三：闪耀光栅旋转方向的确定，也即识别角位移方向的确定

上述步骤2-1中，通过闪耀光栅衍射光谱峰值波长的偏移方向来判定闪耀光栅的旋转方向；假设当衍射光谱峰值波长向波长值变大方向偏移也即向长波方向偏移时，规定此时闪耀光栅旋转方向为正，则当闪耀光栅旋转方向为负时，闪耀光栅衍射光谱向短波方向偏移，反之亦然；

上述步骤2-2中，在θ₁<γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱峰值强度变大的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱峰值强度变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；在θ₁>γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱峰值强度变小的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱峰值强度变大时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

上述步骤2-3中，在θ₁<γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱包络面积变大的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱包络面积变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；在θ₁>γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱包络面积变小的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱包络面积变大时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

上述步骤2-4中，通过闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度的大小变化方向来判定闪耀光栅的旋转方向；假设闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度变大方向规定为正向，则当闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然。

所述的基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，其特征在于：所述Y型分叉光纤由数量为1:6的光纤束扎制而成，即光源入射端为一根200μm光纤，衍射光出射端为6根200μm光纤组成的光纤束。

所述的基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，其特征在于：

步骤二中还包括以下过程：在对闪耀光栅衍射光强分布特征进行数值模拟时，每次都是人为取定闪耀光栅结构参数：闪耀角、刻线密度固定值进行计算仿真绘制三维图；不同结构参数的闪耀光栅的仿真结果不同，即对应的衍射角度范围也不同，同时，实际宽带入射光波长范围一般有限，仿真过程中波长范围的取定要根据实际做适当调整，直至各参数选择最优化；

对于确定的闪耀光栅，数值仿真时代入结构参数后通过调整入射光波长范围仿真得到光强分布三维图，即得到的光强三维图较为完整，无其他级次序列光谱干扰，由此确定可识别衍射角分布范围，且θ_min选定时对应的衍射光谱光强应大于零，θ_max对应的衍射光谱光强也应大于零，也即角度选择范围应在衍射光谱分布光强大于零的地方选取；光谱分析仪测得光谱曲线的强度范围需要根据光源的功率做适当调整以适应光谱分析仪量程，使得光谱分析仪能够最大限度采集光谱分布信息；步骤二中所指峰值光强大小为光谱仪量程范围内。

4、一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用差分式双闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：差分式双闪耀光栅角度辨识原理及系统构建

选定所要测量的旋转平面(26)，将两个闪耀光栅(27、28)水平并排平行放置，使两闪耀光栅的旋转轴(25)共轴且两个闪耀光栅的闪耀方向(23、24)相反；此时，采用两束宽带光分别沿每个闪耀光栅的闪耀方向一侧入射(21、22)；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，对两闪耀光栅分别选定光栅旋转角度范围也即衍射角度范围θ_min至θ_max；对其中某一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_min角度入射，对另一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_max角度入射；

当这两个并行的闪耀光栅同时发生旋转时，其中一个闪耀光栅的衍射光谱会向长波方向偏移，另外一个闪耀光栅的衍射光谱会向短波方向偏移；这样，对同一个角位移变化量Δθ，会存在两个不同方向的衍射光谱特征变化ΔC；

假设对于所有闪耀光栅衍射光谱特征识别角位移有：

C＝μ₁θ+k_TΔT+f_ζΔt (7)

其中，C为闪耀光栅衍射光谱特征量，μ₁为灵敏度系数，k_T为温度系数，ΔT为温度变化量，f_ζ为与闪耀光栅材料和外界扰动相关的阻尼函数，Δt为时间常数；则有：

C₊＝μ₁(θ₀+Δθ)+k_TΔT+f_ζΔt (8)

C_-＝μ₁(θ₀-Δθ)+k_TΔT+f_ζΔt (9)

由(8)～(9)可得：

ΔC＝C₊-C_-＝2μ₁Δθ (10)

由公式(11)可知，通过利用差分式双闪耀光栅衍射光谱特征来识别角位移，使得灵敏度提高一倍；同时，有助于消除或补偿被测目标服役环境存在的温度变化以及外界振动噪声引起的漂移；

步骤二：基于差分式双闪耀光栅衍射光谱互相关谱分析的角位移辨识方法

按步骤一构建差分式双闪耀光栅角度辨识系统；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，对两闪耀光栅分别选定光栅旋转角度范围也即衍射角度范围θ_min至θ_max；对其中某一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_min角度入射，对另一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_max角度入射；

当这两个闪耀光栅同时发生旋转时，其中一个闪耀光栅的衍射光谱会向长波方向偏移，另外一个闪耀光栅的衍射光谱会向短波方向偏移；将这两个衍射光谱信号做互相关分析：

其中，表示互相关计算，(·)^*表示取共轭；

根据数值仿真发现，随着两个闪耀光栅的同时旋转，衍射角度在θ_min至θ_max之间变化，其互相关后的结果也为一类似于衍射光谱的强度曲线图，该曲线图亦有峰值；且由此数值仿真结果可知，该互相关谱峰值也会发生偏移；通过识别两个衍射光谱的互相关谱特征，即可实现对闪耀光栅旋转角度也即角位移的识别；

采用实验标定方法，对所测量数据进行拟合，可以得到互相关谱峰值波长偏移量与角位移关系曲线：

λ^*＝ρ₁θ+ρ₂ (13)

其中，ρ₁、ρ₂为相关系数，λ^*定义为互相关波长即互相关谱峰值处对应的横坐标值；最大识别角度为θ_max-θ_min。

有益效果：本发明提供的基于闪耀光栅衍射光谱特征提取的小角度辨识方法，该方法通过利用闪耀光栅的1级衍射光谱序列特征与衍射角度变化量之间的特性关系，以自准直光路系统测得的衍射光谱序列特征可快速求得衍射角的值即对角度变化进行了快速识别。本发明适用于对角位移进行识别的结构健康监测和传感领域，所具备的优点是：首先，相较于传统的角位移电学测量方法，抗干扰能力强；其次，采用基于闪耀光栅衍射光谱特征辨识的角位移测量方法，可以根据多种衍射光谱特征参量的变化来辨识角位移变化信息；再次，相较于变栅距光栅方法，成本较低；最后，采用差分式双闪耀光栅角度辨识原理及系统，不仅可以提高传感器的灵敏度，还有助于消除或补偿被测目标服役环境存在的温度变化以及外界振动噪声引起的漂移，测试手段较为新颖，丰富了角位移的测量手段。

所述的基于闪耀光栅衍射光谱特征提取的小角度辨识方法，其特征在于：所述1步骤一中的Y型光纤由两根光纤制作而成，或由光纤束制作而成。不同种类的Y型分叉光纤将对光路传输系统的性能有很大影响。光纤束制作而成的Y型分叉光纤的传输光功率要比由单根光纤制作而成的Y型分叉光纤传输光功率大的多，可减小光能的损耗，同时使得照射在闪耀光栅表面的入射光强度更强，接收衍射光的能力更强，提高系统的性能。

所述的基于闪耀光栅衍射光谱特征提取的小角度辨识方法，其特征在于：所述Y型分叉光纤由数量为1:6的光纤束制作而成，即光源入射端为一根200μm光纤，衍射光出射端为6根200μm光纤组成的光纤束。此种Y型分叉光纤入射端取单根光纤可使最终从Y型光纤公共端出射的光斑足够小，使得衍射光斑足够窄以便于Y型光纤公共端的接收，提高系统性能；衍射光出射端为6根光纤组成的光纤束，可以增大衍射光的接收面积，使得光谱仪可以接收更多光能的衍射光，提高系统性能。

所述的基于闪耀光栅衍射光谱特征提取的小角度辨识方法，其特征在于：所述1步骤二中还包括以下过程：在对闪耀光栅衍射光强分布特征进行数值仿真时，每次都是取定闪耀光栅结构参数：闪耀角、刻线密度固定值进行计算仿真绘制三维图；不同结构参数的闪耀光栅的仿真结果不同，即对应的识别衍射角度范围也不同，同时，实际宽带入射光波长范围一般有限，仿真过程中波长范围的取定要做适当调整，直至各参数选择最优化；对于确定的闪耀光栅，数值仿真时可以代入结构参数后通过调整入射光波长范围仿真得到光强分布最优三维图，由此确定可识别衍射角分布范围，且θ_min选定时对应的衍射光谱光强应大于零，θ_max对应的衍射光谱光强应大于零，也即角度选择范围应在衍射光谱分布光强大于零的地方选取；步骤二中，光谱仪测得光谱曲线的强度范围需要根据光源的功率做适当调整，使得光谱仪能尽力测得更多光谱分布；步骤二中所指峰值光强大小为光谱分析仪量程范围内。

附图说明

图1为闪耀光栅结构原理图；

图2为单闪耀光栅角位移测量系统原理图；

图3为根据夫琅禾费衍射光强公式进行数值三维仿真的俯视图；

图4为14～28°光谱随衍射角变化仿真图；

图5为实验测得14.27°～29.17°范围内衍射光谱随衍射角变化偏移图；

图6为闪耀光栅衍射光谱强度与衍射角位移变化仿真图；

图7为闪耀光栅衍射光谱曲线面积与衍射角度位移变化仿真图；

图8为衍射光谱半波宽度与角位移关系曲线仿真图；

图9为差分式双闪耀光栅结构原理图；

图10为两个闪耀光栅衍射光谱的互相关谱仿真图；

图中标号名称：1表示闪耀光栅闪耀面；2表示闪耀光栅闪耀角；3表示闪耀光栅基体；4表示闪耀面法线；5表示入射光线；6表示衍射光线；7表示衍射光线与光栅宏观平面法线所成的角即衍射角；8表示入射光线与光栅宏观平面法线所成的角即入射角；9表示闪耀光栅宏观平面法线；10表示闪耀光栅旋转中心及方向；11表示闪耀光栅闪耀方向；12表示闪耀光栅衍射表面；13表示闪耀光栅旋转轴处垂直平分线；14表示入射和衍射光线；15表示将Y型光纤出射光进行准直射出并接收同方向衍射回来衍射光的准直镜；16表示Y型传输光纤公共端；17表示Y型传输光纤光源入射分叉端；18表示Y型传输光纤衍射光出射分叉端；19表示宽带光源；20表示光谱分析仪；21表示入射光线1和衍射光线1；22表示入射光线2和衍射光线2；23表示闪耀方向1；24表示闪耀方向2；25表示旋转轴；26表示转转平面；27表示闪耀光栅1；28表示闪耀光栅2；a表示闪耀面宽度，d表示闪耀光栅的光栅栅距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

1、一种基于闪耀光栅衍射光谱特征提取的小角度辨识方法，使用一个闪耀光栅构建角位移识别系统。包括以下步骤：

步骤一：使用Y型光纤搭建本发明所需自准直光路系统

自准直光路系统由宽带光源、Y型光纤、准直镜、闪耀光栅、光谱仪五大部分组成，其中闪耀光栅的结构如说明书附图1所示，基于Y型光纤的单个光栅角位移识别系统如说明书附图2所示；Y型光纤含有两分叉端和一公共端，两个分叉端分别为光源入射端和衍射光出射端；宽带光源与Y型光纤光源入射端相连；Y型光纤出射公共端与准直镜直接耦合相连；Y型光纤衍射光出射端与光谱仪相连；宽带光由Y型光纤的光源入射端耦合进入光纤传输至准直镜，宽带光经由准直镜以与闪耀光栅衍射表面法线成θ₁角度入射射向闪耀光栅的旋转中心，部分衍射光沿原路返回经准直镜进入Y型光纤公共端，最后衍射光从Y型光纤衍射光出射端耦合出射至光谱分析仪；

经准直镜出射的宽带光水平照射到闪耀光栅表面且光线所在平面为与闪耀光栅刻线方向垂直的中平面；准直镜与闪耀光栅表面之间距离只影响准直镜接收衍射光光强的大小，距离越近，衍射光强越强，在光谱分析仪上显示光谱强度越强；

同时，1级衍射光谱应在闪耀方向一侧，闪耀光栅旋转时准直镜所在侧应只为闪耀方向这一侧；通过光谱分析仪对衍射光出射端光谱特征的识别即可得到对应的衍射角即闪耀光栅旋转角度θ₁，也即所需识别角位移；

步骤二、基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，也即与被测角度相关的衍射光谱；

闪耀光栅夫琅禾费衍射光强公式为：

其中，

式中，i₀为入射光强度，θ₁为入射光与闪耀光栅法线之间夹角即入射角，θ₂为衍射光与闪耀光栅法线之间夹角即衍射角，γ为闪耀光栅的闪耀角度；a表示闪耀面宽度，d表示闪耀光栅的栅距，λ为入射光波长，N为衍射单元总数；

将入射宽带光按步骤一的自准直光路系统照射闪耀光栅衍射表面，得到按入射光原路返回的衍射光，这时θ₁＝θ₂，衍射光强分布公式改为：

其中，

1级衍射光谱分布角度范围为闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向一侧，则闪耀光栅转角也即识别角度范围为0到π/2，也就是衍射角θ₂取值为0≤θ₂≤π/2；闪耀光栅刻线密度取定为n＝1200grooves，得取a＝d；取定闪耀角值γ≈0.47rad(闪耀波长λ_b＝750nm)，宽带入射光波长范围为200nm≤λ≤2000nm；将上述数据代入光强分布公式计算得到光强I、衍射角θ₂、宽带入射光波长λ三者三维曲面，三维曲面俯视图如说明书附图3所示，由图可知1级闪耀光谱序列出现最高峰，此最高峰处对应的波长为闪耀波长λ_b＝750nm，对应的角度即为闪耀角γ≈0.47rad。在入射宽带光波长范围内，衍射光强度以闪耀波长λ_b为中心，闪耀波长λ_b光谱强度最强，两端衍射光强逐渐减小。

步骤2-1、闪耀光栅衍射光谱特征波长偏移量与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，以一级闪耀波长为中心的1级光谱序列峰值波长偏移量与衍射角之间近似呈线性关系，随着衍射角度的增加，峰值波长向长波方向偏移并逐渐变大；通过识别出此时的衍射光谱峰值波长可得到对应的闪耀光栅旋转角度变化，此旋转角即表征了物体实际角位移，即实现对角位移的识别；

取定闪耀角值γ≈0.47rad，闪耀光栅刻线密度n＝1200grooves，宽带光入射波长范围为500～2000nm；以闪耀角γ为中心基准，选定最小衍射角θ_min和最大衍射角θ_max；由θ_min和θ_max确定对应波长变化范围λ_min和λ_max，θ_min至θ_max范围没有固定的选取值，通常选取较小以期获得较强衍射光强，但同时可识别角度范围也会因此缩小，实际应用中也需要根据设备性能进行选定。如说明书附图3所示为光强分布三维曲面的俯视图即衍射角度变化与入射宽带光波长关系二维图，相关参量设定如图上标注所示。说明书附图4所示为选定角度在θ_min＝14°和θ_max＝28°之间变化时，随着角度增加峰值波长从λ_min＝400nm至λ_max＝800nm仿真偏移图。说明书附图5所示为选定角度在14.27～29.17°之间变化时，随着角度增加峰值波长从400nm～800nm实验偏移图；

步骤2-2、闪耀光栅衍射光谱特征峰值强度与角位移关系曲线的确定。

通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围500～2000nm内，当衍射角度为闪耀角γ时，对应1级衍射光谱序列的峰值强度最大，如说明书附图6所示为14°至28°范围内，闪耀光栅衍射光谱强度与衍射角位移变化仿真图；

当随被测目标旋转的闪耀光栅旋转角也即入射角θ₁<γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐变大，当光栅旋转角也即入射角θ₁>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐减小，即1级衍射光谱序列的峰值强度分布与衍射角度变化量之间呈单调关系；通过对1级衍射光谱序列的峰值强度大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角也即角位移的识别；

在θ₁<γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处I_min所对应角度设为θ_min，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处I_max对应角度为θ_max，此时可由光强大小实现对θ_min-θ_max范围内角度的识别；

在θ₁>γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处I_max对应角度设为θ_min，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处I_min对应角度为θ_max，此时可由光强大小实现对θ_min至θ_max范围内角度的识别；

步骤2-3、闪耀光栅衍射光谱包络面积与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围500～2000nm内，当衍射角度为闪耀角γ_m时，对应1级衍射光谱的光谱曲线围成面积最大，如说明书附图7所示为14°至28°范围内，闪耀光栅衍射光谱包络面积与衍射角位移变化仿真图；当衍射角θ₂<γ_m时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱曲线围成面积逐渐变大，当衍射角θ₂>γ_m时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱曲线围成面积逐渐减小，即1级衍射光谱的光谱曲线围成面积与衍射角度变化量之间成单调关系；通过对1级衍射光谱的光谱曲线围成面积大小的识别可实现对衍射角即角位移的识别；

在θ₁<γ_m范围内，1级衍射光谱的光谱曲线围成面积最小处S_min所对应角度设为θ_min，1级衍射光谱的光谱曲线围成面积最大处S_max对应角度为θ_max，此时可由光谱面积大小实现对θ_min至θ_max范围内角度的识别。在θ₁>γ_m范围内，1级衍射光谱的光谱曲线围成面积最大处S_max对应角度设为θ_min，1级衍射光谱的光谱曲线围成面积最小处S_min对应角度为θ_max，此时可由光强大小实现对θ_min至θ_max范围内角度的识别。

步骤2-4、闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移关系曲线的确定

由夫琅禾费衍射光强公式仿真可知，在确定的闪耀光栅旋转角度也即确定的衍射角θ₂下，宽带入射光波长范围内存在与该旋转角对应的光强分布，且由步骤三可知随着旋转角度的变化峰值波长还会发生偏移，这里定义闪耀光栅衍射光谱最大幅值的一半位置处对应波长宽度为半波宽度；通过仿真计算得到，该衍射光谱主瓣的半波宽随着闪耀光栅旋转角度的变化而变化，即随着衍射角度的变大，衍射光谱主瓣的半波宽也逐渐变大，即闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移近似呈线性关系，通过识别某一时刻的衍射光谱的半波宽度即可反推出对应的衍射角即角位移；

假设类比步骤三选定θ_min＝0.31rad和θ_max＝0.87rad，θ_min处对应的衍射光谱主瓣半波宽度为W_min,θ_max处对应的衍射光谱主瓣半波宽度为W_max，此时可由W_min至W_max实现对θ_min到θ_max范围内角位移的识别,如说明书附图8所示为闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移关系曲线仿真图，图中包含了仿真曲线及拟合曲线；

步骤三：闪耀光栅旋转方向的确定，也即识别角位移方向的确定

上述步骤2-1中，通过闪耀光栅衍射光谱峰值波长的偏移方向来判定闪耀光栅的旋转方向。假设当衍射光谱峰值波长向波长变大方向偏移也即向长波方向偏移时，规定此时闪耀光栅旋转方向为正，则当闪耀光栅旋转方向为负时，闪耀光栅衍射光谱向短波方向偏移，反之亦然；

上述步骤2-2中，在θ₁<γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱峰值强度变大的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱峰值强度变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；在θ₁>γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱峰值强度变小的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱峰值强度变大时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

上述步骤2-3中，在θ₁<γ_m范围内，假设闪耀光栅衍射光谱包络面积变大的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱包络面积变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；在θ₁>γ_m范围内，假设闪耀光栅衍射光谱包络面积变小的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱包络面积变大时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

上述步骤2-4中，可通过闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度的大小变化方向来判定闪耀光栅的旋转方向。假设闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度变大方向规定为正向，则当闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

2、步骤一中所述Y型分叉光纤由数量为1:6的光纤束扎制而成，即光源入射端为一根200μm光纤，衍射光出射端为6根200μm光纤组成的光纤束。

3、步骤二中还包括以下过程：在对闪耀光栅衍射光强分布特征进行数值模拟时，每次都是人为取定闪耀光栅结构参数：闪耀角、刻线密度固定值进行计算仿真绘制三维图；不同结构参数的闪耀光栅的仿真结果不同，即对应的衍射角度范围也不同，同时，实际宽带入射光波长范围一般有限，仿真过程中波长范围的取定要根据实际做适当调整，直至各参数选择最优化；

对于确定的闪耀光栅，数值仿真时代入结构参数后通过调整实际入射光波长范围仿真得到光强分布最优三维图，即得到的光强三维图较为完整，无其他级次序列光谱干扰，由此确定可识别衍射角分布范围，且θ_min选定时对应的衍射光谱光强应大于零，θ_max对应的衍射光谱光强应大于零，也即角度选择范围应在衍射光谱分布光强大于零的地方选取；光谱分析仪测得光谱曲线的强度范围需要根据光源的功率做适当调整以适应光谱分析仪量程，使得光谱分析仪能尽力测得更多光谱分布；步骤二中所指峰值光强大小为光谱仪量程范围内。

4、一种基于闪耀光栅衍射光谱特征提取的微小角度辨识方法，使用差分式双闪耀光栅构建角位移识别系统，包括以下步骤：

步骤一：差分式双闪耀光栅角度辨识原理及系统构建

将两闪耀光栅水平并排平行放置，使两闪耀光栅的旋转轴共轴，区别在于两闪耀光栅的闪耀方向相反，如说明书附图9所示；此时，用两束宽带光分别沿每个闪耀光栅的闪耀方向一侧入射；按照权利要求1步骤三，对两闪耀光栅分别选定光栅旋转角度范围也即衍射角度范围θ_min至θ_max；对其中某一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_min角度入射，对另一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_max角度入射；当这两闪耀光栅同时发生旋转时，其中一个闪耀光栅的衍射光谱会向长波方向偏移，另外一个闪耀光栅的衍射光谱会向短波方向偏移；这样，对同一个角位移变化量Δθ，会有两个不同方向的衍射光谱特征变化ΔC；

假设对于所有闪耀光栅衍射光谱特征识别角位移有：

C＝μ₁θ+k_TΔT+f_ζΔt (7)

其中，C为闪耀光栅衍射光谱特征量，μ₁为常量系数，μ₂为包含了振动噪声的常量，k_T为温度系数，ΔT为温度变化量；则有：

C₊＝μ₁(θ₀+Δθ)+k_TΔT+f_ζΔt (8)

C_-＝μ₁(θ₀-Δθ)+k_TΔT+f_ζΔt (9)

由(8)～(9)可得：

ΔC＝C₊-C_-＝2μ₁Δθ (10)

由公式(11)可知，通过利用差分式双闪耀光栅衍射光谱特征来识别角位移，可以使得灵敏度提高一倍；同时，有助于消除或补偿被测目标服役环境存在的温度变化以及外界振动噪声引起的漂移。

步骤二：基于差分式双闪耀光栅衍射光谱互相关谱分析的角位移辨识方法

将两闪耀光栅水平并排平行放置，使两闪耀光栅的旋转轴共轴，区别在于两闪耀光栅的闪耀方向相反；此时，用两束宽带光分别沿每个闪耀光栅的闪耀方向一侧入射；按照权利要求1步骤三，对两闪耀光栅分别选定光栅旋转角度范围也即衍射角度范围θ_min至θ_max；对其中某一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_min角度入射，对另一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_max角度入射；当这两闪耀光栅同时发生旋转时，其中一个闪耀光栅的衍射光谱会向长波方向偏移，另外一个闪耀光栅的衍射光谱会向短波方向偏移；

将这两个衍射光谱做互相关：

其中，表示互相关计算，(·)^*表示取共轭；

仿真可以发现，随着双闪耀光栅的同时旋转，衍射角度在θ_min至θ_max之间变化，其互相关后的结果也为一类似于衍射光谱的强度曲线图，该曲线图亦有峰值，且由仿真结果可知，该互相关结果峰值也在发生偏移；通过识别两衍射光谱的互相关结果峰值即可实现对闪耀光栅旋转角度也即角位移的识别；如说明书附图10所示为衍射角度在选定θ_min＝0.31rad和θ_max＝0.87rad之间变化时两闪耀光栅衍射光谱的互相关谱仿真图；

本发明提出一种在自准直条件下利用闪耀光栅一级衍射光谱特征来识别角位移的方法，丰富了角位移测量的技术手段，且具有抗电磁干扰能力强、结构简单、易于实现、灵敏度高等显著特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用一个闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用Y型光纤搭建自准直光路系统

自准直光路系统由宽带光源(19)、Y型光纤(16～18)、准直镜(15)、闪耀光栅、光谱分析仪(20)五大部分组成；Y型光纤含有两分叉端和一个公共端(16)，两个分叉端分别为光源入射端(17)和衍射光出射端(18)；宽带光源(19)与Y型光纤光源入射端(17)相连；Y型光纤公共端(16)与准直镜(15)直接耦合相连；Y型光纤衍射光出射端(18)与光谱分析仪(20)相连；宽带光由Y型光纤的光源入射端(17)耦合进入光纤后传输至准直镜(15)，宽带光经由准直镜(15)以与闪耀光栅衍射表面法线成θ₁角度入射射向闪耀光栅的旋转中心(10)，部分衍射光(14)沿原路返回经准直镜(15)进入Y型光纤公共端(16)，最后衍射光从Y型光纤衍射光出射端(18)耦合出射至光谱分析仪(20)；1级衍射光谱分布在闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向(11)一侧，闪耀光栅旋转时准直镜所在侧也即入射光线应为闪耀方向这一侧；通过光谱分析仪对衍射光出射端光谱特征的识别即可得到对应的闪耀光栅旋转角度θ₁，θ₁还定义为入射光与闪耀光栅衍射表面法线之间夹角即入射角，也即所需识别角位移；

步骤二：基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，也即与被测角度相关的衍射光谱；

闪耀光栅夫琅禾费(Fraunhofer)衍射光强公式为：

其中，

式中，i₀为入射光强度，θ₁为入射光线(5)与闪耀光栅宏观平面法线(9)之间夹角即入射角(8)，θ₂为衍射光线(6)与闪耀光栅宏观平面法线之间夹角即衍射角(7)，γ为闪耀光栅的闪耀角度(2)；a表示闪耀面宽度，d表示闪耀光栅的光栅栅距，λ为入射宽带光波长，N为衍射单元总数；

将入射宽带光按步骤一的自准直光路系统照射闪耀光栅衍射表面，得到按入射光原路返回的衍射光(14)，这时有θ₁＝θ₂，夫琅禾费衍射光强分布公式改为：

其中，

1级衍射光谱分布角度范围为闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向一侧，则闪耀光栅转角也即识别角度范围为0到π/2，也就是衍射角θ₂取值为0≤θ₂≤π/2；闪耀光栅刻线密度取定为n，得d＝1/n，取a＝d；取定闪耀角值为入射宽带光波长范围取λ_l≤λ≤λ_r(λ_l≤λ_r)，λ_l为实际使用宽带光源带宽的下限，λ_r为实际使用宽带光源带宽的上限，入射光强度i₀取单位1，衍射单元总数取定值为N；

将上述数据代入衍射光强分布公式计算得到光强I、衍射角θ₂、宽带入射光波长λ三者关系的三维曲面图，也即衍射光谱序列三维分布图；通过改变闪耀角度和闪耀光栅栅距之间结构参数属性，根据数值仿真结果，观察1级闪耀光谱序列出现光强最高峰，此最高峰对应的波长为一级闪耀波长λ_b，最高峰对应的角度即为闪耀光栅闪耀角γ；

由闪耀光栅夫琅禾费衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，衍射光强度以闪耀波长λ_b为中心，闪耀波长λ_b处光谱强度最强，向两端光强逐渐减小直至为零；通过步骤2-1至步骤2-4即可提取与衍射角变化相关的衍射光谱特征，对闪耀光栅衍射角的识别即实现对闪耀光栅角位移的识别；

步骤2-1、闪耀光栅衍射光谱特征波长偏移量与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，以一级闪耀波长为中心的1级光谱序列峰值波长偏移量与衍射角之间近似呈线性关系，随着衍射角度的增加，峰值波长向长波方向偏移并逐渐变大；通过识别出此时的衍射光谱峰值波长可得到对应的闪耀光栅旋转角度变化，此旋转角即表征了物体实际角位移，即实现对角位移的识别；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，θ_min和θ_max在衍射光谱上又分别对应着最小波长λ_min和最大波长λ_max，这就确定了波长偏移与角位移变化关系曲线的两个端点，当角位移从θ_min至θ_max变化时，衍射光峰值波长从λ_min至λ_max变化；通常θ_min至θ_max范围选取靠近闪耀角γ以期获得较强衍射光强，但同时可识别角度范围也会因此缩小，此时由峰值波长偏移量λ_min至λ_max实现针对θ_min至θ_max范围内角度的识别；

按步骤一搭建好光路后，在闪耀光栅一侧发生自准直照射和衍射；此时围绕旋转轴旋转闪耀光栅，使宽带光束入射角为θ₁＝θ_min且入射光斑始终位于旋转轴线上，在衍射光出射端采用光谱分析仪观察到衍射光波长发生偏移且θ₂＝θ_min处的峰值波长为λ_min；继续旋转闪耀光栅使得宽带光束入射角θ₁增大至θ₁＝θ_max且入射光斑始终位于旋转轴线上，在光谱分析仪上观察到波长偏移且θ₂＝θ_max处峰值波长为λ_max；通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值波长λ_p与角位移θ关系曲线：

λ_p＝ζ₁θ+ζ₂ (3)

其中，ζ₁、ζ₂为相关系数；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤2-2、闪耀光栅衍射光谱特征峰值强度与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度分布存在最大值，峰值强度分布最大值处对应衍射角为γ；

当随被测目标旋转的闪耀光栅旋转角也即入射角θ₁<γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐变大，呈现单调递增特点；当光栅旋转角也即入射角θ₁>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐减小，即1级衍射光谱序列的峰值强度分布与衍射角度变化量之间呈现单调递减关系；通过对1级衍射光谱序列的峰值强度大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角也即角位移的识别；

在θ₁<γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处I_min所对应角度选定为θ_min，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处I_max对应角度选定为θ_max，此时可由峰值强度I_min到I_max实现对θ_min到θ_max范围内角度的识别；

在θ₁>γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处I_max对应角度选定为θ_min，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处I_min对应角度选定为θ_max，此时可由光强大小I_max至I_min实现对θ_min到θ_max范围内角位移的识别，这与在θ₁<γ范围内的情况刚好相反；

以上两种情况，都通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值强度与角位移关系曲线：

其中，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为相关系数，I为光谱峰值强度；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤2-3、闪耀光栅衍射光谱包络面积与角位移关系曲线的确定

通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，1级衍射光谱序列包络面积存在最大值，面积最大值处对应衍射角度设为γ；

在衍射角θ₂<γ范围内，随着光栅旋转角度也即衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱包络面积逐渐变大，呈现单调递增特点；当衍射角θ₂>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱包络面积逐渐减小，即1级衍射光谱的包络面积与闪耀光栅旋转角也即衍射角度变化量之间呈调递减关系；通过对1级衍射光谱的光谱包络面积大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角θ₁即角位移的识别；

在θ₁<γ范围内，1级衍射光谱的光谱包络面积最小处S_min所对应角度选定为θ_min，1级衍射光谱的光谱包络面积最大处S_max对应角度选定为θ_max，此时由光谱包络面积实现对θ_min到θ_max范围内角度的识别；

在θ₁>γ范围内，1级衍射光谱的光谱包络面积最大处S_max对应角度设为θ_min，1级衍射光谱的光谱包络面积最小处S_min对应角度为θ_max，此时由衍射光谱强度曲线包络面积大小实现对闪耀光栅旋转角度也即衍射角θ_min到θ_max范围内角度的识别；

以上两种情况，都通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到闪耀光栅衍射光谱包络面积与角位移关系曲线：

其中，ν₁、ν₂、ν₃、ν₄为相关系数，S为衍射光谱包络面积；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤2-4、闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移关系曲线的确定

由夫琅禾费衍射光强公式仿真可知，在确定的闪耀光栅旋转角度也即确定的衍射角θ₂下，宽带入射光波长范围内存在与该旋转角对应的光强分布，这里定义闪耀光栅衍射光谱强度最大幅值的一半位置处对应波长之差为半波宽度；通过仿真计算得到，该衍射光谱主瓣的半波宽度随着闪耀光栅旋转角度的变化而变化，即随着衍射角度的变大，衍射光谱主瓣的半波宽度也逐渐变大，即闪耀光栅衍射光谱的半波宽度与角位移近似呈线性关系，通过识别某一时刻的衍射光谱的半波宽度即可反推出对应的衍射角即角位移；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max；θ_min处对应的衍射光谱主瓣半波宽度为W_min,θ_max处对应的衍射光谱主瓣半波宽度为W_max，此时由W_min至W_max实现对θ_min到θ_max范围内角位移的识别；通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到衍射光谱半波宽W_FWHM与角位移θ关系曲线：

W_FWHM＝ψ₁θ+ψ₂ (6)

其中，ψ₁、ψ₂为相关系数，W_FWHM为半波宽度；最大识别角度为θ_max-θ_min；

步骤三：闪耀光栅旋转方向的确定，也即识别角位移方向的确定

上述步骤2-1中，通过闪耀光栅衍射光谱峰值波长的偏移方向来判定闪耀光栅的旋转方向；假设当衍射光谱峰值波长向波长值变大方向偏移也即向长波方向偏移时，规定此时闪耀光栅旋转方向为正，则当闪耀光栅旋转方向为负时，闪耀光栅衍射光谱向短波方向偏移，反之亦然；

上述步骤2-2中，在θ₁<γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱峰值强度变大的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱峰值强度变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；在θ₁>γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱峰值强度变小的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱峰值强度变大时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

上述步骤2-3中，在θ₁<γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱包络面积变大的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱包络面积变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；在θ₁>γ范围内，假设闪耀光栅衍射光谱包络面积变小的方向为正，则当闪耀光栅衍射光谱包络面积变大时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然；

上述步骤2-4中，通过闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度的大小变化方向来判定闪耀光栅的旋转方向；假设闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度变大方向规定为正向，则当闪耀光栅衍射光谱主瓣半波宽度变小时，闪耀光栅旋转方向为负，反之亦然。

2.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，其特征在于：

所述Y型分叉光纤由数量为1:6的光纤束扎制而成。

3.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，其特征在于：

步骤二中还包括以下过程：在对闪耀光栅衍射光强分布特征进行数值模拟时，每次都是人为取定闪耀光栅结构参数：闪耀角、刻线密度固定值，入射光波长范围及衍射角范围为数值数组，然后进行计算仿真绘制三维图；不同结构参数的闪耀光栅的仿真结果不同，即对应的衍射角度范围也不同，同时，实际宽带入射光波长范围一般有限，仿真过程中波长范围数值数组的取定要根据实际做适当调整，直至各参数选择最优化；

对于确定结构参数的闪耀光栅，数值仿真时代入结构参数后通过调整入射光波长范围仿真得到光强分布三维图，即得到的光强三维图较为完整，无其他级次序列光谱干扰，由此确定可识别衍射角分布范围，且θ_min选定时对应的衍射光谱光强应大于零，θ_max对应的衍射光谱光强也应大于零，也即角度选择范围应在衍射光谱分布光强大于零的地方选取；光谱分析仪测得光谱曲线的强度范围需要根据光源的功率做适当调整以适应光谱分析仪量程，使得光谱分析仪能够最大限度采集光谱分布信息；步骤二中所指峰值光强大小为光谱仪量程范围内。

4.一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用差分式双闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：差分式双闪耀光栅角度辨识原理及系统构建

选定所要测量的旋转平面(26)，将两个闪耀光栅(27、28)水平并排平行放置，使两闪耀光栅的旋转轴(25)共轴且两个闪耀光栅的闪耀方向(23、24)相反；此时，采用两束宽带光分别沿每个闪耀光栅的闪耀方向一侧入射；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，对两闪耀光栅分别选定光栅旋转角度范围也即衍射角度范围θ_min至θ_max；对其中某一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_min角度入射，对另一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_max角度入射；

当这两个并行的闪耀光栅同时发生旋转时，其中一个闪耀光栅的衍射光谱会向长波方向偏移，另外一个闪耀光栅的衍射光谱会向短波方向偏移；这样，对同一个角位移变化量Δθ，会存在两个不同方向的衍射光谱特征变化ΔC；

假设对于所有闪耀光栅衍射光谱特征识别角位移有：

C＝μ₁θ+k_TΔT+f_ζΔt (7)

其中，C为闪耀光栅衍射光谱特征量，μ₁为灵敏度系数，k_T为温度系数，ΔT为温度变化量，f_ζ为与闪耀光栅材料和外界扰动相关的阻尼函数，Δt为时间常数；则有：

C₊＝μ₁(θ₀+Δθ)+k_TΔT+f_ζΔt (8)

C_-＝μ₁(θ₀-Δθ)+k_TΔT+f_ζΔt (9)

由(8)～(9)可得：

ΔC＝C₊-C_-＝2μ₁Δθ (10)

由公式(11)可知，通过利用差分式双闪耀光栅衍射光谱特征来识别角位移，使得灵敏度提高一倍；同时，有助于消除或补偿被测目标服役环境存在的温度变化以及外界振动噪声引起的漂移；

步骤二：基于差分式双闪耀光栅衍射光谱互相关谱分析的角位移辨识方法

按步骤一构建差分式双闪耀光栅角度辨识系统；

以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θ_min，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θ_max，对两闪耀光栅分别选定光栅旋转角度范围也即衍射角度范围θ_min至θ_max；对其中某一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_min角度入射，对另一个闪耀光栅，将准直宽带复色光沿着θ_max角度入射；

当这两个闪耀光栅同时发生旋转时，其中一个闪耀光栅的衍射光谱会向长波方向偏移，另外一个闪耀光栅的衍射光谱会向短波方向偏移；将这两个衍射光谱信号做互相关分析：

其中，表示互相关计算，(·)^*表示取共轭；

根据数值仿真发现，随着两个闪耀光栅的同时旋转，衍射角度在θ_min至θ_max之间变化，其互相关后的结果也为一类似于衍射光谱的强度曲线图，该曲线图亦有峰值；且由此数值仿真结果可知，该互相关谱峰值也会发生偏移；通过识别两个衍射光谱的互相关谱特征，即可实现对闪耀光栅旋转角度也即角位移的识别；

采用实验标定方法，对所测量数据进行拟合，可以得到互相关谱峰值波长偏移量与角位移关系曲线：

λ^*＝ρ₁θ+ρ₂ (13)

其中，ρ₁、ρ₂为相关系数，λ^*定义为互相关波长即互相关谱峰值处对应的横坐标值；最大识别角度为θ_max-θ_min。