CN110132179B - 双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学式角度测量技术领域，尤其涉及一种双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法，该测量系统包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二传动杆、第三传动杆、激光器、分束器、光电探测器和计算机；所述第一相交平面镜和第二相交平面镜均为正交平面镜，该测量系统通过第一相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二相交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，延长了激光自混合信号的外腔光程，相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量范围和测量分辨率。

Description

双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光学式角度测量技术领域，尤其涉及一种基于相交镜的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法。

背景技术

角度测量技术作为计量技术的重要组成部分，随着科学技术的不断发展，角度测量技术已被广泛应用于光机电一体化、航空航天、军事国防等技术领域。

在角度测量技术中，根据测量原理主要分为三类：机械式角度测量技术、电磁式角度测量技术和光学式角度测量技术，其中机械式角度测量技术和电磁式角度测量技术研究起步最早，机械式角度测量技术以多齿分度盘为代表，电磁式角度测量技术则以圆磁栅测角技术和感应同步器测角技术为代表。无论是机械式角度测量技术还是电磁式角度测量技术均存在需要手工操作和接触测量，不利于实现角度测量自动化的缺点。与机械式角度测量技术和电磁式角度测量技术相比，光学式角度测量技术则具有非接触测量、测量精度高、测量分辨率高等优点。

目前国内外的光学式角度测量技术，根据其测量原理的不同主要分为：圆光栅法、环形激光法、光学内反射法、自准直法、激光干涉法等。

光学内反射法是利用全发射条件下入射角变化与反射光强变化之间的关系，通过测量反射光强的变化来测量入射角的变化；自准直法是利用光学自准直原理，将被测物体上发射环境旋转角度变换成自准直仪接收器上的线量变化，通过测量线量变化间接测量出反射面微小角度的变化，这两种方法都是基于角度变化引起接收光强变化的检测原理，易受到探测器接受面尺寸及电子细分位数的限制，无法保证较高的分辨率和较大的角度测量范围。

激光干涉法是利用角度变化引起相位变化，再通过相位检测机制进行角度测量，典型的激光干涉法是基于迈克尔逊干涉仪的基本原理，通过双光束光程差的变化表示角度的变化量，最终通过观察干涉条纹，获得待测角度。虽然基于双光束激光干涉的角度测量方法与基于测量光强变化的角度测量方法相比，其测量精度和测量范围均有一定程度提高，但其测量装置结构相对较为复杂，增加了系统的体积及成本，同时在实际测量中也难以实现光路自准直。

近年来，基于激光自混合原理的激光干涉角度测量技术逐渐成为角度测量技术的研究热点。相对于传统的激光双光束干涉法角度测量技术，基于激光自混合原理的角度测量技术因其单光路设计、自准直、等优点逐渐成为激光干涉角度测量技术的重要研究方向。国内外多个研究小组已经设计和尝试了多种基于激光自混合原理的微角度测量方案，并获得了初步的实验结果。2008年，暨南大学的钟金刚等人利用旋转平面镜的方法设计研究了一个微角度测量系统，平面镜随转盘转动的过程中会产生角度的变化，进而导致外腔长改变，通过测量反馈光形成的激光自混合干涉信号结合条纹计数法可以获得转盘的转动角度，测角范围为±2.41′。

从上述研究方案可以看出，目前已有的基于激光自混合原理的角度测量装置依然停留在简单采用平面反射镜，对激光光束入射位置存在严格限制，同时旋转过程中，反馈光强度也随角度变化产生涨落，进一步影响了待测信号的信噪比，大幅降低了系统的测量范围和分辨率。还有一些文献中公开了采用单反射棱镜的技术方案，虽然其不受激光入射位置的限制，但测量范围仍然受限于旋转角度，当旋转角度过大时导致光无法被探测，同时仍然存在分辨率较低的问题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种有效克服现有的基于激光自混合原理的角度测量方法所存在的问题，能够在高分辨率的条件下实现大角度范围测量的基于相交镜的激光自混合微角度测量系统及测量方法。

为实现以上技术目的，本发明的第一种技术方案是：

一种激光自混合微角度测量系统，包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、正交反射镜、第三反射镜、反射镜传动支架、激光器、分束器、光电探测器和计算机；

所述第一转盘和第二转盘通过T型传动支架同步转动；

所述T型传动支架包括水平设置且相互垂直的第一传动杆和支撑杆，所述第一传动杆两端分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述第一传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线，所述支撑杆的中部连接于第二连接柱上；

所述第一相交平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角为90°；

所述第二相交平面镜包括第三平面镜和第四平面镜，所述第三平面镜的一侧与第四平面镜的一侧相连且第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角为90°；

所述第一平面镜与第二平面镜的连接边和所述第三平面镜与第四平面镜的连接边分别与支撑杆的两端下半部相连，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线和第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角的角平分线均与支撑杆垂直，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜的镜面均背离第一传动杆；

所述正交反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜的一侧与第二反射镜的一侧相连且第一反射镜镜面与第二反射镜镜面的夹角为90°，所述正交反射镜夹角的角平分线与第一传动杆位于同一直线上；

所述反射镜传动支架包括对称设置的第二传动杆和第三传动杆，所述第二传动杆的一端底部连接于支撑杆一端上半部，所述第三传动杆的一端底部连接于支撑杆另一端上半部，所述第二传动杆的另一端与第三传动杆的另一端相连且两者连接处的底部连接于第一反射镜与第二反射镜连接处的顶部；

所述第三反射镜设于第四平面镜前方且两者镜面的夹角为45°；

所述激光器出射激光光束到第一平面镜上且激光光束与第一平面镜镜面的夹角为45°；

所述分束器设于激光器与第一平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号后发送到计算机；

所述计算机对接收到的电信号进行处理分析，获得被测的第一转盘的转动角度。

基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于T型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传动支架带动另外一个转盘同步转动，进而带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束并以45°角入射到第一平面镜，经第二平面镜反射到第一反射镜；

b.第一反射镜将激光光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第三平面镜，入射到第三平面镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相同且与第三平面镜的夹角为45°；

c.激光光束经相互垂直的第三平面镜和第四平面镜依次反射后以90°角入射到第三反射镜，入射到第三反射镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相反；

d.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析，利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

从以上描述可以看出，该测量系统及其测量方法具备以下优点：(1)激光光束入射到第一相交平面镜时，先入射到外侧的第一平面镜，即采用外入射形式，与传统的外差干涉系统相比，系统结构更加简单；(2)通过第一相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二相交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围。

为实现以上技术目的，本发明的第二种技术方案是：

一种激光自混合微角度测量系统，包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二传动杆、第三传动杆、激光器、分束器、光电探测器和计算机；

所述第一转盘和第二转盘通过T型传动支架同步转动；

所述T型传动支架包括水平设置且相互垂直的第一传动杆和支撑杆，所述第一传动杆两端分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述第一传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线，所述支撑杆的中部连接于第二连接柱上；

所述第一相交平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角为90°；

所述第二相交平面镜包括第三平面镜和第四平面镜，所述第三平面镜的一侧与第四平面镜的一侧相连且第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角为90°；

所述第一平面镜与第二平面镜的连接边和所述第三平面镜与第四平面镜的连接边分别与支撑杆的两端相连，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线和第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角的角平分线均与支撑杆垂直，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜的镜面均背离第一传动杆；

所述第一反射镜设于第一平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第一反射镜通过第二传动杆与第一平面镜固定连接；

所述第二反射镜设于第四平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第二反射镜通过第三传动杆与第四平面镜固定连接；

所述第三反射镜设于第三平面镜前方且两者镜面的夹角为45°；

所述激光器出射激光光束到第二平面镜上且激光光束与第二平面镜镜面的夹角为45°；

所述分束器设于激光器与第二平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

所述计算机对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。

基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于T型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传动支架带动另外一个转盘同步转动，进而带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束并以45°角入射到第二平面镜，经第一平面镜反射到第一反射镜；

b.第一反射镜将激光光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第四平面镜，入射到第四平面镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相同且与第四平面镜的夹角为45°；

c.激光光束经相互垂直的第四平面镜和第三平面镜依次反射后以90°角入射到第三反射镜，入射到第三反射镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相反；

d.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析，利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

从以上描述可以看出，该测量系统及其测量方法具备以下优点：(1)激光光束入射到第一相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过第一正交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二正交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围；(3)测量系统联动装置简单，易于实现；两外部反射镜分开联动可单独控制，不仅减小了机械加工误差，而且使光路更易准直。

为实现以上技术目的，本发明的第三种技术方案是：

一种激光自混合微角度测量系统，其特征在于：包括第一转盘、第二转盘、传动杆、相交平面镜、反射镜、激光器、分束器、光电探测器和计算机；所述第一转盘和第二转盘通过传动杆同步转动；所述传动杆两端端部分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线；所述相交平面镜包括镜面相向的第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且二者的连接边连接于第二连接柱上，所述第一平面镜和第二平面镜的镜面均背离传动杆，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线与传动杆位于同一直线上，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角记为α，α的取值范围为：0°<α<180°；所述反射镜设于第二平面镜外侧且镜面与第一平面镜镜面的夹角等于

所述激光器出射激光光束到第二平面镜上，激光器出射激光光束与经过第二平面镜反射后的激光光束形成的夹角等于α，激光器出射激光光束与反射镜镜面的夹角等于

所述分束器设于激光器与第二平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；所述光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；所述计算机对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。

基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于传动杆的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，传动杆带动另外一个转盘同步转动，进而带动相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束到第二平面镜上，然后反射到第一平面镜上，再反射到反射镜上；

b.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析,利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

从以上描述可以看出，该测量系统及其测量方法具备以下优点：(1)激光光束入射到相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过相交平面镜和反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围；(3)测量系统整体结构简单易实现，机械误差小，第一平面镜与第二平面镜的夹角角度可调，不同角度对应于不同的系统测量分辨率，可根据实际需求选择夹角角度。

作为改进，还包括传动皮带，所述传动皮带套接在第一转盘和第二转盘上；利用传动皮带进一步保证第一转盘和第二转盘的同步。

作为改进，所述激光器和分束器之间还设有光衰减器；利用光衰减器调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值。

作为优选，所述激光器为半导体激光器、氦氖激光器、微片激光器或者光纤激光器。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例1中单正交平面镜光路结构示意图；

图4是本发明实施例1中双正交平面镜光路结构示意图；

图5是三镜腔模型示意图；

图6是本发明实施例2的结构示意图；

图7是本发明实施例2的结构示意图；

图8是本发明实施例2中单正交平面镜光路结构示意图；

图9是本发明实施例2中双正交平面镜光路结构示意图；

图10是本发明实施例3的结构示意图；

图11是本发明实施例3的结构示意图；

图12是本发明实施例3的任意角度相交平面镜光路结构示意图。

具体实施方式

结合图1至图5，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1所示，一种激光自混合微角度测量系统，包括并排设置的第一转盘101和第二转盘102、T型传动支架103、第一相交平面镜104、第二相交平面镜105、正交反射镜106、第三反射镜107、反射镜传动支架108、激光器109、分束器110、光电探测器111和计算机112；

第一转盘101和第二转盘102通过T型传动支架103同步转动；T型传动支架103包括水平设置且相互垂直的第一传动杆1031和支撑杆1032，第一传动杆1031两端分别连接有第一连接柱113和第二连接柱114，第一连接柱113底部和第二连接柱114底部分别通过轴承设于第一转盘101和第二转盘102上，第一传动杆1031平行于第一转盘101圆心与第二转盘102圆心的连接线，支撑杆1032的中部连接于第二连接柱114上；第一相交平面镜104包括第一平面镜1041和第二平面镜1042，第一平面镜1041的一侧与第二平面镜1042的一侧相连且第一平面镜1041镜面与第二平面镜1041镜面的夹角为90°；第二相交平面镜105包括第三平面镜1051和第四平面镜1052，第三平面镜1051的一侧与第四平面镜1052的一侧相连且第三平面镜1051镜面与第四平面镜1052镜面的夹角为90°；第一平面镜1041与第二平面镜1042的连接边和第三平面镜1051与第四平面镜1052的连接边分别与支撑杆1032的两端下半部相连，第一平面镜1041镜面与第二平面镜1042镜面夹角的角平分线和第三平面镜1051镜面与第四平面镜1052镜面的夹角的角平分线均与支撑杆1032垂直，第一平面镜1041、第二平面镜1042、第三平面镜1051和第四平面镜1052的镜面均背离第一传动杆1031；正交反射镜106包括第一反射镜1061和第二反射镜1062，第一反射镜1061的一侧与第二反射镜1062的一侧相连且第一反射镜1061镜面与第二反射镜1062镜面的夹角为90°，该夹角的角平分线与第一传动杆1031位于同一直线上；反射镜传动支架108包括对称设置的第二传动杆1081和第三传动杆1082，第二传动杆1081的一端底部连接于支撑杆1032一端上半部，第三传动杆1082的一端底部连接于支撑杆1032另一端上半部，第二传动杆1081的另一端与第三传动杆1082的另一端相连且两者连接处的底部连接于第一反射镜1061与第二反射镜1062连接处的顶部；第三反射镜107设于第四平面镜1052前方且两者镜面的夹角为45°；激光器109出射激光光束到第一平面镜1041上且激光光束与第一平面镜1041镜面的夹角为45°；分束器110设于激光器109与第一平面镜1041之间，用于将激光光束分束到光电探测器111上；光电探测器111将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机112；计算机112对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。

基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于T型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传动支架带动另外一个转盘同步转动，进而带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束并以45°角入射到第一平面镜，经第二平面镜反射到第一反射镜；

b.第一反射镜将激光光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第三平面镜，入射到第三平面镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相同且与第三平面镜的夹角为45°；

c.激光光束经相互垂直的第三平面镜和第四平面镜依次反射后以90°角入射到第三反射镜，入射到第三反射镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相反；

d.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析，利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

其中，步骤E中处理分析过程依据的理论如下：

如图2所示，起始位置P₁P₂(第一相交平面镜顶点P₁和第二相交平面镜顶点P₂的连线)与y轴平行，当第一转盘旋转角度为θ时

第二转盘2将旋转相同角度，T型传动支架始终与x轴平行以保证第一相交平面镜和第二相交平面镜在垂直方向不发生偏移，只在xy面内产生平动。旋转后，第一平面镜和第二平面镜及第三平面镜和第四平面镜均保持相互正交，并发生偏移，激光器1由A点发出激光，且在整个旋转过程中，激光器1位置始终保持在A点，经多次平面镜和反射镜反射后光线从H点沿原路返回，其中，第一转盘和第二转盘的半径均为R。其中第一相交平面镜和第二相交平面镜由于夹角为90度，故均为正交平面镜。

基于以上具有双正交平面镜的微角度测量系统，为理论计算其光程变化，简化实验装置，建立如图3所示的单正交平面镜的结构图。

如图3所示，正交平面镜顶点V₁旋转后到达V₂，原光路AB₁C₁D₁变为AB₂C₂D₂，通过几何关系可推导光程差如下：

角度变化引起的光程差可表示为：

因此，对于本实施例所述的具有双正交平面镜的微角度测量系统，如图4所示，可推算其光程差为：

当反馈光光程每改变一个波长时激光自混合波形改变一个条纹，可得：

ΔL＝4R(2cosθ-2sinθ-1)＝Nλ (4)

公式(3)中，N为条纹数。

结合激光自混合理论，如图5所示，n₀是在信号光波长处激光器工作物质的有效折射率，r₁和r₂是激光器两个端面M₁和M₂的电场振幅的反射系数，反馈物端面M₃的电场振幅反射系数为r₃，d代表内腔长度，L_ext为外腔长度，从而，激光腔内的初始电场E₀(t)在经过往返一次后的电场E(t)可以表示为：

在公式(5)中v是光波的频率，R₂表示激光器后端面M₂的反射率，其中R₂＝|r₂|²，r₂为反射系数，，c是真空中光速，g表示激光的单位长度的增益介质对信号光的线性增益，γ是激光腔内单位距离信号光的总损耗。进一步根据稳态激光振荡条件能够得到激光器的输出功率随角度变化的表达式如下：

公式(6)中，ζ为调制系数，λ是激光波长，P₀是无光反馈时激光器的输出光强，L₀表示初始外腔长度。

从上述推导过程可以看出，与传统激光自混合角度测量方法相比，本实施例所述的双正交平面镜外入射型激光自混合微角度测量系统及测量方法，角度测量范围不受限制且系统分辨率较高。

从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：(1)激光光束入射到第一相交平面镜时，先入射到外侧的第一平面镜，即采用外入射形式，与传统的外差干涉系统相比，系统结构更加简单；(2)通过第一相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二相交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围。

本实施例所述的测量系统还可以做如下改进：

(1)测量系统还包括传动皮带115，传动皮带套接在第一转盘和第二转转盘上，从而进一步提高第一转盘和第二转盘的同步度，提高测量结果的准确性。

(2)在激光器和分束器之间增设有光衰减器116，利用光衰减器116调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值，从而进一步保证测量结果的准确性，光衰减器可以采用位移型衰减器、衰减片型衰减器等类型的光衰减器。

(3)本系统中的激光器类型并不受限，可以为半导体激光器、氦氖激光器、微片激光器或者光纤激光器等多种类型，可根据应用需求自行选择。

结合图5至图9，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图6所示，一种激光自混合微角度测量系统，包括第一转盘201、第二转盘202、T型传动支架203、第一相交平面镜204、第二相交平面镜205、第一反射镜206、第二反射镜207、第三反射镜208、第二传动杆209、第三传动杆210、激光器211、分束器212、光电探测器213和计算机214；

第一转盘201和第二转盘202通过T型传动支架203同步转动；T型传动支架203包括水平设置且相互垂直的第一传动杆2031和支撑杆2032，传动杆2031两端分别连接有第一连接柱215和第二连接柱216，第一连接柱216底部和第二连接柱216底部分别通过轴承设于第一转盘201和第二转盘202上，第一传动杆2031平行于第一转盘201圆心与第二转盘202圆心的连接线，支撑杆2032的中部连接于第二连接柱216上；第一相交平面镜204包括第一平面镜2041和第二平面镜2042，第一平面镜2041的一侧与第二平面镜2042的一侧相连且第一平面镜镜2041面与第二平面镜2042镜面的夹角为90°；第二相交平面镜205包括第三平面镜2051和第四平面镜2052，第三平面镜2051的一侧与第四平面镜2052的一侧相连且第三平面镜2051镜面与第四平面镜2052镜面的夹角为90°；第一平面镜2041与第二平面镜2042的连接边和所述第三平面镜2051与第四平面镜2052的连接边分别与支撑杆2032的两端相连，第一平面镜2041镜面与第二平面镜2042镜面夹角的角平分线和第三平面镜2051镜面与第四平面镜2052镜面的夹角的角平分线均与支撑杆2032垂直，第一平面镜2041、第二平面镜2042、第三平面镜2051和第四平面镜2052的镜面均背离第一传动杆2031；第一反射镜206设于第一平面镜2041前方且两者镜面的夹角为90°，第一反射镜206通过第二传动杆209与第一平面镜2041固定连接；第二反射镜207设于第四平面镜2052前方且两者镜面的夹角为90°，第二反射镜207通过第三传动杆210与第四平面镜2052固定连接；第三反射镜208设于第三平面镜2051前方且两者镜面的夹角为45°；激光器211出射激光光束到第二平面镜2042上且激光光束与第二平面镜2042镜面的夹角为45°；分束器212设于激光器211与第二平面镜2042之间，用于将激光光束分束到光电探测器213上；光电探测器213将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机214；计算机214对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。

基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于T型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传动支架带动另外一个转盘同步转动，进而带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束并以45°角入射到第二平面镜，经第一平面镜反射到第一反射镜；

b.第一反射镜将激光光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第四平面镜，入射到第四平面镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相同且与第四平面镜的夹角为45°；

c.激光光束经相互垂直的第四平面镜和第三平面镜依次反射后以90°角入射到第三反射镜，入射到第三反射镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相反；

d.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析，利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

其中，步骤E中处理分析过程依据的理论如下：

如图7所示，起始位置P₁P₂(第一正交平面镜4顶点P₁和第二正交平面镜5顶点P₂的连线)与y轴平行，当第一转盘1旋转角度为θ时

第二转盘2将旋转相同角度，T型传动支架3始终与x轴平行以保证第一正交平面镜4和第二正交平面镜5在垂直方向不发生偏移，只在xy面内产生平动。旋转后，第一平面镜41和第二平面镜42及第三平面镜51和第四平面镜52均保持相互正交，并发生偏移，激光器1由A点发出激光，且在整个旋转过程中，激光器1位置始终保持在A点，经多次平面镜和反射镜反射后光线从H点沿原路返回，其中，第一转盘和第二转盘的半径均为R。其中第一相交平面镜和第二相交平面镜由于夹角为90度，故均为正交平面镜。

基于以上具有双正交平面镜的微角度测量系统，为理论计算其光程变化，简化实验装置，建立如图8所示的单正交平面镜的结构图。

如图8所示，正交平面镜顶点V₁旋转后到达V₂，原光路AB₁C₁D₁变为AB₂C₂D₂，可推导光程差如下：

Δl＝2(AB₁C₁D₁-AB₂C₂D₂) (7)

经几何推导，角度变化引起的光程差可表示为：

Δl＝-4R sinθ (8)

因此，对于本实施例所述的具有双正交平面镜的微角度测量系统，如图9所示，可推算其光程差为：

当反馈光光程每改变一个波长时激光自混合波形改变一个条纹，可得：

ΔL＝4R(2cosθ-2sinθ-1)＝Nλ (10)

公式(10)中，N为条纹数。

结合激光自混合理论，如图5所示，n₀是在信号光波长处激光器工作物质的有效折射率，r₁和r₂是激光器两个端面M₁和M₂的电场振幅的反射系数，反馈物端面M₃的电场振幅反射系数为r₃，d代表内腔长度，L_ext为外腔长度，从而，激光腔内的初始电场E₀(t)在经过往返一次后的电场E(t)可以表示为：

在公式(11)中，v是光波的频率，R₂表示激光器后端面M₂的反射率，其中R₂＝|r₂|²，r₂为反射系数，c是真空中光速，g表示激光的单位长度的增益介质对信号光的线性增益，γ是激光腔内单位距离信号光的总损耗。进一步根据稳态激光振荡条件能够得到激光器的输出功率随角度变化的近似表达式如下：

公式(12)中，ζ为调制系数，λ是激光波长，P₀是无光反馈时激光器的输出光强，L₀表示初始外腔长度。

从上述推导过程可以看出，与传统激光自混合角度测量方法相比，本实施例所述的双正交平面镜内入射型激光自混合微角度测量系统及测量方法，角度测量范围不受限制且系统分辨率较高。

从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：(1)激光光束入射到第一相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过第一正交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二正交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围；(3)测量系统联动装置简单，易于实现；两外部反射镜分开联动可单独控制，不仅减小了机械加工误差，而且使光路更易准直。

本实施例所述的测量系统还可以做如下改进：

(1)测量系统还包括传动皮带217，传动皮带套接在第一转盘和第二转转盘上，从而进一步提高第一转盘和第二转盘的同步度，提高测量结果的准确性。

(2)在激光器和分束器之间增设有光衰减器218，利用光衰减器218调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值，从而进一步保证测量结果的准确性，光衰减器可以采用位移型衰减器、衰减片型衰减器等类型的光衰减器。

(3)本系统中的激光器类型并不受限，可以为半导体激光器、氦氖激光器、微片激光器或者光纤激光器等多种类型，可根据应用需求自行选择。

结合图5、图10至图12，详细说明本发明的实施例3，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图10所示，一种激光自混合微角度测量系统，包括第一转盘301、第二转盘302、传动杆303、相交平面镜304、反射镜305、激光器306、分束器307、光电探测器308和计算机309；第一转盘301和第二转盘302通过传动杆303同步转动；传动杆303两端端部分别连接有第一连接柱310和第二连接柱311，第一连接柱310底部和第二连接柱311底部分别通过轴承设于第一转盘301和第二转盘302上，传动杆303平行于第一转盘301圆心与第二转盘302圆心的连接线；相交平面镜304包括镜面相向的第一平面镜3041和第二平面镜3042，第一平面镜3041的一侧与第二平面镜3042的一侧相连且二者的连接边连接于第二连接柱311上，第一平面镜3041和第二平面镜3042的镜面均背离传动杆303，第一平面镜3041镜面与第二平面镜3042镜面夹角的角平分线与传动杆303位于同一直线上；第一平面镜3041镜面与第二平面镜3042镜面的夹角记为α，α的取值范围为：0°<α<180°；反射镜305设于第二平面镜3042外侧且镜面与第一平面镜3041镜面的夹角等于

306激光器出射激光光束到第二平面镜3042上，激光器306出射激光光束与经过第二平面镜3042反射后的激光光束形成的夹角等于α，激光器306出射激光光束与反射镜305镜面的夹角等于

分束器307设于激光器306与第二平面镜3042之间，用于将激光光束分束到光电探测器308上；光电探测器308将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机309；计算机309对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。

基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于传动杆的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，传动杆带动另外一个转盘同步转动，进而带动相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束到第二平面镜上，然后反射到第一平面镜上，再反射到反射镜上；

b.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析,利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

其中，步骤E中处理分析过程依据的理论如下：

如图11所示，起始位置O₂V(第二转盘圆心O₂与相交平面镜定点V的连线)与y轴平行，当第一转盘1旋转角度为θ时

第二转盘2将旋转相同角度，传动杆始终与x轴平行以保证相交平面镜在垂直方向不发生偏移，只在xy面内产生平动。旋转后，第一平面镜和第二平面镜均保持相交，并发生偏移，激光器1由A点发出激光，且在整个旋转过程中，激光器1位置始终保持在A点，经多次平面镜和反射镜反射后光线从D点沿原路返回，其中，第一转盘和第二转盘的半径均为R。

基于以上具有单相交平面镜的微角度测量系统，为理论计算其光程变化，建立如图12所示的单个任意夹角相交平面镜结构图，相交平面镜顶点V₁旋转后到达V₂，原光路AB₁C₁D₁变为AB₂C₂D₂，可推导光程差如下：

其中，

经几何推导得：

角度变化引起的光程差可表示为：

当反馈光光程每改变一个波长时激光自混合波形改变一个条纹，可得：

ΔL＝Nλ (16)

公式(16)中，N为条纹数。

结合公式(15)可知，光程差与两镜面夹角α、转盘旋转角度θ相关，为简化方程采用特殊镜面夹角化简如下：

(1)当两镜面夹角α为90°，即两镜面垂直时，可得到光程差：

ΔL＝-4Rsinθ (17)

由公式(16)可得，当ΔL等于波长时，即取N＝1，则可得最小可测角：

以氦氖激光器为例，R＝3cm时，角度测量的分辨率可达2.64×10^-6rad。

(2)当镜面夹角α为60°，可得到光程差：

由公式(16)可得，当ΔL等于波长时，即取N＝1，则可得最小可测角：

以氦氖激光器为例，R＝3cm时，角度测量的分辨率可达5.90×10^-6rad。

从以上特殊角计算结果结合光程差关系图，可得出相同旋转角度对应的光程差随镜面夹角α的增大而呈增大趋势，即当镜面夹角逐渐增大时，角度测量的分辨率逐渐变大。

结合激光自混合理论，如图5所示，n₀是在信号光波长处激光器工作物质的有效折射率，r₁和r₂是激光器两个端面M₁和M₂的电场振幅的反射系数，反馈物端面M₃的电场振幅反射系数为r₃，d代表内腔长度，L_ext为外腔长度，从而，激光腔内的初始电场E₀(t)在经过往返一次后的电场E(t)可以表示为：

在公式(21)中v是光波的频率，R₂表示激光器后端面M₂的反射率，其中R₂＝|r₂|²，r₂为反射系数，c是真空中光速，g表示激光的单位长度的增益介质对信号光的线性增益，γ是激光腔内单位距离信号光的总损耗。进一步根据稳态激光振荡条件能够得到激光器的输出功率随角度变化的近似表达式如下：

公式(22)中，ζ为调制系数，λ是激光波长，P₀是无光反馈时激光器的输出光强，L₀表示初始外腔长度。

从上述推导过程可以看出，与传统激光自混合角度测量方法相比，本实施例所述的单个任意角度相交平面镜内入射型自混合微角度测量系统及测量方法，角度测量范围不受限制且系统分辨率较高。

从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：(1)激光光束入射到相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过相交平面镜和反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围；(3)测量系统整体结构简单易实现，机械误差小，第一平面镜与第二平面镜的夹角角度可调，不同角度对应于不同的系统测量分辨率，可根据实际需求选择夹角角度。

本实施例所述的测量系统还可以做如下改进：

(1)测量系统还包括传动皮带312，传动皮带套接在第一转盘和第二转转盘上，从而进一步提高第一转盘和第二转盘的同步度，提高测量结果的准确性。

(2)在激光器和分束器之间增设有光衰减器313，利用光衰减器313调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值，从而进一步保证测量结果的准确性，光衰减器可以采用位移型衰减器、衰减片型衰减器等类型的光衰减器。

(3)本系统中的激光器类型并不受限，可以为半导体激光器、氦氖激光器、微片激光器或者光纤激光器等多种类型，可根据应用需求自行选择。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双正交内入射式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二传动杆、第三传动杆、激光器、分束器、光电探测器和计算机；

所述第一转盘和第二转盘通过T型传动支架同步转动；

所述T型传动支架包括水平设置且相互垂直的第一传动杆和支撑杆，所述第一传动杆两端分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述第一传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线，所述支撑杆的中部连接于第二连接柱上；

所述第一相交平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角为90°；

所述第二相交平面镜包括第三平面镜和第四平面镜，所述第三平面镜的一侧与第四平面镜的一侧相连且第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角为90°；

所述第一平面镜与第二平面镜的连接边和所述第三平面镜与第四平面镜的连接边分别与支撑杆的两端相连，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线和第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角的角平分线均与支撑杆垂直，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜的镜面均背离第一传动杆；

所述第一反射镜设于第一平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第一反射镜通过第二传动杆与第一平面镜固定连接；

所述第二反射镜设于第四平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第二反射镜通过第三传动杆与第四平面镜固定连接；

所述第三反射镜设于第三平面镜前方且两者镜面的夹角为45°；

所述激光器出射激光光束到第二平面镜上且激光光束与第二平面镜镜面的夹角为45°；

所述分束器设于激光器与第二平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

所述计算机对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。

2.根据权利要求1所述的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：还包括传动皮带，所述传动皮带套接在第一转盘和第二转盘上。

3.根据权利要求1所述的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：所述激光器和分束器之间还设有光衰减器。

4.根据权利要求1所述的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：所述激光器为半导体激光器、氦氖激光器、微片激光器或者光纤激光器。

5.基于如权利要求1所述的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：

A.基于T型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传动支架带动另外一个转盘同步转动，进而带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动；

B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：

a.激光器出射激光光束并以45°角入射到第二平面镜，经第一平面镜反射到第一反射镜；

b.第一反射镜将激光光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第四平面镜，入射到第四平面镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相同且与第四平面镜的夹角为45°；

c.激光光束经相互垂直的第四平面镜和第三平面镜依次反射后以90°角入射到第三反射镜，入射到第三反射镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相反；

d.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；

C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；

D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；

E.计算机对接收到的信号进行处理分析，利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。

6.基于权利要求5所述的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统的微角度测量方法，其特征在于：在激光器与激光器出射激光光束首次入射的平面镜之间还设置有光衰减器，利用光衰减器调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值。

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