CN110672061A

CN110672061A - 一种三维角度测量方法及其装置

Info

Publication number: CN110672061A
Application number: CN201910975380.3A
Authority: CN
Inventors: 周建康; 陈新华; 赵知诚; 包建; 沈为民
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-01-10
Also published as: WO2021073339A1

Abstract

本发明公开了一种三维角度测量方法及其装置。激光器发出的光束经扩束准直镜、分束器后，一路传输至消光器，另一路传输至移动部件；移动部件为长角镜前设置半透半反镜或膜，光束一部分经反射后返回固定部件，进入第一探测器，另一部分光束进入长角镜的内部传输，经两次全反射面反射后，再传输到固定部件，进入第二探测器。固定部件作为测试时的基准，移动部件置于被测物体并随物体同步运动，采用对光斑位移的直接测量方法，再通过激光测距仪测量固定部件与移动部件之间的距离，经计算处理，可实现高频率、同时测量俯仰、翻滚、偏摆三维角度，适用于动态目标的测量和对振动目标的高速测量。测量装置不受透镜焦距限制，体积紧凑。

Description

一种三维角度测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种三维角度测量方法及其装置，能同时高精度、高频率测量动态目标的三维角度改变量。

背景技术

在测量、测绘、轨迹追踪等应用中，需要检测动态物体的方位角度。由于多角度同时测量技术难度较大，目前，测量手段主要采用三种，一是采用强度变化信息，角度改变时，比如采用偏振调制，接收光能量改变；二是采用信息调制，比如利用动态测量光和静态参考光干涉，再对干涉条纹信息反演推算；三是采用光束反射原理，比如利用透镜聚焦反射的准直光，直接观察光斑改变。第一种采用强度信息的方法容易受到外界环境光干扰，且测量精度不高。第二种采用信息调制的方法，容易受到振动等环境因素干扰，环境适应能力差，且计算反演复杂，容易受到算法影响。第三种直接光斑移位测量，方法简单，利用宽光束和长焦距透镜可实现高精度测量，但采用了长焦距透镜就会使系统体积变大，且很难实现三维角度的同时测量。

发明内容

本发明针对现有同时多维测量技术存在的不足，提供一种能有效提高测量精度，且可实时监测动态目标的姿态角度变化的三维角度高频率测量方法及其装置。

实现本发明发明目的的技术方案是提供一种三维角度测量装置，它包括移动部件和固定部件；移动部件包括半透半反镜或膜和长角镜，半透半反镜设置在长角镜前，或在长角镜前表面镀半透半反膜；固定部件包括激光器、扩束准直镜、分束器和两个消光筒、两个滤光片、两个衰减片、两个探测器、激光测距仪及消光器，在固定部件的出光口和入光口分别对应设置第一滤光片和第二滤光片，激光测距仪安装在固定部件的中间；所述测量装置的结构为：激光器的光源发出的光束经扩束准直镜后，再经分束器分成两路传输，一路传输至消光器，另一路传输至移动部件；传输至移动部件的光束先依次经设置在固定部件的第一消光筒、第一滤光片后，再经设置在移动部件的半透半反镜或膜分成两部分，一部分经反射后返回固定部件，另一部分进入设置在移动部件的长角镜的内部传输；返回固定部件的反射光束依次经第一滤光片、第一消光筒、分束器和第一衰减片，进入第一探测器；在移动部件的长角镜内部设置两个45度角的全反射面，进入长角镜的内部传输的光束经两次全反射面反射后，再传输到固定部件；传输到固定部件的全反射光束依次经第二滤光片、第二消光筒和第二衰减片，进入第二探测器。

本发明所述的经扩束准直镜输出的光束直径为探测器面阵的直径或边长的一半。

所述的激光器为带有温控的半导体激光器模组。

所述的探测器为位置探测器PSD，四象限探测器QD，或 CCD、CMOS面阵器件。

本发明技术方案还包括一种三维角度测量方法，步骤如下：

（1）将三维角度测量装置的固件部件安装在多维移动台上，三维角度测量装置的移动部件固定在被测目标上；所述测量装置的结构为：固件部件的激光器光源发出的光束经扩束准直镜后，再经分束器分成两路传输，一路传输至消光器，另一路传输至移动部件；传输至移动部件的光束经半透半反镜或膜分成两部分，一部分光束经反射后返回固定部件，进入第一探测器形成光斑；另一部分光束入射进入长角镜内部，经两次全反射面反射后，出射光传输到固定部件，进入第二探测器形成光斑；

（2）粗调移动部件和固定部件的相对位置，使固定部件出光口出射的光束经移动部件的半反半透镜/膜反射后，反射光束返回至出光口；

（3）调节多维移动台上固定部件的六个自由度，使分别在第一探测器和第二探测器上形成的光斑的坐标处于零点坐标附近，记录初始位置；

（4）记录移动部件入射光束与出射光束之间的距离；

（5）记录固定部件出光口到第一探测器的光传输距离，用激光测距仪测量固定部件和移动部件之间的距离；

（6）实时测量第一探测器和第二探测器上形成的光斑的坐标位移变化；

（7）分别按俯仰角、偏摆角和翻滚角的三维角度计算方法，得到被测目标的三维角度变化结果。

本发明提供的三维角度测量装置，其固定部件作为测试时的基准，移动部件置于被测物体并随物体同步运动，采用光斑直接测量方法，不受透镜焦距限制，可做到体积紧凑，能同时测量俯仰、偏摆和翻滚角度，并可实现振动目标的高速测量。

与现有技术相比，本发明提供的三维角度测量技术方案具有以下显著的有益效果：

1.本发明提供的三维角度测量装置可同时测量俯仰、翻滚、偏摆三维角度，并可高频率测量，适用于变动目标的测量；采用准直光束测量，无聚焦透镜，可实现测量仪器的紧凑体积。

2.本发明提供的三维角度测量方法，把角度测量转换成距离测量，利用激光测距仪距离，在移动部件和固定部件相对距离较长时，距离测量误差导致的角度测量误差可忽略不计。通过增大或缩小固定部件和移动部件之间距离，可缩小或增大俯仰和偏摆角度测量范围，并同时提高和缩小测量分辨率；通过增大或缩小长角镜的横向长度，可提高和缩小测量分辨率。

附图说明

图1 是本发明实施例提供的动态目标的三维角度测量装置的光路结构示意图；

图2 本发明提供的三维角度测量方法和装置在俯仰和偏摆测量时的原理示意图；

图3 本发明提供的三维角度测量方法和装置在翻滚角度测量时两个探测器上的光斑位置相对变化量示意图；

图4 本发明提供的三维角度测量方法和装置在翻滚角度测量时的光路示意图。

1.激光器；2.扩束准直镜；3.分束器；4-1.第一消光筒；4-2.第二消光筒；5-1.第一滤光片；5-2.第二滤光片；6.半透半反镜/膜；7.长角镜；8.激光测距仪；9-1.第一衰减片；9-2.第二衰减片；10-1.第一探测器；10-2.第二探测器；11.消光器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的三维角度测量装置的光路结构示意图；测量装置由两部分组成，即移动部件和固定部件。固定部件作为测试时的基准，移动部件置于被测物体并随物体同步运动。

移动部件包括半透半反镜/膜6和长角镜7。固定部件包括激光器1、扩束准直镜2、分束器3、两个消光筒4-1和4-2、两个滤光片5-1和5-2、激光测距仪8、两个衰减片9-1和9-2、两个探测器10-1和10-2及消光器11。在固定部件内部设有两个消光筒4-1和4-2，用于减少光路中的杂光干扰。在固定部件的出光口和入光口分别设置了两个滤光片5-1和5-2，用于减少环境光的影响。固定部件的中间位置安装了激光测距仪8，用于测量固定部件与移动部件（长角镜）之间的距离。

本装置采用带有温控的半导体激光器模组作为光源，降低激光器光束漂移，为高精度测量提供高稳定性的基准光源，经过扩束准直镜2后，再经过分束器3传输后一路输出至移动部件，一路传输至消光器11。扩束准直镜2扩束光束直径大小和探测器面阵尺寸大小有关，一般控制在圆形探测面的直径或正方形探测面的边长的一半左右，若太小会影响测量精度和范围，太大会限制测量范围。为避免杂光干扰，在消光器内部设有消光片。

传输至移动部件的光束依次经设置在固定部件的第一消光筒4-1、第一滤光片5-1后，再传输到移动部件，在长角镜7前放置半透半反镜6或者在长角镜7前表面一定区域直接镀半透半反膜，由此光束又分成两部分，一部分直接反射回固定部件，另一部进入长角镜7内部传输。反回固定部件的反射光束依次经第一滤光片5-1、第一消光筒4-1、分束器3和第一衰减片9-1进入第一探测器10-1。滤光片的主要作用是防止产生信号饱和或损伤。

在移动部件中，光束经过半透半反镜/膜后继续传输至内部两个45度角上产生全反射，再传输到固定部件；传输到固定部件的全反射光束依次经第二滤光片5-2、第二消光筒4-2和第二衰减片9-2，进入第二探测器10-2。在第二探测器10-2前设置第二衰减器9-2，用以平衡两路探测器接收到的信号强度。

本发明中探测器可采用的位置探测器（PSD），四象限探测器（QD），还可以采用CCD、CMOS面阵器件等。

采用本实施例提供的测量装置，对俯仰角和偏摆角变化的测量方法是：

利用平行光反射自准直原理测量俯仰和偏摆变化，测量原理如附图2所示。当半透半反镜/膜6在绕X轴和Y轴发生小角度θx和θy偏转时，入射到半透半反镜/膜6的光束的反射角度就会以相对光轴2θx和2θy的角度反射回来，根据成像原理，可以得到如下计算式（1）：

（1）

式中l为半透半反镜/膜6与第一探测器10-1间的光传输距离，这个距离可以有两部分组成：一是固定部件出光口到第一探测器10-1的光传输距离l ₁，这个距离是固定不变的；另一是激光测距仪测试出的固定部件和移动部件之间的距离l ₂，这个距离可以根据实际需要设置；θx为俯仰角，θy为偏摆角，Δy和Δx分别对应的是光斑在第一探测器10-1上沿X方向和Y方向的相对位置变化。

当固定部件和移动部件之间距离为l ₃时，假设Δy和Δx相同，则测出的角度为如下计算式（2）：

（2）

有此可以看出俯仰角和偏摆角的测量范围和分辨率可以根据不同测量距离灵活调整。

采用本实施例提供的测量装置，对翻滚角变化的测量方法是：

在翻滚角测量中，经过半透半反镜/膜6后的两路光分别到达探测器10-1和10-2，根据光斑的在y方向上的变化差别来计算翻滚角为θr，测量原理参见附图3，并通过下式计算（3）得到：

（3）

其中d为长角镜入射光束中心与出射光束中心之间的距离，参见附图4所示。为第一探测器10-1和第二探测器10-2上的两光斑在y方向上的位移差，即

。翻滚角度测量分辨率除了受光斑大小、探测等因素影响，也由距离d决定。

采用本实施例提供的测量装置，测量步骤如下：

1.将固件部件安装在多维移动台上，移动部件固定在被测目标上；

2.粗调移动和固定部件相对位置，使固定部件的出射光束经移动部件的半反半透镜/膜反射后回到其出光口中。

3.调节固定部件的六个自由度，使光斑在第一探测器10-1和第二10-2上的坐标处于各自的零点坐标附近，并记录初始位置。

4.记录移动部件入射光束和出射光束之间距离d。

5. 记录固定部件出光口到第一探测器10-1的光传输距离l ₁，利用激光测距仪测量固定部件和移动部件之间的距离l ₂。

6.实时测量第一探测器10-1和第二10-2上光斑的位移坐标变化，并传送到数据采集硬件电路。

7.根据三维角度的计算式（1）和（3）的测量原理，经数据处理板或计算机计算处理，显示或存储三维角度俯仰角θx、偏摆角θy和翻滚角θr的变化结果。

在本实施例中，激光器采用633nm激光器，具有温度反馈和TE制冷功能，保障输出光源稳定，并具有0.1mW～40mW输出功率调节功能。激光经扩束镜扩束后变成4mm的准直光，入射到分束器3上，分束器3采用无偏分束镜，分束后一路透射，一路反射至消光器。透射光经第一滤光片5-1照射到长角镜7前的半透半反镜/膜6上，经过其反射后又经分束器3反射，再经第一衰减片9-1至四象限第一探测器10-1上，它的光敏面尺寸为直径8mm。透过半透半反镜/膜6的光束经长角镜7内部反射后从长角镜的另外一端出射。长角镜7采用K9玻璃制作，两个反射角与边的夹角都为135度。根据全反射原理，长角镜的反射面不需要镀膜。从长角镜7出射的光经第二滤光片5-2和第二衰减片9-2后照射在四象限第二探测器10-2上。第一滤光片5-1和第二滤光片5-2为633nm的窄带滤光片。第一衰减片9-1衰减系数为0.3，第二衰减片9-2相对衰减0.6。第一消光筒4-1和第二消光筒4-2采用内螺纹的消光筒并做发黑处理。激光测距仪8出射光束波长为633nm，测量范围为0.05mm～20m，测量精度0.5mm。

第一滤光片5-1紧靠固定部件出光口，从第一滤光片5-1到第一探测器10-1的光束传输距离为50mm，固定部件到移动部件的距离用激光测距仪测出为570mm，由此可计算得到俯仰和偏摆的角度测量范围为-11～+11角分，若四象限探测光斑精度为0.5μm，则俯仰和偏摆测量分辨率小于0.1角秒。

改变固定部件和移动部件之间的距离可以增大量程，但同时减低了测量分辨率。翻滚角度测量角度范围和精度与角镜长度有关，本实施例中翻滚测最大量角度范围为-68.6～+68.6角分，分辨率为1角秒。

Claims

1.一种三维角度测量装置，其特征在于：它包括移动部件和固定部件；移动部件包括半透半反镜或膜（6）和长角镜（7），半透半反镜设置在长角镜前，或在长角镜前表面镀半透半反膜；固定部件包括激光器（1）、扩束准直镜（2）、分束器（3）和两个消光筒（4-1和4-2）、两个滤光片（5-1和5-2）、两个衰减片（9-1和9-2）、两个探测器（10-1和10-2）、激光测距仪（8）及消光器（11），在固定部件的出光口和入光口分别对应设置第一滤光片（5-1）和第二滤光片（5-2），激光测距仪（8）安装在固定部件的中间；所述测量装置的结构为：激光器（1）光源发出的光束经扩束准直镜（2）后，再经分束器（3）分成两路传输，一路传输至消光器（11），另一路传输至移动部件；传输至移动部件的光束先依次经设置在固定部件的第一消光筒（4-1）、第一滤光片（5-1）后，再经设置在移动部件的半透半反镜或膜（6）分成两部分，一部分经反射后返回固定部件，另一部分进入设置在移动部件的长角镜（7）的内部传输；返回固定部件的反射光束依次经第一滤光片（5-1）、第一消光筒（4-1）、分束器（3）和第一衰减片（9-1），进入第一探测器（10-1）；在移动部件的长角镜内部设置两个45度角的全反射面，进入长角镜（7）的内部传输的光束经两次全反射面反射后，再传输到固定部件；传输到固定部件的全反射光束依次经第二滤光片（5-2）、第二消光筒（4-2）和第二衰减片（9-2），进入第二探测器（10-2）。

2.根据权利要求1所述的一种三维角度测量装置，其特征在于：经扩束准直镜输出的光束直径为探测器面阵的直径或边长的一半。

3.根据权利要求1所述的一种三维角度测量装置，其特征在于：激光器为带有温控的半导体激光器模组。

4.根据权利要求1所述的一种三维角度测量装置，其特征在于：探测器为位置探测器PSD，四象限探测器QD，或 CCD、CMOS面阵器件。

5.一种三维角度测量方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将三维角度测量装置的固件部件安装在多维移动台上，三维角度测量装置的移动部件固定在被测目标上；所述测量装置的结构为：固件部件的激光器（1）光源发出的光束经扩束准直镜（2）后，再经分束器（3）分成两路传输，一路传输至消光器（11），另一路传输至移动部件；传输至移动部件的光束经半透半反镜或膜（6）分成两部分，一部分光束经反射后返回固定部件，进入第一探测器（10-1）形成光斑；另一部分光束入射进入长角镜（7）内部，经两次全反射面反射后，出射光传输到固定部件，进入第二探测器（10-2）形成光斑；

（3）调节多维移动台上固定部件的六个自由度，使分别在第一探测器（10-1）和第二探测器（10-2）上形成的光斑的坐标处于零点坐标附近，记录初始位置；

（4）记录移动部件入射光束与出射光束之间的距离（d）；

（5）记录固定部件出光口到第一探测器（10-1）的光传输距离（l ₁），用激光测距仪测量固定部件和移动部件之间的距离（l ₂）；

（6）实时测量第一探测器（10-1）和第二探测器（10-2）上形成的光斑的坐标位移变化；

（7）分别按俯仰角（θx）、偏摆角（θy）和翻滚角（θr）的三维角度计算方法，得到被测目标的三维角度变化结果。