CN111380501B - 基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量相关技术领域，其公开了一种基于双折射晶视场效应的姿态角实时测量方法及装置，装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，高速偏振测量模块包括分别位于物体姿态调整模块相背的两侧的起偏单元及实时检偏单元；物体姿态调整模块包括姿态角控制器、分别连接于姿态角控制器的滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元及双折射晶体。所述测量方法包括根据高速偏振测量模块测得光学参数进行物体姿态角实时提取算法，以及姿态角测量误差补偿方法。本发明适用性强，能够实现对附有双折射晶体的物体的姿态角大范围高精度实时原位测量。

Description

基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置

技术领域

本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置。

背景技术

姿态角是描述物体运动的重要参数，通常由偏航角

俯仰角θ及滚转角ф组成。在精密制造，机器人控制，飞行器导航等领域，对姿态角大范围实时精确测量十分重要。传统的姿态角测量方法都是需整合多个传感器测量到的信息才能实现全姿态角测量。常用的姿态角传感器有陀螺仪、加速度计等。由于陀螺仪测量的是角速度而不是角度，因此在使用陀螺仪获取姿态角时需要考虑到积分误差等问题；而加速度计则容易受到振动的影响。因此，为了精确地测量物体地姿态角，这些测量系统往往通常需要配备多个陀螺仪和加速度计，这会增加整个系统的成本，也会增加系统的复杂程度。

近些年来，由于非接触、系统灵活，成本低，精度高和灵敏度高等优点，光学测量方法在姿态角测量中具有很大的潜力。目前基于光学测量姿态角的方法主要有：一种是基于磁性石榴石单晶偏振效应的滚转角测量方法，其能在较大范围内对滚转角进行测量；第二种是基于多芯光纤的光纤型布拉格光栅应变传感器，其能在滚转角在±2°、俯仰角在±15°方位内对物体姿态角进行测量；最后一种是基于激光自准直的方法，其能实现全姿态角测量，同时其分辨率为0.01弧秒，精度为0.5弧秒，但测量范围仅为60弧秒。目前已有的基于光学的姿态角测量方法一方面不能实现全姿态角实时测量，一方面对姿态角的测量范围太小。相应地，本领域亟待提出一种能够大范围实时原位全姿态角测量的装置及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置，其结合了原位实时大范围高精度姿态角测量的测量需求，相应地设计了一种能够对任意姿态下的物体的姿态角进行测量与提取的装置及方法，该装置主要组件有能够大范围调整物体姿态的姿态调节模块，以及能够实时原位测量物体姿态变化的高速偏振实时测量模块。同时结合倾斜入射情况下，双折射晶体的穆勒矩阵形式的光学表征模型，及特殊测量配置下双折射晶体光学参数提取算法，以及视场角与姿态角对应关系，可以完成任意姿态下的附着有双折射晶体的物体的姿态角的大范围原位实时的高精度测量。此外，结合所测量到的任意时刻下的姿态角，还可以求得各姿态角变化的角速度及角加速度。同时，本发明能够适用于各种类型物体的姿态角测量，该测量方法不仅仅局限于透射式测量，也适用于反射式测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，所述装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，所述高速偏振测量模块包括起偏单元及实时检偏单元，所述起偏单元及所述实时检偏单元分别位于所述物体姿态调整模块相背的两侧，且所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射和透射模式测量；

所述物体姿态调整模块包括滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元、姿态角控制器，俯仰角实时测量单元及双折射晶体，所述俯仰角调节单元、所述偏航角调节单元及所述高度调节单元分别连接于所述姿态角控制器，所述滚转角调节单元设置在所述俯仰角调节单元上，所述俯仰角调节单元设置在所述偏航角调节单元上，所述偏航角调节单元设置在所述高度调节单元上；所述滚转角调节单元用于承载物体及双折射晶体，工作时，所述双折射晶体以及俯仰角实时测量单元附着于物体上；

所述高度调节单元用于调节物体所处的高度，使得光线能够从所述双折射晶体的中心透过；所述偏航角调节单元用于调节所述物体的偏航角；所述俯仰角调节单元用于调节所述物体的俯仰角；所述滚转角调节单元用于调节所述物体的滚转角；所述姿态角控制器用于同时对所述物体姿态调整模块的各个调节单元进行连续实时的闭环控制，以及产生相关触发信号。

进一步地，所述姿态角调整模块能对所述物体的姿态在滚转角滚转角0°～360°、倾斜角及偏航角在-90°～90°范围内调节。

进一步地，所述起偏单元包括偏振激光光源及第一消色差1/4波片，能够输出任意偏振态的偏振光。所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射和透射模式测量。

进一步地，所述起偏单元输出的偏振光透过物体上附着的双折射晶体后进入所述实时检偏单元，从而获取双折射晶体随物体姿态变化的光学参数，同时结合双折射晶体的光学参数与物体姿态角之间的关系，便可实时获取物体的姿态角。

进一步地，所述俯仰角实时测量单元连接于所述姿态角控制器，所述俯仰角实时测量单元用于实时测量物体的俯仰角，通过所述姿态控制器输出的触发信号与所述高速偏振测量模块进行实时同步测量。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，所述实时测量方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，将所述实时测量装置进行光路对准，并在不放置待测物体的情况下，调节所述起偏单元以使所述起偏单元输出圆偏振光；

(2)将附着有双折射晶体的物体放置于滚转角调节单元内，打开姿态角控制器以实时控制物体的姿态，同时，所述姿态角控制器发出触发信号到所述实时检偏单元以及俯仰角实时测量单元，进而对姿态变化过程进行实时采集；

(3)根据步骤(2)采集到的光强，通过所述实时检偏单元求解透过双折射晶体的偏振光的斯托克斯向量S_out；

(4)建立倾斜入射下双折射晶体的光学表征模型，结合步骤(3)中测得的出射偏振光的斯托克斯向量S_out，提取出倾斜入射下、双折射晶体的延迟量δ及方位角ф；

(5)建立不同视场角下双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)；

(6)结合步骤(4)中提取到的双折射晶体的光学参数及步骤(5)中的双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)，以提取出不同时间点下双折射晶体的视场角；

(7)建立视场角与物体的姿态角之间的关系，结合步骤(6)中测得的视场角及步骤(2)中的俯仰角实时计算得到物体的姿态角。

进一步地，通过计算物体的姿态角随时间的变化来求得各姿态角对应的角速度ω及角加速度α。

进一步地，步骤(1)中，首先，使所述起偏单元的偏振激光光源输出的线偏振光方位与起偏单元的第一消色差1/4波片的方位角之间保持一个45°的差值；然后，以相同的增量N_m次同时旋转偏振激光光源及所述第一消色差1/4波片，比较测量得到的斯托克斯向量S^m与计算得到的斯托克斯向量S^c，通过最小化误差校准公式χ²，以求得相对角度偏差Δθ_cir和波片延迟量偏差Δθ_cir；最后，通过补偿相对角度偏差Δθ_cir和波片延迟量偏差Δθ_cir来得到圆偏振光输出；其中，

式中，N_m总的增量测量次数，上标“m”代表测量的结果，上标“c”代表理论计算得到的结果，下标“q,p”代表q次测量中第p个斯托克斯参量，σ(S_q,p)是测量的斯托克斯向量的标准差。

进一步地，双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)为：

式中，所用双折射晶体不仅限于单片，可由多片组成；d_i为第i片双折射晶体的厚度，n_yi和n_zi为晶体中对应其自身坐标系轴向的有效折射率，λ为所用光源的输出光的波长；β为入射角。

进一步地，视场角与物体的姿态角之间的关系为：视场角中方位角与姿态角中的滚转角相等，视场角中入射角β与倾斜角和偏航角

具有以下关系，

式中，θ为俯仰角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置主要具有以下有益效果：

1.本发明可在极大的姿态角变化方位内实现全姿态角测量，得益于双折射的视场效应及姿态调节模块极大的姿态角调节范围，可在滚转角在0°～360°范围内，俯仰角和偏航角在-90°～90°方位内进行精确测量。

2.本发明所用的双折射晶体可为常见的石英、方解石等，价格低廉，且易于获得；同时这类双折射晶体光学性质稳定，为姿态角测量标定和校准提供了便利，同时阵对不同的测量要求，还可以对所用双折射晶体的厚度、材料及组合进行优化。

3.本发明结合了高速偏振测量方法的高精度、高灵敏度、以及高测量时间分辨率等优点，能够实现姿态角原位实时的高精度测量与提取，此外，还可以对各个姿态角的角速度和角加速度进行提取。

4.本发明够适用于多种类型物体的姿态角测量，该测量方法不仅仅局限于透射式测量，也适用于反射式测量。

5.所提出的装置结构简单，易于调试，同时具有极大的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置优化。

附图说明

图1是本发明提供的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10-偏振激光光源，20-第一消色差1/4波片，21-第二消色差1/4波片，30-双折射晶体，40-70:30非偏振分束器，50-消色差1/2波片，60-第一大口径光纤准直器，61-第二大口径光纤准直器，62-第三大口径光纤准直器，63-第四大口径光纤准直器，64-第五大口径光纤准直器，65-第六大口径光纤准直器，70-第一高响应频率光电倍增管，71-第二高响应频率光电倍增管，72-第三高响应频率光电倍增管，73-第四高响应频率光电倍增管，74-第五高响应频率光电倍增管，75-第六高响应频率光电倍增管，80-第一偏分束器，81-第二偏分束器，82-第三偏分束器，90-50:50非偏振分束器，100-滚转角调节单元，110-俯仰角调节单元，120-偏航角调节单元，130-高度调节单元，140-姿态角控制器，150-高度采集卡，160-位处理器，170-俯仰角实时测量单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，所述实时测量装置包括高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，所述高速偏振测量模块包括起偏单元及实时检偏单元，所述起偏单元及所述实时检偏单元分别位于所述物体姿态调整模块相背的两侧，且均安装在旋转底板上，可以同时适用于透射式测量及反射式测量。

所述起偏单元包括偏振激光光源10及第一消色差1/4波片20，所述实时检偏单元包括第二消色差1/4波片21、70:30非偏振分束器40、50:50非偏振分束器90、第一偏分束器80、第二偏分束器81、第三偏分束器82、消色差1/2波片50、第一大口径光纤准直器60、第二大口径光纤准直器61、第三大口径光纤准直器62、第四大口径光纤准直器63、第五大口径光纤准直器64、第六大口径光纤准直器65、第一高响应频率光电倍增管70、第二高响应频率光电倍增管71、第三高响应频率光电倍增管72、第四高响应频率光电倍增管73、第五高响应频率光电倍增管74、第六高响应频率光电倍增管75、高速采集卡150及微处理器160。

本实施方式中，所述偏振激光光源10、所述第一消色差1/4波片20、所述70:30非偏振分束器40、所述消色差1/2波片50、所述第一偏分束器80、所述第二大口径光纤准直器61及所述第二高响应频率光电倍增管71依次沿同一个水平方向间隔设置，所述50:50非偏振分束器90及所述第二偏分束器81分别位于所述70:30非偏振分束器40及所述第一偏分束器80下方，所述50:50非偏振分束器90、所述第二消色差1/4波片21、所述第二偏分束器81、所述第三大口径光纤准直器62及所述第三高响应频率光电倍增管72沿同一个水平方向依次间隔设置；所述第二偏分束器81的一个输出端依次通过所述第四大口径光纤准直器63及第四高响应频率光电倍增管73连接于所述高速采集卡150。所述第三偏分束器82的一个输出端依次通过第五大口径光纤准直器64及所述第五高响应频率光电倍增管74连接于所述高速采集卡150，另一个输出端依次通过所述第六大口径光纤准直器65及所述第六高响应频率光电倍增管75连接于所述高速采集卡150。所述第一偏分束器80的一个输出端依次通过所述第一大口径光纤准直器60及所述第一高响应频率光电倍增管70连接于所述高速采集卡150，所述第二高响应频率光电倍增管71及所述第三高响应频率光电倍增管72分别连接于所述高速采集卡150。所述高速采集卡150连接于所述位处理器160。

在所述起偏单元中，所述偏振激光光源10输出偏振波长可根据具体的双折射晶体30的光学性质和姿态角的测量范围进行优选。所述偏振激光光源10及所述第一消色差1/4波片20设置在所述旋转基座上，可通过调整所述偏振激光光源10和所述消色差1/4波片20的方位角来调整输出的偏振光的偏振态。

在实时检偏单元中，所述70:30非偏振分束器40及所述50:50非偏振分束器90将入射至所述实时检偏单元中的偏振光分成三束光强度相当的光。这三束光分别经由第三偏分束器82、所述第二消色差1/4波片21及所述第二偏分束器81、所述消色差1/2波片50及所述第一偏分束器80这三组检偏组合后，分别被所述第五大口径光纤准直器64、所述第六大口径光纤准直器65、所述第三大口径光纤准直器62、所述第四大口径光纤准直器63、第二大口径光纤准直器61及所述第一大口径光纤准直器60收集后，通过光纤分别传输给所述第一高响应频率光电倍增管70、第二高响应频率光电倍增管71、第三高响应频率光电倍增管72、第四高响应频率光电倍增管73、第五高响应频率光电倍增管74及第六高响应频率光电倍增管75，继而同步传输到所述高速采集卡150内，再经由所述高速采集卡150传输给所述微处理器160内，所述微处理器160对接收到的数据进行处理以得到输入到所述实时检偏单元的偏振光的斯托克斯向量。

本实施方式中，所述消色差1/2波片50及所述第二消色差1/4波片21的方位角可以针对不同的测量对象进行优化配置，以达到提高系统稳定性及噪声抵抗力的作用；同时，所述第一大口径光纤准直器60、第二大口径光纤准直器61、第三大口径光纤准直器62、第四大口径光纤准直器63、第五大口径光纤准直器64、第六大口径光纤准直器65也可以应对由于物体姿态角变化造成的幅度较大的光线偏移的情况。

所述物体姿态调整模块包括滚转角调节单元100、俯仰角调节单元110、偏航角调节单元120、高度调节单元130、姿态角控制器140、双折射晶体30及俯仰角实时测量单元170。所述俯仰角实时测量单元170、所述俯仰角调节单元110、所述偏航角调节单元120及所述高度调节单元130分别连接于所述姿态角控制器140，所述滚转角调节单元100设置在所述俯仰角调节单元110上，所述俯仰角调节单元110设置在所述偏航角调节单元120上，所述偏航角调节单元120设置在所述高度调节单元130上。所述滚转角调节单元100用于承载物体及双折射晶体30，工作时，所述双折射晶体30以及俯仰角实时测量单元170附着于物体上。

所述高度调节单元130用于调节物体所处的高度，使得光线能够从所述双折射晶体30的中心透过。所述偏航角调节单元120用于调节所述物体的偏航角；所述俯仰角调节单元110用于调节所述物体的俯仰角；所述滚转角调节单元100用于调节所述物体的滚转角，附着有所述双折射晶体30的物体通过转接器件安装于所述滚转角调节单元100内。所述姿态角控制器140用于产生各类控制信号及触发信号，通过数据线与所有调节单元连接。所述俯仰角实时测量单元170用于实时测量所述物体的俯仰角，并传输给所述姿态角控制器140，继而所述姿态角控制器140与所述高速偏振测量模块相连接，由此所述俯仰角实时测量单元170与所述高速偏振测量模块进行实时同步测量。所述姿态角控制器140能够同时对各个调节单元进行连续实时的闭环控制，并且所述姿态角调整模块能对所述物体的姿态在滚转角滚转角0°～360°，倾斜角及偏航角在-90°～90°范围内调节。

本发明还提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，所述实时测量方法主要包括以下步骤：

步骤一，将所述姿态角实时测量装置进行光路对准以后，在不放置待测物体的情况下，通过旋转第一消色差1/4波片20，使所述起偏单元输出圆偏振光。

具体地，为了减少由于不理想的圆偏振光入射造成的姿态角测量误差，首先，使偏振激光光源10输出的线偏振光方位与所述第一消色差1/4波片20的方位角之间保持一个45°的差值。然后，以相同的增量N_m次同时旋转偏振激光光源10及所述第一消色差1/4波片20，比较测量得到的斯托克斯向量S^m与计算得到的斯托克斯向量S^c，通过最小化误差校准公式χ²，以求得相对角度偏差Δθ_cir和波片延迟量偏差Δθ_cir。最后，通过补偿相对角度偏差Δθ_cir和波片延迟量偏差Δθ_cir来得到较为理想的圆偏振光输出。其中，

式中，N_m总的增量测量次数，上标“m”代表测量的结果，上标“c”代表理论计算得到的结果，下标“q，p”代表q次测量中第p个斯托克斯参量，σ(S_q,p)是测量的斯托克斯向量的标准差。

步骤二，将附着有双折射晶体30的物体放置在所述滚转角调节单元100中，打开所述姿态角控制单元140以实时控制物体的姿态，同时所述姿态角控制器140输出一个触发信号到所述高速采集卡150，所述高速采集卡150对姿态变化过程进行姿态采集。此外，物体的俯仰角θ(t)可通过一个俯仰角实时测量单元170进行同步实时采集。

步骤三，根据步骤二中采集到的光强，可得到一个光强矩阵B，结合实时检偏单元的检偏矩阵A，可求解透过双折射晶体30的偏振光的斯托克斯向量S_out。

S_out＝(A^TA)^-1A^TB.

步骤四，建立倾斜入射下双折射晶体30的光学表征模型，倾斜入射下的同时具有线双折射性质(LB)及圆双折射性质(CB)的双折射晶体30可由旋光角γ、方位角ф及延迟量δ以穆勒矩阵的形式表达：

M_WP(ф,δ,γ)＝M_LB(ф,δ)·M_CB(γ).

其中，M_LB是具有LB性质的器件的穆勒矩阵，

M_CB是具有CB性质的器件的穆勒矩阵，

因此，透过双折射晶体30的偏振光的斯托克斯向量S_out也可以由理论计算得到，

S_out＝M_WP·[1 0 0 1]^T＝[1 sin(2ф)sin(δ) cos(2ф)sin(δ) cos(δ)]^T.

结合步骤三中测得的出射偏振光的斯托克斯向量S_out，提取出倾斜入射下，双折射晶体30的延迟量δ及方位角ф等光学参数。

δ＝arccos[S_out(3)]；

ф＝arcsin[S_out(2)/sin(δ)]/2或ф＝arccos[S_out(3)/sin(δ)]/2。

步骤五，建立不同视场角下(入射角β和方位角ф)，双折射晶体30的延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)。

其中，所用双折射晶体30不仅限于单片，可由多片组成。d_i为第i片双折射晶体的厚度，n_yi和n_zi为晶体中对应其自身坐标系轴向的有效折射率，λ为所用偏振激光光源10的输出光的波长。

步骤六，结合步骤四中提取的双折射晶体光学参数δ和ф及步骤五中建立的延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)，可以提取出不同时间点下双折射晶体的入射角β(t)。

步骤七，建立视场角与附着双折射晶体的物体的姿态角之间的关系，场角中方位角ф与姿态角中的滚转角ф相等，视场角中入射角β与倾斜角θ和偏航角

具有以下关系，

结合步骤六中测得的视场角β(t)及步骤二中测得的俯仰角θ(t)，可以计算得到不同时刻下、物体的偏航角

至此，任意时刻下，所有姿态角θ(t)、

ф(t)都已得到。

此外，通过计算得到的物体姿态角随时间变化的信息，还可以求得各姿态角变化的角速度ω及角加速度α。以滚转角为例，计算公式如下，

总体而言，本发明具有以下有益结果：本发明所述测量装置及测量方法得益于双折射的视场效应及姿态调节模块极大的姿态角调节范围，以及高速偏振测量方法的高精度、高灵敏度、以及高测量时间分辨率等优点，可在滚转角在0°～360°，俯仰角和偏航角在-90°～90°这样极大的姿态角变化范围内实现对全姿态角的原位实时的精确测量。此外，结合姿态角随时间变化的信息，还可以对各个姿态角的角速度和角加速度进行提取。

本发明所用的双折射晶体可为常见的石英、方解石等，价格低廉，且易于获得；同时这类双折射晶体光学性质稳定，为姿态角测量标定和校准提供了便利；针对不同的测量要求，还可以对所用双折射晶体的厚度，材料及组合进行优化。本发明够适用于多种类型物体的姿态角测量，该测量方法不仅仅局限于透射式测量，也适用于反射式测量。本发明提出的测量装置，结构简单，易于调试；同时具有极大的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置优化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：

所述实时测量装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，所述高速偏振测量模块包括起偏单元及实时检偏单元，所述起偏单元及所述实时检偏单元分别位于所述物体姿态调整模块相背的两侧，且所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射模式测量和透射模式测量；

所述物体姿态调整模块包括滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元、姿态角控制器，俯仰角实时测量单元及双折射晶体，所述俯仰角调节单元、所述偏航角调节单元及所述高度调节单元分别连接于所述姿态角控制器，所述滚转角调节单元设置在所述俯仰角调节单元上，所述俯仰角调节单元设置在所述偏航角调节单元上，所述偏航角调节单元设置在所述高度调节单元上；所述滚转角调节单元用于承载物体及双折射晶体，工作时，所述双折射晶体以及俯仰角实时测量单元附着于物体上；

所述高度调节单元用于调节物体所处的高度，使得光线能够从所述双折射晶体的中心透过；所述偏航角调节单元用于调节所述物体的偏航角；所述俯仰角调节单元用于调节所述物体的俯仰角；所述滚转角调节单元用于调节所述物体的滚转角；所述姿态角控制器用于同时对所述物体姿态调整模块的各个调节单元进行连续实时的闭环控制，以及产生触发信号。

2.如权利要求1所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：所述姿态角调整模块能对所述物体的姿态在滚转角滚转角0°～360°、倾斜角及偏航角在-90°～90°范围内调节。

3.如权利要求1所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：所述起偏单元输出的偏振光透过物体上附着的双折射晶体后进入所述实时检偏单元，从而获取双折射晶体随物体姿态变化的光学参数，同时结合双折射晶体的光学参数与物体姿态角之间的关系，便可实时获取物体的姿态角。

4.如权利要求1所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：所述俯仰角实时测量单元连接于所述姿态角控制器，所述俯仰角实时测量单元用于实时测量物体的俯仰角，通过所述姿态控制器输出的触发信号与所述高速偏振测量模块进行实时同步测量。

5.一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供权利要求1-4任一项所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，将所述实时测量装置进行光路对准，并在不放置待测物体的情况下，调节所述起偏单元以使所述起偏单元输出圆偏振光；

(2)将附着有双折射晶体的物体放置于滚转角调节单元内，打开姿态角控制器以实时控制物体的姿态，同时，所述姿态角控制器发出触发信号到所述实时检偏单元以及俯仰角实时测量单元，进而对姿态变化过程进行实时采集；

(3)根据步骤(2)采集到的光强，通过所述实时检偏单元求解透过双折射晶体的偏振光的斯托克斯向量S_out；

(4)建立倾斜入射下双折射晶体的光学表征模型，结合步骤(3)中测得的出射偏振光的斯托克斯向量S_out，提取出倾斜入射下、双折射晶体的延迟量δ及方位角ф；

(5)建立不同视场角下双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)，其中，β为入射角；

(6)结合步骤(4)中提取到的双折射晶体的光学参数及步骤(5)中的双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)，以提取出不同时间点下双折射晶体的视场角；

(7)建立视场角与物体的姿态角之间的关系，结合步骤(6)中测得的视场角及步骤(2)中的俯仰角实时计算得到物体的姿态角。

6.如权利要求5所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，其特征在于：通过计算物体的姿态角随时间的变化来求得各姿态角对应的角速度ω及角加速度α。

7.如权利要求5所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，其特征在于：步骤(1)中，首先，使所述起偏单元的偏振激光光源输出的线偏振光方位与起偏单元的第一消色差1/4波片的方位角之间保持一个45°的差值；然后，以相同的增量N_m次同时旋转偏振激光光源及所述第一消色差1/4波片，比较测量得到的斯托克斯向量S^m与计算得到的斯托克斯向量S^c，通过最小化误差校准公式χ²，以求得相对角度偏差Δθ_cir和波片延迟量偏差Δθ_cir；最后，通过补偿相对角度偏差Δθ_cir和波片延迟量偏差Δθ_cir来得到圆偏振光输出；其中，

式中，N_m为总的增量测量次数，上标“m”代表测量的结果，上标“c”代表理论计算得到的结果，下标“q，p”代表q次测量中第p个斯托克斯参量，σ(S_q,p)是测量的斯托克斯向量的标准差。

8.如权利要求5所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，其特征在于：双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)为：

式中，所用双折射晶体不仅限于单片，或者由多片组成；d_i为第i片双折射晶体的厚度，n_yi和n_zi为晶体中对应其自身坐标系轴向的有效折射率，λ为所用光源的输出光的波长；β为入射角。

9.如权利要求5所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，其特征在于：视场角与物体的姿态角之间的关系为：视场角中方位角与姿态角中的滚转角相等，视场角中入射角β与倾斜角和偏航角

具有以下关系，

式中，θ为俯仰角。

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