CN113899322B - 转动角位移和角速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转动角位移和角速度测量系统及方法，包括：激光器，输出线偏振激光；准直透镜，对所述线偏振激光进行准直；分光移频装置，包括第二分光镜、第一移频器、第二移频器和第三移频器，设置于从所述准直透镜出射的所述线偏振激光的光路上，将所述线偏振激光进行分光并实现差动移频，向待测目标发射第一测量光和第二测量光，被所述待测目标散射返回的第一测量回馈光和第二测量回馈光进入所述激光器，从而对所述激光器输出的所述线偏振激光的光强进行调制；光电探测装置，将光强信号转换为电信号；信号处理装置，计算转动角位移和角速度信息。本发明提供的转动角位移和角速度测量系统及方法具有非接触、高分辨率、高精度、全周角、动态测量的特点。

Description

转动角位移和角速度测量系统及方法

技术领域

本申请涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种转动角位移和角速度测量系统及方法。

背景技术

转动角位移和角速度测量技术广泛应用于航空航天、激光精密计量、电子产品制造等多个领域，在现代工业中具有重要的作用。传统的转动角位移测量主要有基于容栅式角度测量技术的电学角位移传感器测量和基于光学原理的角位移测量两类，角速度是角位移的微分结果。

基于容栅式角度测量技术的电学角位移传感器测量为接触式测量，在使用过程中会引入安装误差，严重限制了电学角位移传感器的应用范围。基于光学原理的角位移测量方法较多，如光栅干涉仪测角法、双波长干涉测角法、激光双折射效应测角法等。光栅干涉仪测角法为接触式测量，且光栅本身易受外界环境干扰，稳定性较差。双波长干涉测角法和激光双折射效应测角法通过测量转动过程中光束的相位变化获得角位移信息，很难实现全周角测量。

发明内容

针对上述背景技术中提到的问题，本发明提供了一种非接触、高分辨率、高精度、全周角、动态测量的转动角位移和角速度测量系统及方法。

一种转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，包括：激光器，能够输出线偏振激光；准直透镜，设置于从所述激光器出射的所述线偏振激光的光路上，能够对所述线偏振激光进行准直；分光移频装置，包括第二分光镜、第一反光镜、第一移频器、第二移频器和第三移频器，设置于从所述准直透镜出射的所述线偏振激光的光路上，能够将所述线偏振激光进行分光并实现差动移频，从而向待测目标发射第一测量光和第二测量光，还能够接收被所述待测目标散射返回的所述第一测量光和所述第二测量光，形成第一测量回馈光和第二测量回馈光，返回的所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器，从而对所述激光器输出的所述线偏振激光的光强进行调制；光电探测装置，用于探测所述线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号；信号处理装置，所述信号处理装置与所述光电探测装置电连接，将所述电信号进行同步相位解调并输出至计算机，计算并实时显示转动角位移和角速度信息。

在一个实施例中，所述第二分光镜设置于从所述准直透镜出射的所述线偏振激光的光路上，用于对所述线偏振激光进行反射和透射，形成反射光和透射光。

在一个实施例中，所述第一反射镜设置于从所述第二分光镜出射的所述反射光的光路上。

在一个实施例中，所述第二移频器设置于从所述第二分光镜出射的所述透射光的光路上，且位于所述第二分光镜与所述待测目标之间；所述第三移频器设置于从所述第一反射镜出射的所述反射光的光路上，且位于所述第一反射镜与所述待测目标之间。

在一个实施例中，所述第一移频器设置于从所述准直透镜出射的所述线偏振激光的光路上，且位于所述准直透镜与所述第二分光镜之间。

在一个实施例中，所述分光移频装置还包括第四移频器，所述第四移频器设置于从所述第一反射镜出射的所述反射光的光路上，且位于所述第一反射镜与所述第三移频器之间；所述第一移频器设置于从所述第二分光镜出射的所述透射光的光路上，且位于所述第二分光镜与所述第二移频器之间。

在一个实施例中，所述转动角位移和角速度测量系统还包括：第一分光镜，设置于从所述激光器出射的所述线偏振激光的光路上，且位于所述激光器与所述准直透镜之间，用于对所述激光器出射的线偏振激光进行反射和透射。

在一个实施例中，所述光电探测装置设置于从所述第一分光镜反射的所述线偏振激光的光路上。

在一个实施例中，所述光电探测装置设置于所述激光器出射的所述线偏振激光的光路的反方向上。

一种转动角位移和角速度测量方法，其特征在于，应用于转动角位移和角速度测量系统，所述转动角位移和角速度测量系统包括激光器、准直透镜、分光移频装置、光电探测装置和信号处理装置，所述分光移频装置包括第二分光镜、第一反射镜、第一移频器、第二移频器和第三移频器，所述方法包括：

S110，确定待测目标，所述激光器输出线偏振激光，所述准直透镜对所述线偏振激光进行准直；

S120，所述分光移频装置将所述线偏振激光分光并实现差动移频形成第一测量光和第二测量光，所述第一测量光和所述第二测量光入射在所述待测目标侧表面，所述分光移频装置接收被所述待测目标散射返回的所述第一测量光和所述第二测量光，形成第一测量回馈光和第二测量回馈光，返回的所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器，从而对所述激光器输出的所述线偏振激光的光强进行调制；

S130，所述光电探测装置探测所述激光器出射的线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号。

S140，所述信号处理装置根据所述电信号计算得到所述待测目标的转动角位移和角速度。

在一个实施例中，所述S120包括：

S121，所述线偏振激光进入所述第一移频器分成0级衍射光和+1或-1级衍射光；

S123，所述+1或-1级衍射光进入所述第二分光镜形成反射光和透射光，所述透射光进入所述第二移频器形成所述第一测量光，所述反射光经所述第一反射镜反射进入所述第三移频器形成所述第二测量光；

S125，所述第一测量光和所述第二测量光入射在所述待测目标侧表面被所述待测目标散射，所述第一测量光和所述第二测量沿原光路相反方向进入所述分光移频装置形成所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光；

S127，所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器对所述激光器输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

在一个实施例中，所述分光移频装置还包括第四移频器，所述S120包括：

S122，所述线偏振激光进入所述第二分光镜形成反射光和透射光；

S124，所述透射光依次进入所述第一移频器和所述第二移频器实现差动移频形成所述第一测量光，所述反射光经所述第一反射镜反射后依次进入所述第三移频器和所述第四移频器形成所述第二测量光；

S126，所述第一测量光和所述第二测量光入射在所述待测目标侧表面被所述待测目标散射，所述第一测量光和所述第二测量沿原光路相反方向进入所述分光移频装置形成所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光；

S128，所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器对所述激光器输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

在一个实施例中，所述待测目标的转动角位移和角速度为：

转动角位移：

转动角速度：

其中，λ为所述激光器输出的所述线偏振激光波长，S为所述待测目标转动位移，φ₁和φ₂分别为所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光的相位变化量，R为转动半径，D为所述第一测量光和所述第二测量光的间距，θ₁和θ₂分别为所述第一测量光和所述第二测量光与所述待测目标转动速度方向之间的夹角。

本申请提供的所述转动角位移和角速度测量系统及方法，激光器发射线偏振激光，准直透镜对所述线偏振激光进行准直，准直后的所述线偏振激光经过分光移频装置形成第一测量光和第二测量光。所述第一测量光和第二测量光在待测目标表面发生散射，所述分光移频装置接收被所述待测目标散射返回的所述第一测量光和所述第二测量光，形成第一测量回馈光和第二测量回馈光。返回的所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器，从而对所述激光器输出的所述线偏振激光的光强进行调制。光电探测装置探测回馈调制后的激光器出射的所述线偏振激光光信号，并将光信号转换为电信号。信号处理装置根据所述电信号计算所述待测目标的角位移。本申请通过所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光的光强或相位变化反应所述待测目标的转动角位移，因而可以扩大应用范围，实现全周角测量。本申请所述第一测量光和所述第二测量光无需在所述待测目标表面汇聚，所述转动角位移和角速度测量系统及方法应用限制条件更少，能测量不同所述待测目标。本申请通过激光的回馈调制现象进行测量，具有高精度、高分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的转动角位移和角速度测量系统示意图。

图2为本申请一个实施例提供的转动角位移和角速度测量系统示意图。

图3为本申请一个实施例提供的转动角位移和角速度测量系统示意图。

图4为本申请一个实施例提供的转动角位移和角速度测量系统示意图。

图5为本申请一个实施例提供的分光移频装置示意图。

图6为本申请一个实施例提供的分光移频装置示意图。

附图标号说明：

转动角位移和角速度测量系统10、激光器110、第一分光镜120、准直透镜130、分光移频装置140、第二分光镜141、第一反光镜142、第一移频器143、第二移频器144、第三移频器145、第四移频器146、待测目标150、光电探测装置160、信号处理装置170。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施实例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的、用于解释本申请，而不是为了限制本发明的范围及应用。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“表面上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

参见图1，本申请实施例提供一种转动角位移和角速度测量系统10。所述转动角位移和角速度测量系统10包括激光器110、准直透镜130、分光移频装置140、光电探测装置160和信号处理装置170。所述激光器110能够输出线偏振激光。所述准直透镜130设置于从所述激光器110出射的所述线偏振激光的光路上。所述准直透镜130能够对所述线偏振激光进行准直，以保证所述转动角位移和角速度测量系统10的精确性。所述分光移频装置140包括第二分光镜141、第一反射镜142、第一移频器143、第二移频器144和第三移频器145。所述分光移频装置140设置于从所述准直透镜130出射的所述线偏振激光的光路上，能够将所述线偏振激光进行分光并实现差动移频，从而向待测目标150发射第一测量光I₁和第二测量光I₂。所述分光移频装置140还能够接收被所述待测目标150散射返回的所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂，形成第一测量回馈光f₁和第二测量回馈光f₂。返回的所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂进入所述激光器110，从而对所述激光器110输出的所述线偏振激光的光强进行调制。所述光电探测装置160用于探测所述线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号。所述信号处理装置170与所述光电探测装置160电连接，将所述电信号进行同步相位解调并输出至计算机，计算并实时显示转动角位移和角速度信息。

所述激光器110可以是固体激光器，也可以是光纤激光器或半导体激光器的一种。所述激光器110可以输出模式为基横模或单纵模的线线偏振激光。在该模式下，所述激光器110可以具有良好回馈效果。所述待测目标150形状、大小不固定，可以为圆台或方块等。所述第一移频器143、所述第二移频器144和所述第三移频器145可以是声光调制器，也可以是电光调制器或者光栅。

本实施例通过所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂的光强或相位变化反应所述待测目标的转动角位移，因而可以扩大应用范围，实现全周角测量。本申请所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂无需在所述待测目标150表面汇聚，所述转动角位移和角速度测量系统10及方法应用限制条件更少，能测量不同所述待测目标150。本申请通过激光的回馈调制现象进行测量，具有高精度、高分辨率。

在一个实施例中，所述第二分光镜141设置于从所述准直透镜130出射的所述线偏振激光的光路上，用于对所述线偏振激光进行反射和透射，形成反射光和透射光。所述第二分光镜141无材料要求。所述第二分光镜141可以选择镀激光器波长增透膜的镜片，以达到更好的分光效果。

在一个实施例中，所述第一反射镜142设置于从所述第二分光镜141出射的所述反射光的光路上。所述第一反射镜142用于将所述第二分光镜141出射的所述反射光反射到所述待测目标150上。所述第一反射镜142无材料要求。

在一个实施例中，所述第二移频器144设置于从所述第二分光镜141出射的所述透射光的光路上。所述第二移频器144位于所述第二分光镜141与所述待测目标150之间。所述第三移频器145设置于从所述第一反射镜142出射的所述反射光的光路上，且位于所述第一反射镜142与所述待测目标150之间。

在一个实施例中，所述第一移频器145设置于从所述准直透镜130出射的所述线偏振激光的光路上，且位于所述准直透镜130与所述第二分光镜141之间。所述准直透镜130出射的所述线偏振激光经所述第一移频器145移频后进入所述第二分光镜141形成移频后的反射光和透射光。移频后的所述透射光进入所述第二移频器144实现了差动移频形成所述第一测量光I₁。移频后的所述反射光经所述第一反射镜142反射进入所述第三移频器145实现了差动移频形成所述第二测量光I₂。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂可以对称入射到所述待测目标150表面，也可以非对称入射到所述待测目标150表面。

请参见图2，在一个实施例中，所述分光移频装置140还包括第四移频器146。所述第四移频器146设置于从所述第一反射镜142出射的所述反射光的光路上。所述第四移频器146位于所述第一反射镜142与所述第三移频器145之间。所述第一移频器143设置于从所述第二分光镜141出射的所述透射光的光路上。所述第一移频器143位于所述第二分光镜141与所述第二移频器144之间。所述第四移频器146可以是声光调制器，也可以是电光调制器或者光栅。所述准直透镜130出射的所述线偏振激光进入所述第二分光镜141形成所述反射光和所述透射光。所述透射光依次进入所述第一移频器143和所述第二移频器144实现了差动移频形成所述第一测量光I₁。所述反射光经所述第一反射镜142反射后进入所述第三移频器145和所述第四移频器146实现了差动移频形成所述第二测量光I₂。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂可以对称入射到所述待测目标150表面，也可以非对称入射到所述待测目标150表面。

在一个实施例中，所述转动角位移和角速度测量系统10还包括第一分光镜120。所述第一分光镜120设置于从所述激光器110出射的所述线偏振激光的光路上。所述第一分光镜120位于所述激光器110与所述准直透镜130之间。所述第一分光镜120用于对所述激光器110出射的线偏振激光进行反射和透射。所述第一分光镜120透射的所述线偏振激光经过所述分光移频装置140分成所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂原光路返回进入所述分光移频装置140形成所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂。所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂射向所述激光器110并对所述激光器110输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

在一个实施例中，所述光电探测装置160设置于从所述第一分光镜120反射的所述线偏振激光的光路上。经所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂调制后的所述线偏振激光被所述第一分光镜120反射射向所述光电探测装置160。所述光电探测装置160探测调制后的所述线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号。

请参见图3和图4，在一个实施例中，所述光电探测装置160设置于所述激光器110出射的所述线偏振激光的光路的反方向上。经所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂调制后的所述线偏振激光从所述激光器110反向射出进入所述光电探测装置160。所述光电探测装置160探测调制后的所述线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号。

本申请实施例提供转动角位移和角速度测量方法。所述转动角位移和角速度测量方法应用于转动角位移和角速度测量系统10。所述转动角位移和角速度测量系统10包括激光器110、准直透镜130、分光移频装置140、光电探测装置160和信号处理装置170。所述分光移频装置140包括第二分光镜141、第一反射镜142、第一移频器143、第二移频器144和第三移频器145。所述转动角位移和角速度测量方法包括：

S110，确定待测目标150，所述激光器110输出线偏振激光，所述准直透镜130对所述线偏振激光进行准直。

S120，所述分光移频装置140将所述线偏振激光分光并实现差动移频形成第一测量光I₁和第二测量光I₂。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂入射在所述待测目标150侧表面。所述分光移频装置140接收被所述待测目标150散射返回的所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂，形成第一测量回馈光f₁和第二测量回馈光f₂。所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂进入所述激光器110，从而对所述激光器110输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

S130，所述光电探测装置160探测所述激光器110出射的线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号。

S140，所述信号处理装置170根据所述电信号计算得到所述待测目标150的转动角位移和角速度。

在所述S110中，所述激光器110可以是固体激光器，也可以是光纤激光器或半导体激光器的一种。所述激光器110可以输出模式为基横模或单纵模的线线偏振激光。在该模式下，所述激光器110可以具有良好回馈效果。所述待测目标150形状、大小不固定，可以为圆台或方块等。

请参见图5，在一个实施例中，所述S120包括：

S121，所述线偏振激光进入所述第一移频器143分成0级衍射光和+1或-1级衍射光。

S123，所述+1或-1级衍射光进入所述第二分光镜141形成反射光和透射光。所述透射光进入所述第二移频器144形成所述第一测量光I₁。所述反射光经所述第一反射镜142反射进入所述第三移频器145形成所述第二测量光I₂。

S125，所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂入射在所述待测目标150侧表面被所述待测目标150散射。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂沿原光路相反方向进入所述分光移频装置140形成所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂。

S127，所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂进入所述激光器110对所述激光器110输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

在所述S121中，所述第一移频器143的驱动频率是ω₁，所述第二移频器144的驱动频率是ω₂，所述第三移频器145的驱动频率是ω₃。所述激光器110出射的所述线偏振激光初始频率为ω。所述线偏振激光经过所述第一移频器143形成频率为ω的0级衍射光和频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的+1(或-1)级衍射光。

在所述S123中，所述频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的+1(或-1)级衍射光经所述第二分光镜141透射进入所述第二移频器144形成频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的0级衍射光和频率为ω+ω₁-ω₂(或ω-ω₁+ω₂)的-1(或+1)级衍射光。所述频率为ω+ω₁-ω₂(或ω-ω₁+ω₂)的-1(或+1)级衍射光作为所述第一测量光I₁。所述频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的+1(或-1)级衍射光经所述第二分光镜141反射后，再经过所述第一反射镜142反射进入所述第三移频器145形成频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的0级衍射光和频率为ω+ω₁-ω₃(或ω-ω₁+ω₃)的-1(或+1)级衍射光。所述ω+ω₁-ω₃(或ω-ω₁+ω₃)的-1(或+1)级衍射光作为所述第二测量光I₂。

在所述S125中，所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂入射至所述待测目标侧150表面。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂在所述待测目标150表面发生散射。所述第一测量光I₁沿原光路回到所述分光移频装置140被所述第二移频器144和所述第一移频器143移频后，形成所述第一测量回馈光f₁。所述第一测量回馈光f₁的移频量为Ω₁。所述第一测量光I₁沿原光路回到所述分光移频装置140被所述第三移频器145和所述第一移频器143移频后，形成所述第二测量回馈光f₂。所述第二测量回馈光f₂的移频量为Ω₂。

在所述S127中，所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂进入所述激光器110对所述激光器110输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

所述第一测量回馈光f₁使所述激光器110输出强度为：

所述第二测量回馈光f₂使所述激光器110输出强度为：

其中，I为所述激光器110的稳态输出功率。G为所述激光器110对所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂的放大倍数，与移频量相关。G数值可以达到10⁶，使弱散射表面散射的微弱所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂可以被极大放大。κ为所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂的回馈系数，与所述待测目标150的反射率有关。

为所述待测目标150转动引起的所述第一测量回馈光f₁相位变化量，

为所述待测目标150转动引起的所述第二测量回馈光f₂相位变化量。

为信号的固定相位偏移。

请参见图6，在一个实施例中，所述分光移频装置140还包括第四移频器146。所述S120包括：

S122，所述线偏振激光进入所述第二分光镜141形成反射光和透射光。

S124，所述透射光依次进入所述第一移频器143和所述第二移频器144实现差动移频形成所述第一测量光I₁。所述反射光经所述第一反射镜142反射后依次进入所述第三移频器145和所述第四移频器146形成所述第二测量光I₂。

S126，所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂入射在所述待测目标150侧表面被所述待测目标150散射。所述第一测量光I₁和所述第二测量光I₂沿原光路相反方向进入所述分光移频装置140形成所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂。

S128，所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂进入所述激光器110对所述激光器110输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

在所述S122中，所述激光器110出射的所述线偏振激光初始频率为ω。所述线偏振激光经过所述第二分光镜141形成频率为ω的透射光和反射光。

在所述S124中，所述第四移频器146的驱动频率是ω₄。所述频率为ω的透射光经所述第一移频器143形成频率为ω的0级衍射光和频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的+1(或-1)级衍射光。所述频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的+1(或-1)级衍射光通过所述第二移频器144形成频率为ω+ω₁(或ω-ω₁)的0级衍射光和频率为ω+ω₁-ω₂(或ω-ω₁+ω₂)的-1(或+1)级衍射光。所述频率为ω+ω₁-ω₂(或ω-ω₁+ω₂)的-1(或+1)级衍射光作为所述第一测量光I₁。所述频率为ω的反射光经过所述第一反射镜142反射进入所述第四移频器146形成频率为ω的0级衍射光和频率为ω+ω₄(或ω-ω₄)的+1(或-1)级衍射光。所述频率为ω+ω₄(或ω-ω₄)的+1(或-1)级衍射光进入所述第三移频器145形成频率为ω+ω₄(或ω-ω₄)的0级衍射光和频率为ω+ω₄-ω₃(或ω-ω₄+ω₃)的-1(或+1)级衍射光。所述频率为ω+ω₄-ω₃(或ω-ω₄+ω₃)的-1(或+1)级衍射光作为所述第二测量光I₂。

所述待测目标150转动引起所述第一测量回馈光f₁和所述第二测量回馈光f₂的相位变化。所述光电探测装置160检测所述激光器110的输出强度。所述光电探测装置160把光强信号转为电信号后，输入与之相连通的所述信号处理装置170。经所述信号处理装置170处理后得到所述待测目标150转动引起的相位变化

和

根据装置参数、测量光相位变化与转动角位移和角速度的关系，即可计算得到所述待测目标150的转动角位移和角速度。

在一个实施例中，所述待测目标150的转动角位移和角速度为：

转动角位移：

转动角速度：

其中，λ为所述激光器110输出的所述线偏振激光波长，S为所述待测目标150转动位移，φ₁和φ₂分别为所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光的相位变化量，R为转动半径，D为所述第一测量光和所述第二测量光的间距，θ₁和θ₂分别为所述第一测量光和所述第二测量光与所述待测目标150转动速度方向之间的夹角。

可以理解，上述实施例中涉及到的模块还可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要其能够达到完成相对应的功能即可。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，包括：

激光器(110)，能够输出线偏振激光；

准直透镜(130)，设置于从所述激光器(110)出射的所述线偏振激光的光路上，能够对所述线偏振激光进行准直；

分光移频装置(140)，包括第二分光镜(141)、第一反射镜(142)、第一移频器(143)、第二移频器(144)和第三移频器(145)，设置于从所述准直透镜(130)出射的所述线偏振激光的光路上，能够将所述线偏振激光进行分光并实现差动移频，从而向待测目标(150)发射第一测量光和第二测量光，还能够接收被所述待测目标(150)散射返回的所述第一测量光和所述第二测量光，形成第一测量回馈光和第二测量回馈光，返回的所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器(110)，从而对所述激光器(110)输出的所述线偏振激光的光强进行调制；

光电探测装置(160)，用于探测所述线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号；

信号处理装置(170)，所述信号处理装置(170)与所述光电探测装置(160)电连接，将所述电信号进行同步相位解调并输出至计算机，计算并实时显示转动角位移和角速度信息。

2.如权利要求1所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述第二分光镜(141)设置于从所述准直透镜(130)出射的所述线偏振激光的光路上，用于对所述线偏振激光进行反射和透射，形成反射光和透射光。

3.如权利要求2所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述第一反射镜(142)设置于从所述第二分光镜(141)出射的所述反射光的光路上。

4.如权利要求3所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述第二移频器(144)设置于从所述第二分光镜(141)出射的所述透射光的光路上，且位于所述第二分光镜(141)与所述待测目标(150)之间；

所述第三移频器(145)设置于从所述第一反射镜(142)出射的所述反射光的光路上，且位于所述第一反射镜(142)与所述待测目标(150)之间。

5.如权利要求4所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述第一移频器(143)设置于从所述准直透镜(130)出射的所述线偏振激光的光路上，且位于所述准直透镜(130)与所述第二分光镜(141)之间。

6.如权利要求4所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述分光移频装置(140)还包括第四移频器(146)，所述第四移频器(146)设置于从所述第一反射镜(142)出射的所述反射光的光路上，且位于所述第一反射镜(142)与所述第三移频器(145)之间；

所述第一移频器(143)设置于从所述第二分光镜(141)出射的所述透射光的光路上，且位于所述第二分光镜(141)与所述第二移频器(144)之间。

7.如权利要求1所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，还包括：

第一分光镜(120)，设置于从所述激光器(110)出射的所述线偏振激光的光路上，且位于所述激光器(110)与所述准直透镜(130)之间，用于对所述激光器(110)出射的线偏振激光进行反射和透射。

8.如权利要求7所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述光电探测装置(160)设置于从所述第一分光镜(120)反射的所述线偏振激光的光路上。

9.如权利要求1所述的转动角位移和角速度测量系统，其特征在于，所述光电探测装置(160)设置于所述激光器(110)出射的所述线偏振激光的光路的反方向上。

10.一种转动角位移和角速度测量方法，其特征在于，应用于转动角位移和角速度测量系统(10)，所述转动角位移和角速度测量系统(10)包括激光器(110)、准直透镜(130)、分光移频装置(140)、光电探测装置(160)和信号处理装置(170)，所述分光移频装置(140)包括第二分光镜(141)、第一反射镜(142)、第一移频器(143)、第二移频器(144)和第三移频器(145)，所述方法包括：

S110，确定待测目标(150)，所述激光器(110)输出线偏振激光，所述准直透镜(130)对所述线偏振激光进行准直；

S120，所述分光移频装置(140)将所述线偏振激光分光并实现差动移频形成第一测量光和第二测量光，所述第一测量光和所述第二测量光入射在所述待测目标(150)侧表面，所述分光移频装置(140)接收被所述待测目标(150)散射返回的所述第一测量光和所述第二测量光，形成第一测量回馈光和第二测量回馈光，返回的所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器(110)，从而对所述激光器(110)输出的所述线偏振激光的光强进行调制；

S130，所述光电探测装置(160)探测所述激光器(110)出射的线偏振激光的光强信号，并将所述光强信号转换为电信号；

S140，所述信号处理装置(170)根据所述电信号计算得到所述待测目标(150)的转动角位移和角速度。

11.如权利要求10所述的转动角位移和角速度测量方法，其特征在于，所述S120包括：

S121，所述线偏振激光进入所述第一移频器(143)分成0级衍射光和+1或-1级衍射光；

S123，所述+1或-1级衍射光进入所述第二分光镜(141)形成反射光和透射光，所述透射光进入所述第二移频器(144)形成所述第一测量光，所述反射光经所述第一反射镜(142)反射进入所述第三移频器(145)形成所述第二测量光；

S125，所述第一测量光和所述第二测量光入射在所述待测目标(150)侧表面被所述待测目标(150)散射，所述第一测量光和所述第二测量光沿原光路相反方向进入所述分光移频装置(140)形成所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光；

S127，所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器(110)对所述激光器(110)输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

12.如权利要求10所述的转动角位移和角速度测量方法，其特征在于，所述分光移频装置(140)还包括第四移频器(146)，所述S120包括：

S122，所述线偏振激光进入所述第二分光镜(141)形成反射光和透射光；

S124，所述透射光依次进入所述第一移频器(143)和所述第二移频器(144)实现差动移频形成所述第一测量光，所述反射光经所述第一反射镜(142)反射后依次进入所述第三移频器(145)和所述第四移频器(146)形成所述第二测量光；

S126，所述第一测量光和所述第二测量光入射在所述待测目标(150)侧表面被所述待测目标(150)散射，所述第一测量光和所述第二测量光沿原光路相反方向进入所述分光移频装置(140)形成所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光；

S128，所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光进入所述激光器(110)对所述激光器(110)输出的所述线偏振激光的光强进行调制。

13.如权利要求10所述转动角位移和角速度测量方法，其特征在于，所述待测目标(150)的转动角位移和角速度为：

转动角位移：

转动角速度：

其中，λ为所述激光器(110)输出的所述线偏振激光波长，S为所述待测目标(150)转动位移，φ₁和φ₂分别为所述第一测量回馈光和所述第二测量回馈光的相位变化量，R为转动半径，D为所述第一测量光和所述第二测量光的间距，θ₁和θ₂分别为所述第一测量光和所述第二测量光与所述待测目标(150)转动速度方向之间的夹角。

Images