CN114509026A - 亚角秒级角度测量系统、方法及相对变形角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种亚角秒级角度测量系统、方法及相对变形角度测量方法，一是解决现有亚角秒级角度测量的视场过小、测量精度较低的问题，二是解决现有技术无法测量目标两个部分的相对微小变形的问题。该亚角秒级角度测量系统包括至少一个测量子单元，测量子单元包括目标平面反射镜、激光光源、基准平面反射镜和探测器；激光光源、探测器与基准平面反射镜设置在同一侧，目标平面反射镜位于基准平面反射镜的另一侧，且探测器表面、基准平面反射镜表面位于同一平面；目标平面反射镜与目标物体固定，运动姿态与目标物体同步，且目标平面反射镜平面和基准平面反射镜平面平行设置，二者之间的间隔为Ｈ。

Description

亚角秒级角度测量系统、方法及相对变形角度测量方法

技术领域

本发明属于角度测量领域，具体涉及一种亚角秒级角度测量系统、方法及相对变形角度测量方法。

背景技术

角度测量是计量科学的重要组成部分，随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛地应用于机械、光学、航空、航天、航海等各个领域，技术水平和测量准确度也不断提高。各种测角仪器相继被研制出，以满足各种需要。

非接触式的光学小角度精密测量技术，具有较高的准确度和测量分辨力，在航天、航空和国防技术中具有广泛的应用前景。目前，非接触式的光学测角法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、圆光栅法、光学内反射法以及激光干涉法等。但针对亚角秒级的角度测量，最高精度是进口设备如穆勒HR-电子自准直仪（双轴），在视场为10″时最高精度为±0.01″，但是，其具有较为严格的测试环境要求和测量限制：1）严格的暗室环境；2）静谧或者真空环境；3）仅限于水平方位的角度测试；4）有效视场10″，视场过小。对于实际测量视场更大的角度测量、倾斜方位测量，普通测试环境条件下，现有的测量设备和方法则不能满足其需求。

同时，对单个物体的小角度偏转进行高精度的连续和自动测量是角度测量中的一个重要方面，在现实生活中有着强烈的应用需求。单方面测量某一部位的角度变化值，并不能代表目标自身的变形关系，只有测出目标自身两个以上部位之间的角度变化才能直接反映出被测目标的自身变形情况，尤其是在航天航空等领域需要测量出测量目标自身的变形量。但是，现有方法无法直接可靠地测量目标两个部分的相对微小变形。

发明内容

本发明的目的一是解决现有亚角秒级角度测量的视场过小、测量精度较低的问题，二是解决现有技术无法测量目标两个部分的相对微小变形的问题，提出了一种亚角秒级角度测量系统、方法及相对变形角度测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的亚角秒级角度测量系统包括至少一个测量子单元，所述测量子单元包括目标平面反射镜、激光光源、基准平面反射镜和探测器，所述目标平面反射镜与基准平面反射镜相对设置；所述激光光源、探测器与基准平面反射镜设置在同一侧，且探测器表面、基准平面反射镜表面位于同一平面；所述目标平面反射镜与目标物体固定，运动姿态与目标物体同步，且目标平面反射镜平面和基准平面反射镜平面平行设置，二者之间的间隔为Ｈ；激光光源的出射激光相对基准平面反射镜的法线以θ角出射，照射目标平面反射镜后反射回基准平面反射镜，出射激光在基准平面反射镜和目标平面反射镜之间经n个反射周期后被探测器接收，通过测量探测器上的激光光斑位置变化量得到目标物体的偏转角度，其中，激光入射在目标平面反射镜后反射回基准平面反射镜为一个反射周期，n≥1。

进一步地，还包括遮风罩，所述遮风罩设置在全部测量子单元的外侧，形成暗室环境，并对外部空气扰动形成一次衰减。

进一步地，还包括设置在遮风罩内部的挡风筒，所述测量子单元设置在挡风筒内，对遮风罩的内部空气扰动形成二次衰减。

进一步地，还包括隔振台，所述隔振台设置在全部测量子单元的下方，隔绝外界振动的影响。

进一步地，所述激光光源的出射激光与基准平面反射镜法线的夹角θ小于1°。

本发明提供的亚角秒级角度测量方法基于上述亚角秒级角度测量系统实现，该方法包括以下步骤：

步骤一、激光光源发射激光，出射激光在目标平面反射镜和基准平面反射镜之间反射n次，获取激光最终在探测器的初始像点位置；

步骤二、目标平面反射镜与目标物体同步旋转微小角度α；

步骤三、获取激光在探测器的移动相对位置；

步骤四、根据步骤一获取的初始像点位置和步骤三获取的移动相对位置，计算反 射光的像点位移

；

步骤五、利用下式计算获取目标平面反射镜的微小角度α；

（3）

其中，Ｈ为目标平面反射镜平面和基准平面反射镜平面的间隔。

本发明提供的相对变形角度测量方法基于上述亚角秒级角度测量系统，该亚角秒级角度测量系统包括两个测量子单元，该方法包括以下步骤：

步骤一、以两个测量子单元的探测器法线相交点为原点，形成球坐标系O₀，其中，探测器（7）与原点之间的距离的为R；

步骤二、将两个测量子单元的探测器坐标原点O₁₀和O₂₀转换到球坐标系O₀中，获取探测器坐标原点O₁₀和O₂₀在球坐标系O₀下的坐标值S₁₀和S₂₀；

步骤三、目标物体变形后，两个测量子单元的角度测量值分别为

和

；

步骤四、在球坐标系O₀中，两个测量子单元的探测器获取

和

对应的位移矢量

和

；

步骤五、获取目标物体的相对变形角度

；

（2）

其中，θ ₀ 为变形前两束反射光的夹角；θ′为变形后两束反射光的夹角。

进一步地，步骤一中，如果两个测量子单元的探测器法线不共面，平移其中一条法线，与另外一条法线相交，以其相交点为原点。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明测量系统将激光光束在基准平面反射镜和目标平面反射镜之间进行n次反射，通过光学杠杆原理计算，测量精度提高了2n²倍，使用普通设备即可实现亚角秒级测量精度，测量精度较高。

2.本发明相对变形角度测量方法将目标物体不同部位的任意两个测量子单元的法线形成球坐标系O₀，测量出各测量子单元变形后的反射光的位移，相对于球半径，计算出相对球心坐标的角度变化值，获得目标物体不同部位变形角度变化值。该测量方法的测量精度不受单个探测区间精度的影响，主要由探测器组件的位移测量精度决定，计算简单，可以获取亚角秒级精度的变形量。

附图说明

图1为本发明测量系统中测量子单元测量时的光学杠杆原理示意图；

图2为本发明测量系统中单个测量子单元的示意图；

图3为本发明测量系统包括两组测量子单元的结构示意图；

图4为本发明相对变形角度测量方法中两条法线共面的球面坐标系示意图；

图5为本发明相对变形角度测量方法中两条法线异面的球面坐标系示意图；

图6为本发明相对变形角度测量方法的测量原理示意图；

图7为本发明相对变形角度测量方法中相对变形角度的计算原理示意图；

图8为本发明测量系统包括遮风罩和挡风筒的结构示意图；

图9为本发明测量系统的测量精度与反射次数的关系示意图。

附图标记：1-入射光，2-反射光，3-目标物体，4-目标平面反射镜，5-激光光源，6-基准平面反射镜，7-探测器，8-测量子单元，11-隔振台，12-遮风罩，13-挡风筒，14-外部空气扰动，15-内部空气扰动，16-空气扰动。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供的亚角秒级角度测量系统包括至少一个测量子单元8，该测量子单元8是一种非接触式亚角秒级的角度测量单元，测量子单元8利用“光学杠杆”原理实现亚角秒级角度测量，该测量子单元8主要由激光光源5、目标平面反射镜4、基准平面反射镜6和探测器7组成。目标平面反射镜4与基准平面反射镜6相对设置，激光光源5、探测器7与基准平面反射镜6设置在同一侧，且探测器7表面、基准平面反射镜6表面位于同一平面；该目标平面反射镜4与目标物体3固定，运动姿态与目标物体3同步，且目标平面反射镜4平面和基准平面反射镜6平面平行，平面平行设置，二者之间的间隔为Ｈ；激光光源5的出射激光相对基准平面反射镜6法线以θ角出射，照射目标平面反射镜4后反射回基准平面反射镜6，出射激光在基准平面反射镜6和目标平面反射镜4之间进行n次反射后被探测器7接收，通过测量探测器7接收的激光光斑位置变化量得到目标物体3的偏转角度。具体的，可将激光光源5的出射激光与基准平面反射镜6法线夹角θ设置为小于1°的夹角，此时测量得到的角度精度较高。

测量时，以基准平面反射镜6的表面为测量基准面，其与激光光源5出射激光的光轴交点为原点建立坐标系；激光光源5的出射激光相对基准平面反射镜6法线以夹角θ角出射，照射目标平面反射镜4后反射回基准平面反射镜6为一个反射周期，激光经过多个反射周期后，激光投射到与基准平面反射镜6相邻的探测器7表面；当目标平面反射镜4随目标物体3偏转一个小角度α时，激光经目标平面反射镜4一次反射后，反射光2相对入射光1夹角增大到2α，n次反射周期后，反射光2相对入射光1夹角增大2nα（一个反射周期放大2倍，n个反射周期，放大倍数就是2n倍），此时，激光与探测器7的交点位置随之发生改变，根据激光的激光光斑位置变化量即可得到目标物体3的偏转角度α，随着反射次数多增多，分辨率越来越高超过亚角秒级。

如图1所示，本发明测量子单元8利用“光学杠杆”原理实现亚角秒级角度测量，设目标平面反射镜4与像点平面的距离为h，目标平面反射镜4旋转微小角度α，则反射光2出射旋转2α，反射光2像点移动距离为l，则有：

l=htan2α≈h×2α（微小角度α，有tan2α≈2α）（1）

图2为多次反射示意图，目标平面反射镜4与基准平面反射镜6基本平行，距离为H，激光光源5的出射激光与基准平面反射镜6法线夹角为θ（θ≤1°），激光在目标平面反射镜4反射n次，（n≥1），反射光2在探测器7的初始像点位置距离激光光源5距离为S₀：

（θ≤1°，有tanθ≈θ）（2）

待目标平面反射镜4旋转微小角度α时，反射光2的像点位移为

：

（3）

假设所使用的探测器7的分辨率为δ，则测量系统的最小角度测量精度为

；

（4）

假设H=2m，探测器7尺寸20×20mm，分辨率δ=20μm，则

，由前面 的光学杠杆原理可知反射镜旋转角度测量精度

，多次反射测量，激 光光束有n次反射，角度测试精度

与2n²成反比；

（5）

如图9所示，反射次数越多，角度测试精度越高，该图中横坐标为反射次数，纵坐标为角度测试精度。角度测试精度与反射次数关系如下表1所示，实现亚角秒测量精度。

表1 系统测量精度与反射次数n的关系

光斑反射次数越多，由于平面反射镜的面型误差，造成光斑像差，随着反射次数的增加，引入的像差增大。其次，反射次数过多，造成光路过长，外界的空气扰动也会带来干扰像差，这两点都会造成像点的弥散斑变形，质心提取误差，造成光斑位移误差，因此反射次数不能过多。

如图8所示，围绕如何降低外界的影响，可以考虑采取两种措施，首先将整个测量系统搭建在隔振台11上，隔绝外界振动对测量精度的影响。其次是在不具备真空条件下，在测量系统外部设置遮风罩12，黑色最佳，形成暗室环境，减少外部空气扰动14，便于反射光斑质心位置提取；遮风罩12可以对外部空气扰动14完成第一次衰减，最后，可在测量光路设置挡风筒13，对遮风罩12的内部空气扰动15形成二次衰减，使得挡风筒13内部的空气扰动16降到最低，或采用挡风筒13密封测量子单元8光路，彻底隔绝外界空气扰动造成的影响。

此外，本发明还提出了一种组合测量方案，多个独立测量子单元8测量目标物体3自身多个特定部位的角度变化量。两个测量子单元8的探测器7法线相交点为原点，构成球坐标系O₀，此时如果两条法线共面，则在平面内相交，如果两条法线不共面，平移其中一条法线，与另外一个法线相交。

将两个测量子单元8的探测器7坐标原点O₁₀和O₂₀平移至球坐标系O₀中，输出探测器 7坐标原点在球坐标系O₀下的坐标值S₁₀和S₂₀，设两个法线初始法线夹角为θ ₀ ，目标物体3变 形后，各个测量子单元8角度测量值分别为

和

，该角度值通过亚角秒级角度测量方法获 取，再将

和

对应的子坐标系原点O₁₀和O₂₀的位移矢量为

和

，位移矢量和 为

，相对变形角度

为位移矢量和

相对于球半径R的张角值，即可计算出目标特定两个部 位相对变形量。

如图3所示，本发明实施范例提供两个测量子单元8测量待测目标两个局部角度变形，图4为两个测量子单元8的探测器7法线相交点为原点，构成球坐标系O₀，此时，探测器7与原点之间的距离的为R。图5为本发明相对变形角度测量方法中两条法线异面的球面坐标系示意图。

图6和图7所示，将两个部位的反射光L₁和反射光L₂变形前的光斑中心作为探测器7 子坐标系原点O₁₀和O₂₀，设二者夹角为θ ₀ ；变形后的两个反射光L₁′和L₂′的光斑位置位移分 别表示为

和

，各自对应的角度变化值为变化值

和

；其中，

其中，R为探测器7与原点之间的距离，r₁、r₂、θ₁、θ₂分别表示的两个子坐标系下的光斑坐标，即极轴坐标系下的坐标；

两个反射光L₁′和L₂′的夹角设为θ′，变形前后反射2的夹角由θ ₀ 变为θ′，角度变化 值为相对变形角度

；

（2）

此时即可计算前后变形夹角变化量。

Claims (8)

1.一种亚角秒级角度测量系统，其特征在于：包括至少一个测量子单元（8），所述测量子单元（8）包括目标平面反射镜（4）、激光光源（5）、基准平面反射镜（6）和探测器（7）；所述目标平面反射镜（4）与基准平面反射镜（6）相对设置；

所述激光光源（5）、探测器（7）与基准平面反射镜（6）设置在同一侧，且探测器（7）表面、基准平面反射镜（6）表面位于同一平面；

所述目标平面反射镜（4）与目标物体（3）固定，运动姿态与目标物体（3）同步，且目标平面反射镜（4）平面和基准平面反射镜（6）平面平行设置，二者之间的间隔为Ｈ；

所述激光光源（5）的出射激光相对基准平面反射镜（6）法线以θ角出射，照射目标平面反射镜（4）后反射回基准平面反射镜（6），出射激光在基准平面反射镜（6）和目标平面反射镜（4）之间经n个反射周期后被探测器（7）接收，通过测量探测器（7）上的激光光斑位置变化量得到目标物体（3）的偏转角度，其中，激光入射在目标平面反射镜（4）后反射回基准平面反射镜（6）为一个反射周期，n≥1。

2.根据权利要求1所述的亚角秒级角度测量系统，其特征在于：还包括遮风罩（12），所述遮风罩（12）设置在全部测量子单元（8）的外侧，形成暗室环境，并对外部空气扰动（14）形成一次衰减。

3.根据权利要求2所述的亚角秒级角度测量系统，其特征在于：还包括设置在遮风罩（12）内部的挡风筒（13），所述测量子单元（8）设置在挡风筒（13）内，对遮风罩（12）的内部空气扰动（15）形成二次衰减。

4.根据权利要求1所述的亚角秒级角度测量系统，其特征在于：还包括隔振台（11），所述隔振台（11）设置在全部测量子单元（8）的下方，隔绝外界振动的影响。

5.根据权利要求1所述的亚角秒级角度测量系统，其特征在于：所述激光光源（5）的出射激光与基准平面反射镜（6）法线的夹角θ小于1°。

6.一种亚角秒级角度测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的亚角秒级角度测量系统实现，该方法包括以下步骤：

步骤一、激光光源（5）发射激光，出射激光在目标平面反射镜（4）和基准平面反射镜（6）之间反射n次，获取激光最终在探测器（7）的初始像点位置；

步骤二、目标平面反射镜（4）与目标物体（3）同步旋转微小角度α；

步骤三、获取激光在探测器（7）的移动相对位置；

步骤四、根据步骤一获取的初始像点位置和步骤三获取的移动相对位置，计算反射光 （2）的像点位移

；

步骤五、利用下式计算获取目标平面反射镜（4）的微小角度α；

（3）

其中，Ｈ为目标平面反射镜（4）平面和基准平面反射镜（6）平面的间隔。

7.一种相对变形角度测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的亚角秒级角度测量系统，该亚角秒级角度测量系统包括两个测量子单元（8），该方法包括以下步骤：

步骤一、以两个测量子单元（8）的探测器（7）法线相交点为原点，形成球坐标系O₀，其中，探测器（7）与原点之间的距离为R；

步骤二、将两个测量子单元（8）的探测器坐标原点O₁₀和O₂₀转换到球坐标系O₀中，获取探测器坐标原点O₁₀和O₂₀在球坐标系O₀下的坐标值S₁₀和S₂₀；

步骤三、目标物体（3）变形后，两个测量子单元（8）的角度测量值分别为

和

；

步骤四、在球坐标系O₀中，两个测量子单元（8）的探测器（7）获取

和

对应的位移矢量

和

；

步骤五、获取目标物体（3）的相对变形角度

；

（2）

其中，θ ₀ 为变形前两束反射光（2）的夹角；θ′为变形后两束反射光（2）的夹角。

8.根据权利要求7所述的相对变形角度测量方法，其特征在于：步骤一中，如果两个测量子单元（8）的探测器（7）法线不共面，平移其中一条法线，与另外一条法线相交，以其相交点为原点。

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