CN114894159B - 基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法，包括：通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块，基于所述一体化传感模块产生第一干涉图像信号；将所述第一干涉图像信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果。本发明完全基于激光干涉测量原理，测量分辨力高，且测量结果可直接溯源至激光波长，仅用单束测量光即可实现高精度双轴倾角测量，同时具有结构简单、光路简洁、易集成、利于工程实现、性价比高等优势，满足了高端装备对超精密水平仪的需求。
Description
技术领域
本发明属于水平仪技术领域，特别是涉及一种基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法。
背景技术
精密水平仪是精密工程领域中的重要测量工具，可以实现相对于绝对水平面的精密角度测量，从而使得高端装备的调平以及平面度和直线度的精密测量成为可能，在以超精密机床和大科学装置为代表的高端装备制造领域、精密计量领域和前沿科学领域都有重要应用。目前，水平仪的主要技术路线可以分为水准式、电感式、电容式和光电式等。
水准式水平仪主要通过判断液体中气泡的位置来测量自身相对于水平面的倾斜角。由于液体受重力向下移动，液体中的气泡总是相应地向上移动，并停留在最高位置，利用这一原理即可测量水平倾角。但传统的水准式水平仪分度值一般仅能达到0.02～0.05mm/m(约4″～10″)，且只能由人眼读数，导致其测量精度较低。为此，借助图像传感器代替人眼判断气泡位置可以在一定程度上改善上述问题。例如，中国专利公布号CN113902894A，公布日2022年1月7日，发明《一种基于图像处理的条式水平仪自动读数识别方法》，公布了基于计算机视觉的新方法；再如，2001年传感技术学报第3期发表文章《一种新型数字式水平仪:原理与实现》，介绍了一种利用CCD来获取气泡位置的方法。但是受限于基于气泡位置的测量原理，该类方法仍然难以实现高精度测量，不能满足精密机床等高端装备的测量需求。
电感式水平仪原理是当水平角发生变化，中间摆锤的相对移动会引起两边感应线圈的电压变化，从而计算角度信息。例如，英国Talyvel6电子水平仪就是采用该原理的商用产品，其测量范围为±800″，满量程精度为±8″，中心区域分辨率为0.1″。但该类水平仪机械闭环控制结构复杂，需要电磁屏蔽，并且电感的加工和安装误差难以校正，导致该类仪器的测量结果不具备溯源性。
电容式水平仪在市场上应用广泛，其原理是利用水平角发生变化造成电容间隙及极板介质等变化产生不等电容,再由电容变化获得角度信息。例如，中国专利公布号CN107677249A，公布日2018年2月9日，发明《一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法》公布了一种电容传感器与摆锤相结合来获取倾角的系统。再如，瑞士Dantsin公司新型BlueLEVEL蓝牙电容式电子水平仪也是利用该原理的商用产品，其在±20mm/m(约±4000″)测量范围内分辨力最小达1μm/m(约0.2″)，稳定时间约3s。但是电容式传感器线性度较差，加工误差也会直接导致较大的测量误差，测量精度依赖于仪器的校准，测量结果不具备溯源性，且对密封技术要求严格。
光电式水平仪主要基于激光自准直技术，以液面为基准，将被测的倾角变化转化汇聚光斑的位置变化，并利用位置敏感探测器件(PSD)进行测量。例如，2021年，Optics andLasers in Engineering第146期发表文章《Development of a high-sensitivity dual-axis optoelectronic level using double-layer liquid refraction》，通过自准直仪测量被液面多次折射后的激光，获取光斑偏移并计算倾角信息，使得分辨率达到0.05″，范围为±150″，重复性为0.4″，短期稳定性为±0.2″。再如，2019年，Optics&LaserTechnology第113期发表文章《Dual-axis optoelectronic level based on laser auto-collimation and liquid surface reflection》和中国专利公布号CN108871278A，公布日2018年11月23日，发明《一种液体表面反射式双轴光电水平仪》，均是利用激光自准直原理设计的双轴光电水平仪。但是，该类水平仪在光学原理上对PSD和汇聚透镜等光学元件的位置姿态与加工精度有较高要求，其难以避免的加工与安装误差将直接引入测量误差，导致测量结果难以直接溯源。
综上所述，传统的水准式水平仪精度较低，难以应用于精密工程；商用的电感和电容式水平仪可以实现较高的测量分辨力，但受加工误差等因素限制，测量结果无法溯源；近年来一些学者提出的基于自准直仪的光电式水平仪进一步提高了测量精度，但受限于光学元件的装配误差，其测量结果仍然难以直接溯源。因此，目前水平仪技术领域缺少一种可直接溯源的高精度水平仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法，可实现高精度双轴水平倾角测量，测量结果可直接溯源至激光波长。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法，包括：
激光光源模块，用于产生激光信号；
一体化传感模块，与所述激光光源模块连接，用于接收所述激光信号，基于所述激光信号产生第一干涉图像信号；
信号处理模块，与所述一体化传感模块连接，用于对所述第一干涉图像信号进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果。
优选地，所述激光光源模块包括单频激光器、单模光纤；
所述单频激光器用于提供所述激光信号；
所述单模光纤，与所述单频激光器连接，用于将产生的激光信号传导至光纤准直器。
优选地，所述一体化传感模块包括光纤准直器、分光镜、反射镜、液体容器单元、液体单元、图像传感器；
所述光纤准直器用于接收激光信号并输出准直激光；
所述分光镜用于将所述准直激光分束为第一透射光、第一反射光；
所述反射镜用于反射所述第一透射光获得第一信号光；
所述液体单元中的液体存放于所述液体容器单元中，所述液体单元和所述液体容器单元用于将所述第一反射光经液面第一次折射后被液体容器的底面反射至液面，再次经液面进行第二次折射获得第二信号光；
所述图像传感器用于探测第一信号光和第二信号光干涉形成的所述第一干涉图像信号。
优选地，所述反射镜与所述第一透射光不垂直。
优选地，所述信号处理模块包括上位机、信号处理卡；
所述信号处理卡用于通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行高精度解耦运算，并将运算结果上传至上位机；
所述上位机用于接收、显示和并存储水平倾角测量的运算结果。
基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪的测量方法，包括，
通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块，基于所述一体化传感模块产生第一干涉图像信号；
将所述第一干涉图像信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果。
优选地，通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块的过程包括，通过单频激光器产生激光信号，经单模光纤将产生的激光信号传导至光纤准直器。
优选地，基于所述一体化传感模块产生第一干涉图像信号的过程包括，通过光纤准直器接收激光信号并输出准直激光，所述准直激光经过分光镜后被分为第一透射光、第一反射光；所述第一透射光被反射镜反射后获得第一信号光；所述第一反射光经液面第一次折射后被液体容器的底面反射，随后经液面第二次折射后获得第二信号光；所述第一信号光、第二信号光在图像传感器的探测面发生干涉，获得所述第一干涉图像信号。
优选地，将所述第一干涉图像信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果的过程包括，将所述第一干涉图像信号发送至信号处理卡，所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量的运算结果，并将运算结果上传至上位机。
优选地，所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行高精度解耦运算的过程包括，
将干涉条纹图像转换为二维灰度矩阵，对所述二维灰度矩阵进行基于蝶形运算的二维离散傅里叶变换，获得所述干涉条纹图像的频率空间矩阵，在干涉条纹图像频谱的幅度空间计算不同空间频率成分；
基于所述干涉条纹图像频谱的幅度空间获得幅值最大值点及其在频率空间矩阵中对应的位置，利用幅值最大值点与邻近矩阵点的幅值信息进行二维曲线峰值拟合，得到拟合后的精确频率坐标；
根据拟合得到的精确频率坐标的X分量和Y分量，依据液面相对于反射镜的角度与干涉条纹图像的空间频率呈线性关系的公式获得液面相对于反射镜在X方向和Y方向上的夹角。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明提供的基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法完全基于激光干涉测量原理，以水平面为参考基准面，测量分辨力高，且测量结果可直接溯源至激光波长。
(2)本发明的激光水平仪通过激光干涉条纹的空间频率来计算水平倾斜角，仅用单束测量光即可实现双轴测量。
(3)本发明的激光水平仪利用液体对光的折射效应在光学上放大了角度测量范围。
(4)本发明的激光水平仪结构简单，光路简洁，易集成，利于工程实现，性价比高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例的系统结构示意图；
1-上位机、2-信号处理卡、3-图像传感器、4-分光镜、5-反射镜、6-一体化底座、7-液体、8-液体容器、9-光纤准直器、10-单模光纤、11-单频激光器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示的基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪，包括上位机1、信号处理卡2、图像传感器3、分光镜4、反射镜5、一体化底座6、液体7、液体容器8、光纤准直器9、单模光纤10和单频激光器11；其中，光纤准直器9、分光镜4、反射镜5、液体容器8和图像传感器3均固定在一体化底座6上；
所述液体7，其黏度值在百CS量级，折射率大于1，液面高度在毫米量级，是水平倾角的参考基准面，且第二信号光在正反两次经过液面时均发生折射。所述液体容器8为直径30mm的圆形，底面镀反射膜，可对633nm激光形成有效反射；
进一步优化方案，所述液体7为硅油，其黏度为350CS，折射率为1.4，液面高度为2mm，作为水平倾角的参考基准面。
所述反射镜5与第一透射光不垂直，致使第一信号光与第二信号光的光轴指向产生微小的角度偏差，形成第一干涉图像并被图像传感器有效探测。
如图1所示，本发明提供的一种基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪，包括：激光光源模块、一体化传感模块、信号处理模块；
所述激光光源模块包括单频激光器11、单模光纤10，用于产生激光信号；
所述一体化传感模块包括一体化底座6、光纤准直器9、分光镜4、反射镜5、液体容器8、液体7、图像传感器3；分光镜4将光纤准直器9发出的准直激光分为第一透射光与第一反射光；第一透射光被反射镜5反射后成为第一信号光；第一反射光经液面折射后被液体容器8的底面反射，随后再次经液面折射后成为第二信号光；第一信号光与第二信号光在图像传感器3的探测面发生干涉，形成第一干涉图像信号。
所述信号处理模块包括上位机1、信号处理卡2；
所述信号处理卡2用于通过双轴水平倾角解耦算法，对第一干涉图像信号进行高精度解耦运算，并将运算结果上传至上位机1；
所述上位机1用于接收、显示和存储水平倾角测量的运算结果。
进一步优化方法，本发明还提供一种基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪的测量方法，基于该激光水平仪的测量过程如下：本实施例的单频激光器11为633nm的单频氦氖激光器，用于提供稳频激光信号，经单模光纤10传导至光纤准直器9，光纤准直器9输出准直激光；准直激光经过分光镜4后被分为第一透射光与第一反射光两束；其中，第一透射光被反射镜5反射后返回，经分光镜4再次分光后，部分反射至图像传感器3，成为第一信号光；同时，第一反射光被液体容器8底面的反射膜反射后返回，经分光镜4再次分光后，部分透射至图像传感器3，成为第二信号光，且第二信号光在正反两次经过液体7的表面时均发生折射；液体容器的直径大于30mm，液体容器的底面镀反射膜，可对激光信号形成有效反射。反射镜5与第一透射光不垂直，致使第一信号光与第二信号光的光轴指向产生微小的角度偏差，从而在图像传感器3的探测表面形成空间干涉条纹，图像传感器3将其转化为第一干涉图像信号；第一干涉图像信号以数字信号的形式发送至信号处理卡2，信号处理卡2中集成了双轴水平倾角解耦算法，对第一干涉图像信号进行高精度解耦运算，并将运算结果上传至上位机1；所述的激光水平仪，其双轴水平倾角解耦算法可对第一干涉图像信号进行高精度解耦运算，将水平倾角测量溯源至激光波长。
其中，双轴水平倾角解耦算法将水平倾角测量溯源至激光波长的过程包括：
步骤一，将干涉条纹图像转换为二维灰度矩阵，对该矩阵进行基于蝶形运算的二维离散傅里叶变换，获得图像的频率空间矩阵，在图像频谱的幅度空间计算其不同空间频率成分；
步骤二，在干涉条纹图像频谱的幅度空间求得幅值最大值点及其在频率空间矩阵中对应的位置，利用幅值最大值点与邻近矩阵点的幅值信息进行二维曲线峰值拟合，得到拟合后的精确频率坐标；
步骤三，液面相对于反射镜的角度与干涉条纹图像的空间频率呈线性关系，根据拟合得到的精确频率坐标的X分量和Y分量，依据公式1和公式2可以分别求得液面相对于反射镜在X方向和Y方向上的夹角。其中，硅油的折射率nliq约为1.4，空气折射率nair约为1，因此公式1与公式2可进一步表示为：
式中，θX和θY分别为X和Y方向的水平倾角，fX和fY分别为干涉条纹空间频率的X和Y分量，λ为激光波长，nliq为液体折射率，nair为空气折射率。由于液面永远垂直于重力方向，本方法可以实时计算和监测所处平面的双轴水平倾角。
由以上公式可知，本发明通过液体对光的折射效应改变了角度测量的灵敏度，从而对水平倾角的测量范围进行了光学放大。由于液面永远垂直于重力方向，本方法可以实时计算和监测所处平面的双轴水平倾角。
本发明提供的一种基于单光束干涉图像的高精度双轴激光水平仪及测量方法，以水平面为参考基准面，通过液面对光的折射，在光学上放大了角度测量范围，借助液体容器底部和姿态倾斜的反射镜，将待测水平倾角转化为激光干涉条纹图像，最终通过精确测量条纹图像的空间频率实现双轴水平倾角的高精度解算。本发明的激光水平仪完全基于激光干涉测量原理，测量分辨力高，且测量结果可直接溯源至激光波长，仅用单束测量光即可实现高精度双轴倾角测量，同时具有结构简单、光路简洁、易集成、利于工程实现、性价比高等优势，满足了高端装备对超精密水平仪的需求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.基于单光束干涉图像的双轴激光水平仪，其特征在于，包括：
激光光源模块，用于产生激光信号；
一体化传感模块，与所述激光光源模块连接，用于接收所述激光信号，基于所述激光信号产生第一干涉图像信号；
信号处理模块，与所述一体化传感模块连接，用于对所述第一干涉图像信号进行解耦运算，获得水平倾角测量结果；
所述激光光源模块包括单频激光器、单模光纤；
所述单频激光器用于提供所述激光信号；
所述单模光纤，与所述单频激光器连接，用于将产生的激光信号传导至光纤准直器；
所述一体化传感模块包括光纤准直器、分光镜、反射镜、液体容器单元、液体单元、图像传感器；
所述光纤准直器用于接收激光信号并输出准直激光；
所述分光镜用于将所述准直激光分束为第一透射光、第一反射光；
所述反射镜用于反射所述第一透射光获得第一信号光；
所述液体单元中的液体存放于所述液体容器单元中，所述液体单元和所述液体容器单元用于将所述第一反射光经液面第一次折射后被液体容器的底面反射至液面，再次经液面进行第二次折射获得第二信号光；
所述图像传感器用于探测第一信号光和第二信号光干涉形成的所述第一干涉图像信号；
所述反射镜与所述第一透射光不垂直；
所述信号处理模块包括上位机、信号处理卡；
所述信号处理卡用于通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行解耦运算，并将运算结果上传至上位机；
所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行解耦运算的过程包括，
将干涉条纹图像转换为二维灰度矩阵，对所述二维灰度矩阵进行基于蝶形运算的二维离散傅里叶变换，获得所述干涉条纹图像的频率空间矩阵，在干涉条纹图像频谱的幅度空间计算不同空间频率成分；
基于所述干涉条纹图像频谱的幅度空间获得幅值最大值点及其在频率空间矩阵中对应的位置，利用幅值最大值点与邻近矩阵点的幅值信息进行二维曲线峰值拟合，得到拟合后的精确频率坐标；
根据拟合得到的精确频率坐标的X分量和Y分量，依据液面相对于反射镜的角度与干涉条纹图像的空间频率呈线性关系的公式获得液面相对于反射镜在X方向和Y方向上的夹角；
所述上位机用于接收、显示和存储水平倾角测量的运算结果。
2.基于单光束干涉图像的双轴激光水平仪的测量方法，其特征在于，包括，
通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块，基于所述一体化传感模块产生第一干涉图像信号；
将所述第一干涉图像信号输入信号处理模块进行解耦运算，获得水平倾角测量结果；
通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块的过程包括，通过单频激光器产生激光信号，经单模光纤将产生的激光信号传导至光纤准直器；
基于所述一体化传感模块产生第一干涉图像信号的过程包括，通过光纤准直器接收激光信号并输出准直激光，所述准直激光经过分光镜后被分为第一透射光、第一反射光；所述第一透射光被反射镜反射后获得第一信号光；所述第一反射光经液面第一次折射后被液体容器的底面反射，随后经液面第二次折射后获得第二信号光；所述第一信号光、第二信号光在图像传感器的探测面发生干涉，获得所述第一干涉图像信号；
将所述第一干涉图像信号输入信号处理模块进行解耦运算，获得水平倾角测量结果的过程包括，将所述第一干涉图像信号发送至信号处理卡，所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行解耦运算，获得水平倾角测量的运算结果，并将运算结果上传至上位机；
所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述第一干涉图像信号进行解耦运算的过程包括，
将干涉条纹图像转换为二维灰度矩阵，对所述二维灰度矩阵进行基于蝶形运算的二维离散傅里叶变换，获得所述干涉条纹图像的频率空间矩阵，在干涉条纹图像频谱的幅度空间计算不同空间频率成分；
基于所述干涉条纹图像频谱的幅度空间获得幅值最大值点及其在频率空间矩阵中对应的位置，利用幅值最大值点与邻近矩阵点的幅值信息进行二维曲线峰值拟合，得到拟合后的精确频率坐标；
根据拟合得到的精确频率坐标的X分量和Y分量，依据液面相对于反射镜的角度与干涉条纹图像的空间频率呈线性关系的公式获得液面相对于反射镜在X方向和Y方向上的夹角。
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