CN114942018A - 一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法，包括：通过垂向激光发生模块获得线偏振垂向激光信号，将线偏振垂向激光信号传输至一体化传感模块，基于一体化传感模块产生波前干涉信号；将波前干涉信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得垂向激光相对于重力方向的角度偏差结果，根据角度偏差结果，实现垂向激光指向的实时校正。本发明的垂向激光指向校正装置完全基于激光干涉测量原理，测量分辨力高，角度测量结果可直接溯源至激光波长，满足了高端装备对超精密垂向激光指向的需求。此外，本发明装置的一体化传感模块便于拆卸与重复安装，方便复用于多套装置，节省成本。

Description

一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法

技术领域

本发明属于精密角度测量技术领域，特别是涉及一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法。

背景技术

以重力为基准的垂向激光被广泛用于确定垂直基准线和测量相对铅垂线的微小偏差，在工程建设和精密测量中具有重要应用价值。例如，可用于测量并保证楼体、电梯、水坝等建筑物的垂直度，也可用于导轨等机械结构的垂直度和直线度精密检测，以及扭曲度的测量与修正等。随着近些年来精密工程领域的迅速发展，高端装备对垂向激光的指向精度提出了更高的要求。例如，在质量单位“Kg”量子化基准装置中，垂向激光的指向精度决定了装置的整体精度，必须对垂向激光的指向进行超精密测量与校正，保证其与重力方向重合。

垂准仪能够以重力为基准生成垂向激光，并将其用作铅垂线，常用于大型建筑的施工监测和机械设备的安装工程。一般采用平行光管，五角棱镜，直角坐标板和钢直尺等设备对垂准仪中垂向激光与竖轴的同轴度进行校准。中国专利公布号CN104949689A，公布日2015年9月30日，发明《基于源头成像的激光垂准仪数字化校准方法及装置》，通过一成像光源对分划板成像，再将像投射至无穷远处的标靶上，与调试基准中心进行比较校准，降低了校准检测的复杂度，一定程度上提高了精度。但是，受限于工作台水平度，测量尺精度，人眼读数不准确等因素，垂准仪产生的垂向激光在原理上存在指向精度较低、溯源性难以保证的问题，难以用于超精密测量。

在精密计量领域，一些学者也提出了基于新原理的垂向激光指向测量装置。例如，2016年，仪器仪表学报第4期第37卷发表文章《基于高精度电子水平仪的平面镜水平调整方法》，提出一种通过最少的传递环节将垂向激光指向溯源至水平仪的方法，该方法首先基于高精度电子水平仪实现平面镜水平姿态的调整，然后利用平面镜作参考实现激光干涉仪垂向光束指向的校正。该装置最终实现垂向激光指向的合成标准不确定度41μrad，受旋转台旋转轴精度、旋转台水平调整机构精度、电子水平仪引线影响以及电子水平仪自身非线性和加工精度影响，其水平基准的精度严重受限，进而直接限制了垂向光束的指向精度，溯源性也较差。此外，该装置不能将测量结果用于反馈控制以实现光束指向的实时校正。

又如，2016年，Applied Optics第55期发表文章《System for the measurementof the deviation of a laser beam from the vertical direction》，提出基于激光自准直原理的垂向激光指向偏差测量装置，该装置以液面作为基准。其将垂向激光分成两束，一束经过角隅反射镜后透过透镜，一束经过液面反射后透过透镜，由CCD获取两光斑位置，通过光斑距离计算角度。该装置的短期稳定性可以达到2.4μrad，但由于CCD和汇聚透镜等光学元件的加工误差与位置安装误差，直接导致了装置的测量精度受限，溯源性较难提升。此外，该装置只能测量激光指向的偏差角度，不能将其进行校正至重力方向。

综上所述，传统的针对垂准仪的垂向激光指向校准方法精度较低，在原理上无法将光束方向溯源至重力方向；基于电子水平仪的垂向激光指向校正装置受加工误差等因素限制，精度受限，溯源性也较差；基于自准直原理的垂向激光指向测量装置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。此外，上述装置不能将光束指向的测量结果用于实时反馈，并将其校正至重力方向。因此，目前精密角度测量技术领域缺少一种可直接溯源的高精度垂向激光指向校正装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法，可实现垂向激光指向的高精度测量与校正，并直接溯源至重力方向。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，包括：

垂向激光发生模块，用于产生线偏振垂向激光信号，并对所述线偏振垂向激光信号的指向进行微调；

一体化传感模块，与所述垂向激光发生模块连接，用于接收所述线偏振垂向激光信号，基于所述线偏振垂向激光信号产生波前干涉信号；

信号处理模块，与所述一体化传感模块连接，用于对所述波前干涉信号进行高精度解耦运算，获得线偏振垂向激光信号相对于重力方向的角度偏差结果，根据所述角度偏差结果，实现垂向激光指向的实时校正。

优选地，所述垂向激光发生模块包括单频激光器、单模保偏光纤、光纤准直器、五角棱镜、一体化光源底座、二维精密角度转台；

所述单频激光器用于提供稳频激光信号；

所述单模保偏光纤，与所述单频激光器连接，用于将所述稳频激光信号传导至光纤准直器；

所述光纤准直器，与所述单模保偏光纤连接，用于接收所述稳频激光信号并输出线偏振准直激光；

所述五角棱镜用于接收所述线偏振准直激光，输出线偏振垂向激光信号；

所述一体化光源底座用于固定所述光纤准直器和所述五角棱镜；

所述二维精密角度转台用于放置一体化传感底座和所述一体化光源底座。

优选地，所述一体化传感模块包括一体化传感底座、一号分光角锥棱镜、分光镜、一号反射镜、偏振分光镜、一号四分之一波片、二号角锥棱镜、二号反射镜、二号四分之一波片、液体容器单元、液体单元、偏振片、阵列式探测器；

所述一体化传感底座用于固定所述一号分光角锥棱镜、分光镜、一号反射镜、偏振分光镜、一号四分之一波片、二号角锥棱镜、二号反射镜、二号四分之一波片、液体容器单元、液体单元、偏振片、阵列式探测器；

所述一号分光角锥棱镜用于透射垂向激光信号并反射部分垂向激光信号至所述一号分光镜；

所述分光镜用于将所述线偏振垂向激光信号分为第一透射光、第一反射光；

所述一号反射镜用于反射所述第一反射光至所述偏振分光镜；

所述偏振分光镜用于将所述第一透射光分为偏振态为P的第二透射光、偏振态为S的第二反射光；用于将第一反射光分为偏振态为P的第三透射光、偏振态为S的第三反射光；用于反射经液面反射的偏振态为S的第二透射光、第三透射光，经过偏振片分别获得第一信号光、第三信号光；用于透射所述二号角锥棱镜反射的偏振态为P的第二反射光，经过偏振片获得第二信号光；用于透射所述二号反射镜反射的偏振态为P的第三反射光，经过偏振片获得第四信号光；

所述一号四分之一波片用于透射偏振态为S的第二反射光、第三反射光获得偏振态为P的第二反射光、第三反射光；

所述二号角锥棱镜用于反射所述第二反射光至所述偏振分光镜；

所述二号反射镜用于反射所述第三反射光至所述偏振分光镜；

所述二号四分之一波片用于透射所述偏振态为P的第二透射光、第三透射光获得偏振态为S的第二透射光、第三透射光；

所述液体容器单元用于放置所述液体单元中的液体；

所述液体单元用于通过液面反射所述第二透射光、第三透射光至所述偏振分光镜；

所述阵列式探测器用于探测第一信号光与第二信号光干涉形成的第一波前干涉信号；用于探测第三信号光与第四信号光干涉形成的第二波前干涉信号。

优选地，所述二号反射镜与所述第三反射光不垂直；

所述第一波前干涉信号与所述第二波前干涉信号在空间上不重叠。

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波前干涉信号解耦算法，对干涉信号进行高精度解耦运算，根据测量结果向二维精密角度转台发送反馈控制信号，将垂向激光指向校正并溯源至重力方向，并将所述运算结果上传至上位机；

所述上位机用于接收、显示和存储垂向激光指向校正的测量结果。

一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正方法，包括，

通过垂向激光发生模块获得线偏振垂向激光信号，将所述线偏振垂向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波前干涉信号；

将所述波前干涉信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得垂向激光相对于重力方向的角度偏差结果，根据所述角度偏差结果，实现垂向激光指向的实时校正。

优选地，通过垂向激光发生模块获得线偏振垂向激光信号，将所述线偏振垂向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稳频激光信号，经单模保偏光纤将所述稳频激光信号传导至光纤准直器；所述光纤准直器输出线偏振准直激光，所述线偏振准直激光经五角棱镜获得线偏振垂向激光信号后，将所述线偏振垂向激光信号传输至一体化传感模块。

优选地，基于所述一体化传感模块产生波前干涉信号的过程包括，

线偏振垂向激光信号经一号分光角锥棱镜反射后沿原方向返回，被分光镜分为第一透射光与第一反射光；所述第一透射光被偏振分光镜分为偏振态为P的第二透射光与偏振态为S的第二反射光；所述第一反射光经一号反射镜反射后，被所述偏振分光镜分为偏振态为P的第三透射光与偏振态为S的第三反射光；

所述偏振态为P的第二透射光、第三透射光经二号四分之一波片透射、液体表面反射和二号四分之一波片反向透射后，获得偏振态为S的第二透射光、第三透射光；所述偏振态变为S的第二透射光、第三透射光被所述偏振分光镜反射，经过偏振片获得第一信号光、第三信号光；

所述偏振态为S的第二反射光经一号四分之一波片透射、二号角锥棱镜反射和一号四分之一波片反向透射后，获得偏振态为P的第二反射光；所述偏振态变为P的第二反射光被所述偏振分光镜透射后获得第二信号光；

所述偏振态为S的第三反射光经一号四分之一波片透射、二号反射镜和一号四分之一波片反向透射后，获得偏振态为P的第三反射光；所述偏振态变为P的第三反射光被所述偏振分光镜透射后获得第四信号光；

所述第一信号光与第二信号光在阵列式探测器的探测面发生干涉，获得第一波前干涉信号；所述第三信号光与第四信号光在阵列式探测器的探测面发生干涉，获得第二波前干涉信号；所述第一波前干涉信号与第二波前干涉信号在空间上不重叠。

优选地，所述垂向激光指向的实时校正过程包括，

将所述波前干涉信号发送至信号处理卡，所述信号处理卡通过对所述二维精密角度转台的角度调制和对第一波前干涉信号的高斯拟合，将垂向激光信号溯源至绝对重力方向，再对第二波前干涉信号执行干涉图像解耦算法，实现垂向激光指向的精密测量，最后根据测量结果向二维精密角度转台发送反馈控制信号，实现垂向激光指向的实时校正，同时将测量结果上传至上位机。

优选地，对所述波前干涉信号执行干涉图像解耦算法的过程包括，

将波前干涉信号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，获得所述波前干涉信号的频率空间矩阵，在波前干涉信号频谱的幅度空间计算不同空间频率成分；

基于所述波前干涉信号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向分量和Y向分量，依据角度测量值与波前干涉信号的空间频率呈线性关系的公式分别获得X向与Y向水平倾角。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明提供的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及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，可将光束指向直接溯源至重力方向。

(2)本发明借助激光偏振态的转换提高了能量利用效率并减小了光路中的虚反射，对激光功率需求较低，周期非线性误差小，角度测量结果可溯源至激光波长。

(3)本发明在对垂向激光指向进行精密测量的基础上，进一步实现了对光束指向的实时反馈精密校正。

(4)本发明装置的一体化传感模块便于拆卸与重复安装，方便复用于多套装置，节省成本。

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-阵列式探测器、3-偏振片、4-一号分光角锥棱镜、5-一体化传感底座、6-分光镜、7-一号反射镜、8-偏振分光镜、9-一号四分之一波片、10-二号角锥棱镜、11-二号反射镜、12-二号四分之一波片、13-液体容器、14-液体、15-五角棱镜、16-一体化光源底座、17-光纤准直器、18-二维精密角度转台、19-单频激光器、20-单模保偏光纤、21-信号处理卡。

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。

如图1所示的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，包括上位机1、阵列式探测器2、偏振片3、一号分光角锥棱镜4、一体化传感底座5、分光镜6、一号反射镜7、偏振分光镜8、一号四分之一波片9、二号角锥棱镜10、二号反射镜11、二号四分之一波片12、液体容器13、液体14、五角棱镜15、一体化光源底座16、光纤准直器17、二维精密角度转台18、单频激光器19、单模保偏光纤20和信号处理卡21；

其中，光纤准直器17和五角棱镜15固定在一体化光源底座16上，一号分光角锥棱镜4、分光镜6、一号反射镜7、偏振分光镜8、一号四分之一波片9、二号角锥棱镜10、二号反射镜11、二号四分之一波片12、液体容器13、偏振片3和阵列式探测器2均固定在一体化传感底座5上；一体化传感底座5和一体化光源底座16均位于二维精密角度转台18上；的一体化传感模块，可随时拆卸或安装，并且与一体化光源底座位于同一个平面上。

液体容器13为直径50mm的圆形；液体14为硅油，其黏度为350CS，反射率约3％，液面高度为2mm，作为光束指向的参考基准面。

如图1所示，本发明提供的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，包括：垂向激光发生模块、一体化传感模块、信号处理模块；

其中，垂向激光发生模块包括单频激光器、单模保偏光纤、光纤准直器、五角棱镜、一体化光源底座、二维精密角度转台，产生线偏振垂向激光信号并对其指向进行微调；

一体化传感模块包括一体化传感底座，一号分光角锥棱镜，分光镜，一号反射镜，偏振分光镜，一号四分之一波片，二号角锥棱镜，三号反射镜，二号四分之一波片，液体容器，液体，偏振片，阵列式探测器；

该垂向激光指向校正装置的工作原理如下：633nm的单频氦氖激光器20提供稳频激光信号，该激光信号为线偏振光，经单模保偏光纤21传导至光纤准直器18，光纤准直器18输出线偏振准直激光，其偏振方向与水平方向夹角约为1.77°，经五角棱镜16后成为垂向激光信号；部分垂向激光信号经一号分光角锥棱镜4反射后沿原方向返回，被分光镜6分为第一透射光与第一反射光；第一透射光被偏振分光镜8分为偏振态为P的第二透射光与偏振态为S的第二反射光；第一反射光经一号反射镜7反射后，被偏振分光镜8分为偏振态为P的第三透射光与偏振态为S的第三反射光；第二透射光经二号四分之一波片12透射、液体14表面反射和二号四分之一波片12反向透射后，其偏振态变为S，再被偏振分光镜8反射后，经过偏振片3成为偏振态45°的第一信号光；第二反射光经一号四分之一波片9透射、二号角锥棱镜10反射和一号四分之一波片9反向透射后，其偏振态变为P，再被偏振分光镜8透射后，经过偏振片3成为偏振态45°的第二信号光；第三透射光经二号四分之一波片12透射、液体14表面反射和二号四分之一波片12反向透射后，其偏振态变为S，再被偏振分光镜8反射后，经过偏振片3成为偏振态45°的第三信号光；第三反射光经一号四分之一波片9透射、二号反射镜11反射和一号四分之一波片9反向透射后，其偏振态变为P，再被偏振分光镜8透射后，经过偏振片3成为偏振态45°的第四信号光；第一信号光与第二信号光在阵列式探测器2的探测面发生干涉，形成圆盘状第一波前干涉信号，并由阵列式探测器2进行探测；二号反射镜11与第三反射光不垂直，致使第三信号光与第四信号光的光轴指向产生微小的角度偏差，从而在阵列式探测器2的探测表面形成条纹状第二波前干涉信号，并由阵列式探测器2进行探测；第一波前干涉信号与第二波前干涉信号在空间上不重叠；第一波前干涉信号与第二波前干涉信号以数字量的形式发送至信号处理卡21，信号处理卡21中集成了波前干涉信号解耦算法，对波前干涉信号进行高精度解耦运算，根据测量结果向二维精密角度转台18发送反馈控制信号，将垂向激光指向校正并溯源至重力方向，并同时将测量结果发送至上位机1。

进一步地，垂向激光指向的校正方法包括：

步骤一，垂向激光指向预调节：信号处理卡21驱动二维精密角度转台18分别绕X轴和Y轴转动，使得第一波前干涉信号呈现为近似圆形的光斑；

步骤二，X方向角度初值调节：信号处理卡21驱动二维精密角度转台18绕Y轴往复转动，对垂向激光的指向沿X方向进行正弦调制，调制频率为f_m；同时，沿X方向对第一波前干涉信号的强度分布进行实时高斯拟合，并记录拟合曲线的半高宽d_x；绕Y轴调节二维精密角度转台的中心角度值，使得d_x曲线成为频率为2f_m的正弦曲线，此时d_x在转台处于中心角度值时达到最大值d_x-max；

步骤三，Y方向角度初值调节：信号处理卡21驱动二维精密角度转台18绕X轴往复转动，对垂向激光的指向沿Y方向进行正弦调制，调制频率为f_m；同时，沿Y方向对第一波前干涉信号的强度分布进行实时高斯拟合，并记录拟合曲线的半高宽d_y；绕X轴调节二维精密角度转台的中心角度值，使得d_y曲线成为频率为2f_m的正弦曲线，此时d_y在转台处于中心角度值时达到最大值d_y-max；

步骤四，垂向激光指向初值校正：停止二维精密角度转台18的角度调制，使其在X方向和Y方向上均处于上述中心角度值，同时第一波前干涉信号沿X方向和Y方向的半高宽均达到最大值d_x-max和d_y-max；同时，对第二波前干涉信号执行波前干涉信号解耦算法，记录其X向与Y向水平倾角初值θ_X0和θ_Y0；

步骤五，垂向激光指向监测与实时校正：对第二波前干涉信号执行波前干涉信号解耦算法，实时测量角度结果θ_X和θ_Y，则垂向激光相对于重力方向在X方向和Y方向上的角度偏差分别为θ′_X＝θ_X-θ_X0和θ′_Y＝θ_Y-θ_Y0；同时，信号处理卡21根据测量到的角度偏差，对二维精密角度转台18的姿态进行闭环反馈控制，使得θ′_X和θ′_Y均为零。

波前干涉信号解耦算法将角度测量值溯源至激光波长的干涉信号解耦算法包括：

步骤一，将波前干涉信号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，获得波前干涉信号的频率空间矩阵，在波前干涉信号频谱的幅度空间计算其不同空间频率成分；

步骤二，在波前干涉信号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，角度测量值θ_X和θ_Y与波前干涉信号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向分量和Y向分量，依据公式1和公式2可以分别求得X向与Y向水平倾角θ_X和θ_Y。

式中，f_X和f_Y分别为波前干涉信号空间频率的X向和Y向分量，λ为激光波长，n_air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激光指向相对于重力方向的变化。

本发明提供一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法，利用线偏振激光的波前零差干涉原理，以水平面为参考基准面，借助圆盘状波前零差干涉信号将光束指向溯源至重力方向，借助液面反射和姿态倾斜的反射镜，将光束倾角转化为条纹状波前零差干涉信号，通过计算波前干涉信号在X方向和Y方向上的空间频率，精确测量光束指向相对于重力方向的角度偏差；最终，通过对垂向激光发生模块的姿态进行反馈控制，实现垂向激光指向的精密实时校正。本发明的垂向激光指向校正装置完全基于激光干涉测量原理，测量分辨力高，角度测量结果可直接溯源至激光波长，满足了高端装备对超精密垂向激光指向的需求。此外，本发明装置的一体化传感模块便于拆卸与重复安装，方便复用于多套装置，节省成本。

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 (10)

1.一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，其特征在于，包括：

垂向激光发生模块，用于产生线偏振垂向激光信号，并对所述线偏振垂向激光信号的指向进行微调；

一体化传感模块，与所述垂向激光发生模块连接，用于接收所述线偏振垂向激光信号，基于所述线偏振垂向激光信号产生波前干涉信号；

信号处理模块，与所述一体化传感模块连接，用于对所述波前干涉信号进行高精度解耦运算，获得线偏振垂向激光信号相对于重力方向的角度偏差结果，根据所述角度偏差结果，实现垂向激光指向的实时校正。

2.根据权利要求1所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，其特征在于，

所述垂向激光发生模块包括单频激光器、单模保偏光纤、光纤准直器、五角棱镜、一体化光源底座、二维精密角度转台；

所述单频激光器用于提供稳频激光信号；

所述单模保偏光纤，与所述单频激光器连接，用于将所述稳频激光信号传导至光纤准直器；

所述光纤准直器，与所述单模保偏光纤连接，用于接收所述稳频激光信号并输出线偏振准直激光；

所述五角棱镜用于接收所述线偏振准直激光，输出线偏振垂向激光信号；

所述一体化光源底座用于固定所述光纤准直器和所述五角棱镜；

所述二维精密角度转台用于放置一体化传感底座和所述一体化光源底座。

3.根据权利要求1所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，其特征在于，

所述一体化传感模块包括一体化传感底座、一号分光角锥棱镜、分光镜、一号反射镜、偏振分光镜、一号四分之一波片、二号角锥棱镜、二号反射镜、二号四分之一波片、液体容器单元、液体单元、偏振片、阵列式探测器；

所述一体化传感底座用于固定所述一号分光角锥棱镜、分光镜、一号反射镜、偏振分光镜、一号四分之一波片、二号角锥棱镜、二号反射镜、二号四分之一波片、液体容器单元、液体单元、偏振片、阵列式探测器；

所述一号分光角锥棱镜用于透射垂向激光信号并反射部分垂向激光信号至所述一号分光镜；

所述分光镜用于将所述线偏振垂向激光信号分为第一透射光、第一反射光；

所述一号反射镜用于反射所述第一反射光至所述偏振分光镜；

所述偏振分光镜用于将所述第一透射光分为偏振态为P的第二透射光、偏振态为S的第二反射光；用于将第一反射光分为偏振态为P的第三透射光、偏振态为S的第三反射光；用于反射经液面反射的偏振态为S的第二透射光、第三透射光，经过偏振片分别获得第一信号光、第三信号光；用于透射所述二号角锥棱镜反射的偏振态为P的第二反射光，经过偏振片获得第二信号光；用于透射所述二号反射镜反射的偏振态为P的第三反射光，经过偏振片获得第四信号光；

所述一号四分之一波片用于透射偏振态为S的第二反射光、第三反射光获得偏振态为P的第二反射光、第三反射光；

所述二号角锥棱镜用于反射所述第二反射光至所述偏振分光镜；

所述二号反射镜用于反射所述第三反射光至所述偏振分光镜；

所述二号四分之一波片用于透射所述偏振态为P的第二透射光、第三透射光获得偏振态为S的第二透射光、第三透射光；

所述液体容器单元用于放置所述液体单元中的液体；

所述液体单元用于通过液面反射所述第二透射光、第三透射光至所述偏振分光镜；

所述阵列式探测器用于探测第一信号光与第二信号光干涉形成的第一波前干涉信号；用于探测第三信号光与第四信号光干涉形成的第二波前干涉信号。

4.根据权利要求3所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，其特征在于，

所述二号反射镜与所述第三反射光不垂直；

所述第一波前干涉信号与所述第二波前干涉信号在空间上不重叠。

5.根据权利要求1所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置，其特征在于，

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波前干涉信号解耦算法，对干涉信号进行高精度解耦运算，根据测量结果向二维精密角度转台发送反馈控制信号，将垂向激光指向校正并溯源至重力方向，并将所述运算结果上传至上位机；

所述上位机用于接收、显示和存储垂向激光指向校正的测量结果。

6.一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正方法，其特征在于，包括，

通过垂向激光发生模块获得线偏振垂向激光信号，将所述线偏振垂向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波前干涉信号；

将所述波前干涉信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得垂向激光相对于重力方向的角度偏差结果，根据所述角度偏差结果，实现垂向激光指向的实时校正。

7.根据权利要求6所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正方法，其特征在于，通过垂向激光发生模块获得线偏振垂向激光信号，将所述线偏振垂向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稳频激光信号，经单模保偏光纤将所述稳频激光信号传导至光纤准直器；所述光纤准直器输出线偏振准直激光，所述线偏振准直激光经五角棱镜获得线偏振垂向激光信号后，将所述线偏振垂向激光信号传输至一体化传感模块。

8.根据权利要求6所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正方法，其特征在于，基于所述一体化传感模块产生波前干涉信号的过程包括，

线偏振垂向激光信号经一号分光角锥棱镜反射后沿原方向返回，被分光镜分为第一透射光与第一反射光；所述第一透射光被偏振分光镜分为偏振态为P的第二透射光与偏振态为S的第二反射光；所述第一反射光经一号反射镜反射后，被所述偏振分光镜分为偏振态为P的第三透射光与偏振态为S的第三反射光；

所述偏振态为P的第二透射光、第三透射光经二号四分之一波片透射、液体表面反射和二号四分之一波片反向透射后，获得偏振态为S的第二透射光、第三透射光；所述偏振态变为S的第二透射光、第三透射光被所述偏振分光镜反射，经过偏振片获得第一信号光、第三信号光；

所述偏振态为S的第二反射光经一号四分之一波片透射、二号角锥棱镜反射和一号四分之一波片反向透射后，获得偏振态为P的第二反射光；所述偏振态变为P的第二反射光被所述偏振分光镜透射后获得第二信号光；

所述偏振态为S的第三反射光经一号四分之一波片透射、二号反射镜和一号四分之一波片反向透射后，获得偏振态为P的第三反射光；所述偏振态变为P的第三反射光被所述偏振分光镜透射后获得第四信号光；

所述第一信号光与第二信号光在阵列式探测器的探测面发生干涉，获得第一波前干涉信号；所述第三信号光与第四信号光在阵列式探测器的探测面发生干涉，获得第二波前干涉信号；所述第一波前干涉信号与第二波前干涉信号在空间上不重叠。

9.根据权利要求6所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正方法，其特征在于，所述垂向激光指向的实时校正过程包括，

将所述波前干涉信号发送至信号处理卡，所述信号处理卡通过对二维精密角度转台的角度调制和对第一波前干涉信号的高斯拟合，将垂向激光信号溯源至绝对重力方向，再对第二波前干涉信号执行干涉图像解耦算法，实现垂向激光指向的精密测量，最后根据测量结果向二维精密角度转台发送反馈控制信号，实现垂向激光指向的实时校正，同时将测量结果上传至上位机。

10.根据权利要求9所述的基于波前零差干涉的垂向激光指向校正方法，其特征在于，对所述波前干涉信号执行干涉图像解耦算法的过程包括，

将波前干涉信号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，获得所述波前干涉信号的频率空间矩阵，在波前干涉信号频谱的幅度空间计算不同空间频率成分；

基于所述波前干涉信号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向分量和Y向分量，依据角度测量值与波前干涉信号的空间频率呈线性关系的公式分别获得X向与Y向水平倾角。

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