CN114964181B - 基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法 - Google Patents

基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114964181B
CN114964181B CN202210585708.2A CN202210585708A CN114964181B CN 114964181 B CN114964181 B CN 114964181B CN 202210585708 A CN202210585708 A CN 202210585708A CN 114964181 B CN114964181 B CN 114964181B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
laser
light
wavefront
interference signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210585708.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114964181A (zh
Inventor
胡鹏程
于亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202210585708.2A priority Critical patent/CN114964181B/zh
Publication of CN114964181A publication Critical patent/CN114964181A/zh
Priority to US17/982,033 priority patent/US20230384090A1/en
Application granted granted Critical
Publication of CN114964181B publication Critical patent/CN114964181B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02—Details
    • G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02—Details
    • G01C9/08—Means for compensating acceleration forces due to movement of instrument
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02—Details
    • G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
    • G01C2009/066—Electric or photoelectric indication or reading means optical
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

本发明公开了基于波前零差干涉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

基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法
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波前零差干涉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，借助阵列式探测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波前零差干涉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：基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪，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、单模保偏光纤；
所述单频激光器用于提供线偏振光，所述线偏振光即为所述激光信号；
所述单模保偏光纤，与所述单频激光器连接，用于将产生的线偏振光传导至光纤准直器。
优选地，所述一体化传感模块包括光纤准直器、偏振分光镜、反射镜、一号四分之一波片、二号四分之一波片、偏振片、液体容器单元、液体单元、阵列式探测器；
所述光纤准直器用于接收线偏振光并输出线偏振准直激光；
所述偏振分光镜用于将所述线偏振准直激光分为第一透射光、第一反射光；还用于反射偏振态转变为S的第一透射光，获得第一信号光，透射偏振态转变为P的第一反射光，获得第二信号光；
所述一号四分之一波片、反射镜用于将偏振态为P的第一透射光转换为偏振态为S的第一透射光；
所述二号四分之一波片、液体单元用于将偏振态为S的第一反射光转换为偏振态为P的第一反射光；
所述偏振片用于选取第一信号光和第二信号光在相同偏振方向上的分量，使之形成干涉；
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所述波前干涉信号。
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，对所述波前干涉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、显示和存储水平倾角测量的运算结果。
基于波前零差干涉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，经单模保偏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波前干涉信号的过程包括，
通过光纤准直器接收线偏振光并输出线偏振准直激光，所述线偏振准直激光经过偏振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，并正反两次经过一号四分之一波片，所述第一透射光的偏振态由P转换为S，再经偏振分光镜反射后，通过偏振片成为第一信号光并射向阵列式探测器；所述第一反射光被液面反射，并正反两次经过二号四分之一波片，所述第一反射光的偏振态由S转换为P，再经偏振分光镜透射后，通过偏振片成为第二信号光并射向阵列式探测器；
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，形成波前干涉信号。
优选地，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，获得水平倾角测量结果的过程包括，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双轴水平倾角解耦算法，对所述波前干涉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，对所述波前干涉信号进行高精度解耦运算的过程包括，
将波前干涉信号转换为二维光强矩阵，对所述二维光强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分量和Y分量，依据液面相对于反射镜的角度与波前干涉信号的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)本发明提供的基于波前零差干涉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波前干涉信号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。
(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-阵列式探测器、4-偏振片、5-偏振分光镜、6-反射镜、7-一号四分之一波片、8-一体化底座、9-液体、10-液体容器、11-二号四分之一波片、12-光纤准直器、13-单模保偏光纤、14-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所示的基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪，包括上位机1、信号处理卡2、阵列式探测器3、偏振片4、偏振分光镜5、反射镜6、一号四分之一波片7、一体化底座8、液体9、液体容器10、二号四分之一波片11、光纤准直器12、单模保偏光纤13和单频激光器14；其中，光纤准直器12、偏振分光镜5、反射镜6、液体容器10和阵列式探测器3均固定在一体化底座8上；
所述液体9，其黏度值在百CS量级，反射率大于1％，液面高度在毫米量级，是水平倾角的参考基准面。液体容器10为直径大于30mm的圆形。
进一步优化方案，液体9为硅油，其黏度为350CS，反射率约3％，液面高度为2mm，作为水平倾角的参考基准面。
反射镜6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，形成倾斜的条纹状波前干涉信号，并被阵列式探测器有效探测。
如图1所示，本发明提供的一种基于波前零差干涉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；
其中，所述激光光源模块包括单频激光器14、单模保偏光纤13，用于产生线偏振激光，其偏振方向与P光偏振方向的夹角为1.77°；
所述一体化传感模块包括一体化底座8、光纤准直器12、偏振分光镜5、反射镜6、一号四分之一波片7、二号四分之一波片11、液体容器10、液体9、偏振片4、阵列式探测器3；偏振分光镜5将光纤准直器12发出的1.77°线偏振光分为第一透射光与第一反射光；第一透射光被反射镜反射，并正反两次经过一号四分之一波片7，成为第一信号光；第一反射光被液面反射，并正反两次经过二号四分之一11波片，成为第二信号光；第一信号光与第二信号光共同经过偏振片4后，在阵列式探测器的探测面发生干涉，形成波前干涉信号。
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，对波前干涉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波前零差干涉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14采用633nm的单频氦氖激光器，用于提供稳频激光信号，且该激光信号为线偏振光，经单模保偏光纤13传导至光纤准直器12，光纤准直器12输出线偏振准直激光，其偏振方向与P光偏振方向的夹角为1.77°；1.77°线偏振准直激光经过偏振分光镜5后被分为第一透射光与第一反射光两束；其中，偏振态为P的第一透射光先后经过一号四分之一波片7透射、反射镜6反射、一号四分之一波片7反向透射后返回，其偏振态变为S，再经偏振分光镜5反射后，通过偏振片4成为第一信号光，其偏振态为45°；同时，偏振态为S的第一反射光先后经过二号四分之一波片11透射、液体9的液面反射、二号四分之一波片11反向透射后返回，其偏振态变为P，再经偏振分光镜5透射后，通过偏振片4成为第二信号光，其偏振态为45°；反射镜6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，从而在阵列式探测器3的探测表面形成倾斜的条纹状波前干涉信号，并由阵列式探测器3进行探测；波前干涉信号以数字量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，对波前干涉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波前干涉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，获得其频率空间矩阵，在其频谱的幅度空间计算其不同空间频率成分；
步骤二，在波前干涉信号二维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波前干涉信号的频率呈线性关系，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。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。
Figure BDA0003665852900000111
Figure BDA0003665852900000112
式中，θX和θY分别为X和Y方向的水平倾角，fX和fY分别为波前干涉信号空间频率的X和Y分量，λ为激光波长，nair为空气折射率。
本发明还提供的一种基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪的测量方法，以水平面为参考基准面，利用线偏振激光的波前零差干涉原理，借助液面和姿态倾斜的反射镜，将待测水平倾角转化为波前干涉信号并对其进行高精度解耦计算，最终实现对水平倾角的高精度双轴测量。此外，通过对激光偏振态的旋转，配合偏振分光镜提高了能量利用效率，减小了对激光功率的需求，也减小了光路中的虚反射以及由此引起的周期非线性误差。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，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 (4)

1.基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪，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，获得水平倾角测量结果；
所述一体化传感模块包括光纤准直器、偏振分光镜、反射镜、一号四分之一波片、二号四分之一波片、偏振片、液体容器单元、液体单元、阵列式探测器；
所述光纤准直器用于接收线偏振光并输出线偏振准直激光；
所述偏振分光镜用于将所述线偏振准直激光分为第一透射光、第一反射光；还用于反射偏振态转变为S的第一透射光，获得第一信号光，透射偏振态转变为P的第一反射光，获得第二信号光；
所述一号四分之一波片、反射镜用于将偏振态为P的第一透射光转换为偏振态为S的第一透射光；
所述二号四分之一波片、液体单元用于将偏振态为S的第一反射光转换为偏振态为P的第一反射光；
所述偏振片用于选取第一信号光和第二信号光在相同偏振方向上的分量，使之形成干涉；
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所述波前干涉信号；
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，对所述波前干涉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、显示和存储水平倾角测量的运算结果；
所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述波前干涉信号进行高精度解耦运算的过程包括，
将波前干涉信号转换为二维光强矩阵，对所述二维光强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分量和Y分量，依据液面相对于反射镜的角度与波前干涉信号的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。
2.根据权利要求1所述的基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪，其特征在于，
所述激光光源模块包括单频激光器、单模保偏光纤；
所述单频激光器用于提供线偏振光，所述线偏振光即为所述激光信号；
所述单模保偏光纤，与所述单频激光器连接，用于将产生的线偏振光传导至光纤准直器。
3.基于波前零差干涉的高精度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，获得水平倾角测量结果；
基于所述一体化传感模块产生波前干涉信号的过程包括，
通过光纤准直器接收线偏振光并输出线偏振准直激光，所述线偏振准直激光经过偏振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，并正反两次经过一号四分之一波片，所述第一透射光的偏振态由P转换为S，再经偏振分光镜反射后，通过偏振片成为第一信号光并射向阵列式探测器；所述第一反射光被液面反射，并正反两次经过二号四分之一波片，所述第一反射光的偏振态由S转换为P，再经偏振分光镜透射后，通过偏振片成为第二信号光并射向阵列式探测器；
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，形成波前干涉信号；
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，获得水平倾角测量结果的过程包括，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双轴水平倾角解耦算法，对所述波前干涉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；
所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述波前干涉信号进行高精度解耦运算的过程包括，
将波前干涉信号转换为二维光强矩阵，对所述二维光强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分量和Y分量，依据液面相对于反射镜的角度与波前干涉信号的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。
4.根据权利要求3所述的基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪的测量方法，其特征在于，
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，经单模保偏光纤将产生的激光信号传导至光纤准直器。
CN202210585708.2A 2022-05-27 2022-05-27 基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法 Active CN114964181B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210585708.2A CN114964181B (zh) 2022-05-27 2022-05-27 基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法
US17/982,033 US20230384090A1 (en) 2022-05-27 2022-11-07 High-precision dual-axis laser inclinometer based on wavefront homodyne interference and measuring method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210585708.2A CN114964181B (zh) 2022-05-27 2022-05-27 基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114964181A CN114964181A (zh) 2022-08-30
CN114964181B true CN114964181B (zh) 2023-04-25

Family

ID=82972237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210585708.2A Active CN114964181B (zh) 2022-05-27 2022-05-27 基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230384090A1 (zh)
CN (1) CN114964181B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116242278B (zh) * 2023-05-11 2023-07-11 山东高速工程检测有限公司 一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004093663A2 (en) * 2003-04-09 2004-11-04 Visx Incorporated Wavefront calibration analyzer and methods
CN101968383A (zh) * 2010-09-02 2011-02-09 北京理工大学 一种抗扰动的时频域波前检测方法
WO2016033766A1 (zh) * 2014-09-03 2016-03-10 北京交通大学 单根光纤耦合双频激光六自由度误差同时测量系统

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6545759B1 (en) * 1999-11-30 2003-04-08 Nile F. Hartman Transverse integrated optic interferometer
DE10231475A1 (de) * 2002-07-12 2004-01-22 Leica Microsystems Heidelberg Gmbh Scanmikroskop mit optischem Bauteil und optisches Bauteil
JP2004340735A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Pentax Corp 波面収差測定装置
WO2007085992A1 (en) * 2006-01-24 2007-08-02 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Optical imaging system with extended depth of focus
US8520500B2 (en) * 2008-03-28 2013-08-27 Qualcomm Incorporated Buffered demod and demap functions
CN102944176B (zh) * 2012-11-09 2015-06-17 清华大学 一种外差光栅干涉仪位移测量系统
CA2959494A1 (en) * 2014-08-28 2016-03-03 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. In-line inspection of ophthalmic device with auto-alignment system and interferometer
EP3181703B1 (en) * 2015-12-18 2018-12-05 Paris Sciences et Lettres - Quartier Latin Optical device for measuring the position of an object
CN107255451B (zh) * 2017-07-07 2023-07-18 浙江理工大学 角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法
CN108871278B (zh) * 2018-08-19 2023-07-25 天津大学 一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法
CN111683111B (zh) * 2020-04-17 2021-04-06 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于gpu的干涉测量多相信道化基带转换系统
CN112857209B (zh) * 2021-03-09 2023-02-28 哈尔滨工业大学 基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪
CN112857207B (zh) * 2021-03-09 2022-12-16 哈尔滨工业大学 基于阵列式探测器的单光束三自由度零差激光干涉仪
CN115700407A (zh) * 2022-11-17 2023-02-07 湖北久之洋红外系统股份有限公司 基于计算全息的离轴三反光学系统共基准装调方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004093663A2 (en) * 2003-04-09 2004-11-04 Visx Incorporated Wavefront calibration analyzer and methods
CN101968383A (zh) * 2010-09-02 2011-02-09 北京理工大学 一种抗扰动的时频域波前检测方法
WO2016033766A1 (zh) * 2014-09-03 2016-03-10 北京交通大学 单根光纤耦合双频激光六自由度误差同时测量系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王洪远 ; 段发阶 ; 蒋佳佳 ; 张聪 ; .二维光电水平倾角测量系统.光学精密工程.2017,(第12期),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
US20230384090A1 (en) 2023-11-30
CN114964181A (zh) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110230999B (zh) 一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置及方法
CN109470176B (zh) 基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置
CN108871278B (zh) 一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法
CN104848802B (zh) 法线跟踪式差动共焦非球面测量方法与系统
CN101852676B (zh) 多焦全息差动共焦超长焦距测量方法与装置
CN1948903A (zh) 二维水平度测量方法及其装置
CN1831469A (zh) 基于psd的动态光电自准直仪
CN109520446A (zh) 一种高速回转轴系动态倾角误差的测量方法
CN114964181B (zh) 基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法
CN101063607A (zh) 综合舰船姿态精确测量系统变形检测装置
CN110132160B (zh) 一种采用光纤光源的桥梁挠度测量方法
CN211926795U (zh) 一种新型三维动态高精度光电自准直仪
CN102980534B (zh) 一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量方法及系统
CN212806922U (zh) 位移测量装置、掩模台测量系统和光刻机
CN114942018B (zh) 一种基于波前零差干涉的垂向激光指向校正装置及方法
CN116086361B (zh) 用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法
CN114894158B (zh) 基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪及测量方法
CN111998775A (zh) 一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置
CN114894159B (zh) 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
CN114234854B (zh) 一种三自由度角度同时测量的方法与装置
CN114942016B (zh) 一种基于干涉条纹解耦的垂向激光指向校正装置及方法
CN114942017B (zh) 一种基于波前干涉图像的垂向激光指向校正装置及方法
Li et al. Development of a high-sensitivity dual-axis optoelectronic level using double-layer liquid refraction
CN112432765A (zh) 一种激光扫描振镜性能检测装置
CN207301331U (zh) 一种三角法激光测距传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant