CN115031630B - 一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置，包括：光频梳、测距模块和数据采集模块；所述测距模块包括分束镜组、转向镜、光开关、角锥镜组、反射镜组和光栅光谱仪；所述测距模块经第一分束镜、转向镜、第二分束镜和第三分束镜组成的固定机构构建三路平行的测量光束和一路参考光束；所述数据采集模块用于根据收到的干涉信号解算平面位姿信息，其中，所述平面位姿信息包括距离、俯仰角和偏摆角信息。所述测量方法包括分别打开和关闭参考臂光开关，由光栅光谱仪记录下干涉信号，将包含和不包含参考光参与干涉的干涉信号进行分析从而获得移动距离、俯仰角和偏摆角信息。
Description
技术领域
本发明属于激光几何量测量技术领域，具体涉及一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置及测量方法。
背景技术
高精度装配、超精密机械加工、空间卫星编队均离不开空间位置和姿态的多自由度精密测量。其中，由轴向距离、俯仰角度、偏摆角度组成的平面位姿信息是最为关键的多自由度信息。近年来美国API公司、英国RENISHAW公司、德国SIOS公司分别推出多自由度测量设备XD Laser、XM-60、SP 15000C5。通过构建单路/多路平行测量光束配合单测头实现平面位姿的同步测量。单向定位原理类似，以激光干涉测距方法获取靶镜的轴向位置信息。其角度测量原理大致可分为两类：一类以激光自准直原理来获取目标的俯仰角度、偏摆角度信息，测角范围较小；一类则以多路激光干涉测得的光程差配合平行光束间距，通过反正弦/反正切三角函数关系来实现俯仰角、偏摆角测量，测量精度高、可将结果溯源至波长基准。但多光束干涉系统需搭建多路光电探测结构配合后续多路信号处理系统进行多路光程差的测量，系统结构复杂。如发明专利“多拼接子镜多自由度位移监测系统”(申请号：CN202010855322.X)提出了一种基于双频干涉技术来高精度监测物体微位移的方法，虽然单套干涉系统能实现多位移的测量，但需依靠光开关进行分时测量，多测量信息的同步性差；发明专利“一种基于激光测距仪的高精度六自由度测量方法及装置”(申请号：CN202110236689.8)，通过多路测距激光同时确定目标上多点位移信息，通过坐标解算可直接确定目标位姿变化，但需六路光学配件、六通道数据处理系统完成测量，系统结构较为复杂。
为此需要一种结构简单、利用单光源、单干涉信号接收器能够实现平面位姿同时测量的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置及测量方法，本发明利用单光源、单干涉信号接收器即可实现平面位姿的同时测量。
一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置，包括：光频梳、测距模块和数据采集模块；
其中，所述光频梳，用于产生重频脉冲激光；
所述测距模块，用于产生包含/不包含参考光束参与干涉的多路干涉信号；包括分束镜组，转向镜，光开关、角锥镜组、反射镜组和光栅光谱仪；分束镜组包括第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜；角锥镜组包括第一角锥镜、第二角锥镜、第三角锥镜；反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、参考反射镜；
所述角锥镜组构建靶标作为移动机构安装在被测目标上；
所述数据采集模块包括计算机，用于根据收到的干涉信号解算平面位姿信息，其中，所述平面位姿信息包括靶镜的移动距离信息、俯仰角和偏摆角信息；
其中，光频梳的脉冲激光经第一分束镜、转向镜、第二分束镜和第三分束镜组成的固定机构构建三路平行的测量光束和一路参考光束，
分别为经由第一分束镜和转向镜转向的光束为第一测量光束，第一测量光束射向由第一角锥镜和第一反射镜组成的第一测量臂；
第二分束镜出射的光束为第二测量光束，第二测量光束射向由第二角锥镜和第二反射镜组成的第二测量臂；
第三分束镜出射的光束为第三测量光束，第三测量光束射向由第三角锥镜和第三反射镜组成的第三测量臂；
第三分束镜反射的参考光束经光开关射向参考反射镜组成参考臂，设置在参考臂中的光开关用于转换系统工作模式，决定参考光束是否参与干涉；
三路测量光束经角锥镜和反射镜后原路返回，和一路参考光束在第一分束镜处重合并发生干涉，传输至光栅光谱仪，所述光栅光谱仪将干涉信号传输至计算机。
进一步的，所述光栅光谱仪由衍射光栅、第四反射镜、线阵CCD组成，所述衍射光栅用于将多频率复合的单光束分离为按不同频率依次展开的多光束，所述第四反射镜用于将不同频率的干涉光束传输至线阵CCD，线阵CCD将采集的数据传输至计算机。
利用光频梳色散干涉的平面位姿测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将由三角锥镜组成的靶镜安装至被测目标上，调整靶镜姿态，确保三路测量光束与角锥镜通光孔径保持良好的入射关系，即确保测量光束分别入射至角锥的上半部分；建立笛卡尔坐标系O-XYZ，Z轴与测量光束平行，X轴与参考光束平行，Y轴垂直于XOZ平面向上；
步骤二：打开参考臂光开关，保持参考臂畅通，由光栅光谱仪记录下第三分束镜反射的参考光束与三个测量光束相互干涉的光谱图样，因四束光两两之间发生干涉，光谱干涉图样共被六路光程差所调制，
所述三束测量光经角锥镜和反射镜后原路返回，与参考光束在第一分束镜处重合并发生干涉,由光栅光谱仪采集干涉图样并发送至计算机进行分析；
步骤三：关闭参考臂中的光开关来遮挡参考臂光束，所述三束测量光经角锥镜和反射镜后原路返回，由光栅光谱仪记录下三束测量光束之间的干涉图样，三束光两两之间相互干涉，因此光谱干涉图样被三路光程差调制，由光栅光谱仪采集干涉图样并发送至计算机进行分析；
步骤四：对步骤二和步骤三中采集到的干涉图样分别进行傅里叶变换，通过比对步骤二、三中干涉峰的位置区分并确定测距光程差和测角光程差所对应的干涉峰；
步骤五：通过窗口滤波、傅里叶逆变换、提取干涉相位解算多路光程差，以参考臂相对测量臂的光程差确定靶镜的移动距离信息，以第一测量光束相对第二测量光束的光程变化量配合竖直正弦臂长，由反正弦函数从而计算俯仰角；以第三测量光束相对第二测量光束的光程变化量配合水平正弦臂长，由反正弦函数从而计算偏摆角度。
进一步的，所述步骤五中靶镜的移动距离，由三路测量臂相对参考臂移动距离的平均值来表示：
其中，Lpp＝c/(frepng)表示光频梳脉冲序列中的脉冲间距，由光频梳重频frep确定；ng表示空气的群折射率；m表示测量脉冲与参考脉冲之间的序数差；4为目标镜移动的几何距离和被测光程差之间的几何倍数因子；l1/2为第一测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化；l2/2为第二测量臂相对参考臂的小数部分脉冲间距变化；l3/2为第三测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化。
俯仰角θpitch和偏摆角θyaw分别表示为：
其中，Rx表示两水平角锥顶点之间的距离，Ry表示两垂直角锥顶点之间的距离；其中，Δl1/2表示靶标旋转过程中，第三测量臂相对第二测量臂的几何路径变化，Δl2/2表示靶标旋转过程中，第一测量臂相对第二测量臂的几何路径变化。
本发明有益效果在于：
1)本发明由光频梳搭建多平行光束干涉系统，在保证高精度长度测量的前提下，色散干涉配合傅里叶变换算法可同时解算多路光程差，实现多路复用，使得本系统光路结构简单并易于集成；
2)因光谱干涉具有较大的非模糊范围，可在较大角度范围内实现绝对距离和绝对角度测量。
附图说明
图1为本发明实施例中的光频梳色散干涉平面位姿测量装置结构示意图；
图2为本发明实施例中的光频梳色散干涉平面位姿测量装置俯仰角、偏摆角测量的原理示意图；(a)示出目标发生偏摆角度(yaw)变化时，两水平角锥顶点(HR2、HR3),沿X轴方向相对位置变化，(b)示出目标发生俯仰角度(pitch)变化时，两垂直角锥顶点(HR1、HR2),沿Y轴方向相对位置变化。
图3为本发明实施例中利用光频梳色散干涉平面位姿测量方法采集到的光谱干涉图样示意图，其中，(a)是在光开关开通状态下的光谱干涉图样，(b)是(a)经过傅里叶变换后的结果；(c)是在光开关关闭状态下的光谱干涉图样；(d)是(c)经过傅里叶变换后的结果。
其中：
1：飞秒光频梳 2：第一分束镜 3：转向镜
4：第一角锥镜 5：第一反射镜 6：第二分束镜
7：第二角锥镜 8：第二反射镜 9：第三分束镜
10：第三角锥镜 11：第三反射镜 12：光开关
13：参考反射镜 14：衍射光栅 15：第四反射镜
16：线阵CCD 17：计算机 18：角锥镜背板
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
下面结合附图，对本发明进行详细的描绘，为描述运动参数，建立笛卡尔坐标系O-XYZ，Z轴与测量光束平行，X轴垂直与参考光束平行，Y轴垂直向上，即垂直于XOZ平面。为了后续描述方便，将角锥镜组绕X轴的角度定义为俯仰角，绕Y轴旋转的角度定义为偏摆角。本发明提供的一种光频梳色散干涉平面位姿测量方法，包括以下内容：
参见图1，基于光频梳色散干涉平面位姿测量装置，包括：飞秒光频梳1、分束镜组、转向镜3，光开关12、角锥镜组、反射镜组，光栅光谱仪和计算机17。其中，分束镜组包括第一分束镜2，第二分束镜6，第三分束镜9；角锥镜组包括第一角锥镜4，第二角锥镜7，第三角锥镜10；反射镜组包括第一反射镜5，第二反射镜8，第三反射镜11，参考反射镜13；所述光栅光谱仪由衍射光栅14、第四反射镜15、线阵CCD 16组成，所述衍射光栅14用于将多频率复合的单光束分离为按不同频率依次展开的的多子光束，所述第四反射镜15用于增加径向距离。所述第一角锥镜4、第二角锥镜7和第三角锥镜10均设置在角锥镜背板18上，所述角锥镜背板18面向所述飞秒光频梳1并作为靶标安装在被测目标上。
由所述飞秒光频梳1输出的飞秒脉冲经第一分束镜2、转向镜3、第二分束镜6和第三分束镜9构建三路平行的测量光束，分别为经由第一分束镜2和转向镜3转向的光束为第一测量光束，第二分束镜6出射的光束为第二测量光束，第三分束镜9出射的光束为第三测量光束；其中经转向镜3转向的第一测量光束射向由第一角锥镜4和第一反射镜5组成的第一测量臂；透射过第二分束镜6的第二测量光束射向由第二角锥镜7和第二反射镜8组成的第二测量臂；经第三分束镜9反射的第三测量光束射向由第三角锥镜10和第三反射镜11组成的第三测量臂；第三分束镜9反射的参考光束经光开关12射向参考反射镜13组成参考臂，设置在参考臂中的光开关12用于转换系统工作模式，决定参考光束是否参与干涉；三路测量光束经角锥镜和反射镜后原路返回，和一路参考光束在第一分束镜2处重合并发生干涉，传输至衍射光栅14，衍射光栅14对重合光束分光，由第四反射镜15将不同频率的干涉光束传输至线阵CCD，线阵CCD将采集的数据传输至计算机17，所述计算机17中预设有预先编写的程序用于解算靶镜的移动距离信息、俯仰角和偏摆角信息。
具体包括如下步骤：
步骤一：将由三角锥镜组成的靶镜安装至被测目标上，调整靶镜姿态，确保三路测量光束与角锥镜通光孔径保持较好的入射关系，即确保测量光束分别入射至角锥的上半部分，建立笛卡尔坐标系O-XYZ，Z轴与测量光束平行，X轴与参考光束平行，Y轴垂直于XOZ平面向上。
步骤二：打开参考臂光开关12，保持参考臂畅通，所述三束测量光经角锥镜和反射镜后原路返回，与参考光束在第一分束镜2处重合并发生干涉，由光栅光谱仪记录下第三分束镜9反射的参考光束与三个测量光束相互干涉的光谱图样，因四束光两两之间发生干涉，光谱干涉图样共被六路光程差所调制，光栅光谱仪采集干涉图样并发送至计算机；
光栅光谱仪采集到的干涉信号可表示为
其中，v是光频梳纵模频率，S(v)为光源的功率谱密度，Rr和Rp分别表示参考臂和测量臂的反射系数，r＝1,p＝1,2,3,q＝1,2,3,q≠p，τ＝2nl/c表示参与干涉的各脉冲之间的延时，n为空气的折射率，l为参与干涉的各脉冲之间的几何路径差，c为光在真空中的传播速度。公式中中括号内前两项为非干涉项，第三项为测量臂与参考臂之间的干涉信号，τpr表示测量臂相对参考臂的脉冲延时，第四项为各测量臂之间的互相干涉信号，τpq为各参考臂之间的脉冲延时。
步骤三：关闭参考臂中的光开关12来遮挡参考臂光束，所述三束测量光经角锥镜和反射镜后原路返回，由所述光栅光谱仪记录下三束测量光束之间的干涉图样，三束光两两之间相互干涉，因此光谱干涉图样被三路光程差调制，由光栅光谱仪采集干涉图样并发送至计算机进行分析，因为参考臂不参与干涉，此时光谱仪采集到的信号仅保留公式(1)中括号中的第二项和第四项，具体干涉信号公式不再赘述；
步骤四：对步骤二和步骤三中采集到的干涉图样分别进行傅里叶变换，通过比对步骤二、三中干涉峰的位置区分并确定测距光程差和测角光程差所对应的干涉峰；
经傅里叶变换后式(1)可表示为：
其中，G(t)为S(v)的傅里叶变换结果，
和δ(t)分别表示卷积函数和脉冲函数，在傅里叶域正半轴共出现
个干涉峰，前两项为位于原点的直流峰，第三项为测量光束与参考光束干涉对应的干涉峰，第四项为多路测量光束之间相互干涉对应的干涉峰。
如图3(a)、3(b)所示，在步骤二中，光开关开通状态下，参考光束与三束测量光束相互干涉，在傅里叶域正半轴共产生6路干涉峰(如图3(b)所示)。如图3(c)-(d)所示，在步骤三中光开关处于关闭状态下，仅三束测量光束发生干涉，在傅里叶域正半轴共产生3路干涉峰，因角度变化所引入的光程变化较小，图3(d)中三干涉峰之间的位置变化较小，通过适当调整第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜11在沿Z轴方向的位置，可为三路测角干涉峰设定各自的延时窗口。图3(b)中剩余三路干涉峰代表三路测量臂分别相对参考臂的时间延时，三路光程差的均值即为测得的移动距离。
步骤五：通过窗口滤波、傅里叶逆变换、提取干涉相位解算多路光程差，以参考臂相对测量臂的光程差确定靶镜的移动距离信息，以第一测量光束相对第二测量光束的光程变化量配合竖直正弦臂长，由反正弦函数从而计算俯仰角；以第三测量光束相对第二测量光束的光程变化量配合水平正弦臂长，由反正弦函数从而计算偏摆角度。多路干涉峰经窗口滤波、傅里叶逆变换、提取干涉相位，可获取各路干涉信号的相频关系曲线，由下式即可完成各路光程差的解算。各路光程差可由下式确定：
其中，φ(v)＝2πv·τ＝4πvnl/c为干涉相位，n为空气相折射率，ng为空气的群折射率。对于光频梳色散干涉测距而言，被测距离通常表示为整数倍脉冲间距加上小数倍脉冲间距，即：L＝mLpp/2+l。其中，Lpp＝c/(frepng)表示光频梳脉冲序列中的脉冲间距，由光频梳重频frep确定；m表示测量脉冲与参考脉冲之间的序数差；l表示小数倍脉冲间距的一半。因为测量光束先后经过角锥镜和平面反射镜，几何路径变化与光程变化的比例因子为4，因此被测距离应表示为L＝mLpp/4+l/2。所述步骤五中靶镜的移动距离，由三路测量臂相对参考臂移动距离的平均值来表示：
l1/2为第一测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化；l2/2为第二测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化；l3/2为第三测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化；
俯仰角θpitch和偏摆角θyaw可分别表示为：
其中，Rx表示两水平角锥顶点之间的距离，Ry表示两垂直角锥顶点之间的距离。HR1、HR2、HR3分别表示第一角锥镜4、第二角锥镜7、第三角锥镜10的角锥顶点。如图2(a)所示，目标发生偏摆角度(yaw)变化时，即当角锥镜组绕Y轴旋转时，第三角锥镜10的角锥顶点由HR3移动到HR3′；Δl1/2表示靶标旋转过程中，HR3相对HR2沿Y轴方向的几何路径变化。如图2(b)所示，目标发生俯仰角度(pitch)变化时，即当角锥镜组绕X轴旋转时，第一角锥镜4的角锥顶点由HR1移动到HR1′；Δl2/2表示靶镜旋转过程中，HR1相对HR2沿Y轴方向的几何路径变化。
由公式(4)可确定目标沿Y轴运动的距离，由公式(5)和公式(6)可分别确定目标绕Y轴旋转和绕X轴旋转的偏摆角度和俯仰角度变化。
本发明由光频梳搭建多平行光束干涉系统，在保证高精度长度测量的前提下，光频梳色散干涉配合傅里叶变换算法，在傅里叶域下可实现多路测量光程差的同时解调。该测量方式可减小后续信号处理结构，压缩系统体积，使得测试系统易于实现仪器化。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，只要涉及利用光频梳色散干涉多光程差解算能力，并配合多角锥镜构成测量靶标的多自由度测量方法，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置，包括：光频梳、测距模块和数据采集模块；
其中，所述光频梳(1)，用于产生重频脉冲激光；
所述测距模块，用于产生包含/不包含参考光束参与干涉的多路干涉信号；包括分束镜组，转向镜(3)，光开关(12)、角锥镜组、反射镜组和光栅光谱仪；分束镜组包括第一分束镜(2)、第二分束镜(6)、第三分束镜(9)；角锥镜组包括第一角锥镜(4)、第二角锥镜(7)、第三角锥镜(10)；反射镜组包括第一反射镜(5)、第二反射镜(8)、第三反射镜(11)、参考反射镜(13)；
所述角锥镜组构建靶镜作为移动机构安装在被测目标上；
所述数据采集模块包括计算机(17)，用于根据收到的干涉信号解算平面位姿信息，其中，所述平面位姿信息包括靶镜的移动距离信息、俯仰角和偏摆角信息；
其中，光频梳的脉冲激光经第一分束镜(2)、转向镜(3)、第二分束镜(6)和第三分束镜(9)组成的固定机构构建三路平行的测量光束和一路参考光束，
分别为经由第一分束镜(2)反射和转向镜(3)转向的光束为第一测量光束，第一测量光束射向由第一角锥镜(4)和第一反射镜(5)组成的第一测量臂；
经由第一分束镜(2)透射，再经第二分束镜(6)透射的光束为第二测量光束，第二测量光束射向由第二角锥镜(7)和第二反射镜(8)组成的第二测量臂；
经由第一分束镜(2)透射，再经第二分束镜(6)反射，之后经第三分束镜(9)反射的光束为第三测量光束，第三测量光束射向由第三角锥镜(10)和第三反射镜(11)组成的第三测量臂；
第三分束镜(9)透射的参考光束经光开关(12)射向参考反射镜(13)组成参考臂，设置在参考臂中的光开关(12)用于转换系统工作模式，决定参考光束是否参与干涉；
三路测量光束经角锥镜和反射镜后原路返回，和一路参考光束在第一分束镜(2)处重合并发生干涉，传输至光栅光谱仪，所述光栅光谱仪将干涉信号传输至计算机(17)。
2.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉的平面位姿测量装置，其特征在于，所述光栅光谱仪由衍射光栅(14)、第四反射镜(15)、线阵CCD(16)组成，所述衍射光栅(14)用于将多频率复合的单光束分离为按不同频率依次展开的多子光束，所述第四反射镜(15)用于将不同频率的干涉光束传输至线阵CCD(16)，线阵CCD(16)将采集的数据传输至计算机(17)。
3.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉的平面位姿测量装置的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：将由三个角锥镜组成的靶镜安装至被测目标上，调整靶镜姿态，确保三路测量光束与角锥镜通光孔径保持良好的入射关系，即确保测量光束分别入射至角锥的上半部分；建立笛卡尔坐标系O-XYZ，Z轴与测量光束平行，X轴与参考光束平行，Y轴垂直于XOZ平面向上；
步骤二：打开参考臂光开关(12)，保持参考臂畅通，由光栅光谱仪记录下第三分束镜(9)反射的参考光束与三个测量光束相互干涉的光谱图样，因四束光两两之间发生干涉，光谱干涉图样共被六路光程差所调制，所述三束测量光经角锥镜和反射镜后原路返回，与参考光束在第一分束镜处重合并发生干涉,由光栅光谱仪采集干涉图样并发送至计算机进行分析；
步骤三：关闭参考臂中的光开关(12)来遮挡参考臂光束，所述三束测量光经角锥镜和反射镜后原路返回，由光栅光谱仪记录下三束测量光束之间的干涉图样，三束光两两之间相互干涉，因此光谱干涉图样被三路光程差调制，由光栅光谱仪采集干涉图样并发送至计算机进行分析；
步骤四：对步骤二和步骤三中采集到的干涉图样分别进行傅里叶变换，通过比对步骤一、二中干涉峰的位置区分并确定测距光程差和测角光程差所对应的干涉峰；
步骤五：通过窗口滤波、傅里叶逆变换、提取干涉相位解算多路光程差，以参考臂相对测量臂的光程差确定靶镜的移动距离信息，以第一测量光束相对第二测量光束的光程变化量配合沿Y轴设置的两个角锥镜的角锥顶点之间的距离，由反正弦函数从而计算俯仰角；以第三测量光束相对第二测量光束的光程变化量配合沿X轴设置的两个角锥镜的角锥顶点之间的距离，由反正弦函数从而计算偏摆角度。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述步骤五中靶镜的移动距离，由三路测量臂相对参考臂移动距离的平均值来表示：
其中，Lpp＝c/(frepng)表示光频梳脉冲序列中的脉冲间距，由光频梳重频frep确定；ng表示空气的群折射率；m表示测量脉冲与参考脉冲之间的序数差；4为目标镜移动的几何距离和被测光程差之间的几何倍数因子；l1/2为第一测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化；l2/2为第二测量臂相对参考臂的小数部分脉冲间距变化；l3/2为第三测量臂相对参考臂的小数倍脉冲间距变化；
俯仰角θpitch和偏摆角θyaw分别表示为：
其中，Rx表示沿X轴设置的两个角锥镜的角锥顶点之间的距离，Ry表示沿Y轴设置的两个角锥镜的角锥顶点之间的距离；其中，△l1/2表示靶镜旋转过程中，第三测量臂相对第二测量臂的几何路径变化，△l2/2表示靶镜旋转过程中，第一测量臂相对第二测量臂的几何路径变化。
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