CN116558448A - 一种基于光楔的差分波前角度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种基于光楔的差分波前角度测量装置，令参考光束经楔形反射镜反射与测量光束合束，光束干涉产生拍频信号，利用差分波前传感技术对拍频信号处理得到相位信息，根据楔形反射镜的楔角值实时标定相位差‑角度转化系数，并利用实时标定的所述相位差‑角度转化系数计算测量光束与参考光束的夹角，本发明把楔形反射镜的楔角值作为可溯源的角度参考基准，保证系数标定的可靠性，提高角度测量的精度和稳定度。
Description
技术领域
本发明属于光学精密测量技术，尤其涉及一种基于光楔的差分波前角度测量装置。
背景技术
差分波前角度测量技术是一种基于外差干涉的角度测量技术，基本原理是两束存在稳定差频的激光同时入射在四象限探测器上，且满足相干条件，会产生四路拍频信号，四路拍频信号分别记录了对应象限所接受到的相干光信息，通过信号处理可以得到四路拍频信号的相位信息，结合相位角度转化系数，便可实现两束激光的角度测量。差分波前角度测量技术具有测量精度高、抗干扰能力强、耦合小等优点，被广泛应用于高精度激光干涉应用中。
在使用差分波前方法进行光束角度测量时，首先需要标定差分波前传感的相位差-角度转化系数，得到该系数才能将测量得到的相位差值转化为光束角度值。但实验过程中仪器受环境、温度及其他影响，具有不稳定性，实验前标定的相位差-角度系数随环境因素和实验条件变化而发生变化，导致光束角度测量结果不可靠，如何实现高稳定、可溯源、高可靠的角度参考基准，并实时标定得到相位差-角度系数从而提高光束角度测量精度是需要解决的问题。
发明内容
基于此，本发明提出一种基于光楔的差分波前角度测量装置，能够实时标定相位差-角度转化系数，具有高稳定性，可溯源性和高可靠性。
本发明一种基于光楔的差分波前角度测量装置，包括：
激光源、楔形反射镜、差分波前传感单元和测算模块；
激光源，产生的参考光束射向楔形反射镜，参考光束经楔形反射镜反射后与测量光束合束入射差分波前传感单元；
差分波前传感单元，配置为，基于入射的光束输出拍频信号至测算模块；
测算模块，配置为，根据楔形反射镜的楔角值实时标定相位差-角度转化系数，并利用实时标定的相位差-角度转化系数计算测量光束与参考光束的夹角。
进一步地，差分波前传感单元包括四象限光电检测电路，参考光束与测量光束合束后入射四象限光电检测电路的光敏面形成拍频信号。
进一步地，测算模块至少包括：
光电转换单元、AD采样单元、数字相位计和角度解算单元；
光电转换单元，配置为，把拍频信号转换为电信号；
AD采样单元，配置为，把光电转换单元输出的电信号转换为数字信号；
数字相位计，配置为，根据数字信号计算参考光束和测量光束的相位信息；
角度解算单元，配置为，根据相位信息和楔形反射镜的楔角值标定相位差-角度转化系数，利用该系数计算测量光束与参考光束的夹角。
进一步地，测算模块还包括：
可调增益控制单元和抗混叠滤波单元，设置于光电转换单元和数字相位计之间。
进一步地，上述装置还包括准直模块，设置于激光器与楔形反射镜之间，用于对入射楔形反射镜的参考光束准直。
进一步地，准直模块包括保偏光纤和准直透镜，沿着光的传播方向参考光束先经过保偏光纤再通过准直透镜入射楔形反射镜。
进一步地，上述装置还包括声光移频器，设置于激光源和准直模块之间。
进一步地，参考光束多于一路时，上述装置还包括耦合器，设置于声光移频器与准直模块之间。
进一步地，上述装置还包括分光镜，设置于激光源之后，配置为把激光源发出的激光分成光强相等的至少两束参考光束。
进一步地，分光镜包括第一分光镜和第二分光镜，激光源发出的激光经过第一分光镜被分成第一参考光束和第二光束；
第二光束经过第二分光镜被分成第二参考光束和测量光束。
进一步地，楔形反射镜的第一表面镀有第一高反膜，第二表面镀有第二高反膜，用于对第一参考光束和第二参考光束反射。
上述基于光楔的差分波前角度测量装置具有如下有益效果：
本发明提出的一种基于光楔的差分波前角度测量装置，使用楔形反射镜的固定楔角提供高精度的角度基准，使得本发明的装置用于测量时高稳定和可溯源；同时测量参考光束和测量光束干涉形成不同频率的拍频信号，以实时标定相位差-角度转化系数，保证系数标定的可靠性；拍频信号经过相同的测算模块，具有良好的噪声共模抑制能力，有效提高差分波前角度的测量精度。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光楔的差分波前角度测量装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于实验室精密角度测量的基于光楔的高稳定可溯源差分波前角度测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的用于星间激光指向高精度测量与实时在轨标定的基于光楔的差分波前角度测量装置结构示意图。
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。
实施例一
如图1所示，为本实施例提供的一种基于光楔的差分波前角度测量装置的结构示意图，沿光的传播方向依次设置有稳频激光器(1)、偏振分光镜(2)、直角反射镜(3)、第一声光移频器AOM1(4)、第二声光移频器AOM2(5)、耦合器(16)、保偏光纤(7)、准直透镜(8)、楔形反射镜(9)、分光棱镜(10)、检偏器(11)、四象限光电检测电路(12)、光电转换单元(13)、可调增益控制单元(14)、抗混叠滤波单元(15)、AD采样单元(16)、数字相位计(17)、二维角度解算单元(18)、二维角度结果输出单元(19)。
稳频激光器(1)产生频率为f0的正交线偏振光，经过偏振分光镜(2)分为两路频率为f0的正交线偏振光p光和s光，p光经过第一声光移频器(4)后频率变为f3，s光经过直角反射镜(3)反射后，经过第二声光移频器(4)后频率变为f2，频率为f3的p光与频率为f2的s光由耦合器(6)耦合进保偏光纤(7)中，经过准直透镜(8)射向楔形反射镜(9)，楔形反射镜(9)的入射表面镀有s光高反膜，后表面镀有p光高反膜，分别将s光和p光反射，反射后的s光和p光之间具有由楔形反射镜(9)的楔角决定的固定夹角，作为两束参考光束，透过分光棱镜(10)；频率为f1的测量光束经分光棱镜(10)反射后，与两束参考光束合束，经过检偏器(11)后入射到四象限光电检测电路(12)的光敏面，形成三种拍频频率分别为|f1-f2|、|f1-f3|和|f2-f3|的干涉信号。
四象限光电检测电路输出上述三路不同频率的拍频信号，分别经过光电转换单元(13)、可调增益控制单元(14)、抗混叠滤波单元(15)、AD采样单元(16)、数字相位计(17)，得到这三个拍频信号的相位信息。进一步采用差分波前传感方法对相位信息进行处理，利用两个参考光束已知的固定夹角值，实现对差分波前相位差-角度转化系数的实时标定。进而利用该系数，将测量光束与任一参考光束干涉后的差分波前相位差值实时转化为两光束之间的夹角值，实现对测量光束角度变化量的实时高精度测量，并且该测量值可溯源至楔形反射镜(9)的楔角值。
进一步的实施例中，可以增加参考光束的数量，由于楔形反射镜的楔角值固定，则参考光束的夹角固定，据此可以在每次测量时实时标定相位差-角度转化系数，且标定精度更高且稳定。
实施例二
如图2所示，为本实施例提供的一种用于实验室精密角度测量的基于光楔的高稳定可溯源差分波前角度测量装置的结构示意图。
与实施例一的区别在于，本实施例的测量光束由稳频激光器(1)产生，除了实施例一提及的组件，本实施例的装置还包括第二分光镜(20)、第二直角反射镜(21)、第三声光移频器AOM3(22)、第二保偏光纤(23)、第二准直透镜(24)、转镜(25)。
稳频激光器(1)产生频率为f0的正交线偏振光，经过偏振分光镜(2)分为两路频率为f0的正交线偏振光p光和s光，p光经过第一声光移频器(4)后频率变为f3，s光经过直角反射镜(3)反射后，经过第二声光移频器(4)后频率变为f2，s光经第二分光镜(20)透射后，经第二直角反射镜(21)反射，进入第三声光移频器(22)中频率变为f1作为测量光束。频率为f3的p光与频率为f2的s光由耦合器(6)耦合进保偏光纤(7)中，经过准直透镜(8)射向楔形反射镜(9)，楔形反射镜(9)的入射表面镀有s光高反膜，后表面镀有p光高反膜，分别将s光和p光反射，反射后的s光和p光之间具有由楔形反射镜(9)的楔角决定的固定夹角，作为两束参考光束，透过分光棱镜(10)；频率为f1的测量光束经过第二保偏光纤(23)和第二准直透镜(24)射出，经过转镜(25)反射面反射，通过分光镜(10)与两束参考光束合束，经过检偏器(11)后入射到四象限光电检测电路(12)的光敏面，形成三种拍频频率分别为|f1-f2|、|f1-f3|和|f2-f3|的干涉信号。
同样地，本实施例与实施例一类似，利用光电转换单元(13)、可调增益控制单元(14)、抗混叠滤波单元(15)、AD采样单元(16)、数字相位计(17)得到上述三个拍频信号的相位信息。进一步采用差分波前传感方法对相位信息进行处理，利用两个参考光束已知的固定夹角值，实现对差分波前相位差-角度转化系数的实时标定。进而利用该系数，将测量光束与任一参考光束干涉后的差分波前相位差值实时转化为两光束之间的夹角值，实现对测量光束角度变化量的实时高精度测量，并且该测量值可溯源至楔形反射镜(9)的楔角值。
本领域技术人员应当理解的是，本实施例中的转镜(25)用于控制光束的偏转角度，在其他实施情形中可以使用例如反射镜或其他有相同偏转光束作用的光学器件替代，本实施例的示例不视为对本发明的限定。
实施例三
如图3所示，为本实施例提供的一种用于星间激光指向高精度测量与实时在轨标定的基于光楔的差分波前角度测量装置。与前述实施例不同的在于，本实施例的测量光束来自远端卫星(26)，参考光束的传播和对光信号的处理和角度测算与前述实施例类似，此处不再赘述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，包括：
激光源、楔形反射镜、差分波前传感单元和测算模块；
激光源产生的参考光束射向楔形反射镜，所述参考光束经楔形反射镜反射后与测量光束合束入射差分波前传感单元；
所述差分波前传感单元，配置为基于入射的光束输出拍频信号至所述测算模块；
所述测算模块，配置为根据所述楔形反射镜的楔角值实时标定相位差-角度转化系数，并利用实时标定的所述相位差-角度转化系数计算所述测量光束与参考光束的夹角。
2.根据权利要求1所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述差分波前传感单元包括四象限光电检测电路，参考光束与测量光束合束后入射所述四象限光电检测电路的光敏面形成拍频信号。
3.根据权利要求1所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述测算模块至少包括：
光电转换单元、AD采样单元、数字相位计和角度解算单元；
光电转换单元，配置为，把拍频信号转换为电信号；
AD采样单元，配置为，把光电转换单元输出的电信号转换为数字信号；
数字相位计，配置为，根据数字信号计算参考光束和测量光束的相位信息；
角度解算单元，配置为，根据相位信息和楔形反射镜的楔角值标定相位差-角度转化系数，利用该系数计算测量光束与参考光束的夹角。
4.根据权利要求3所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述测算模块还包括：
可调增益控制单元和抗混叠滤波单元，设置于所述光电转换单元和数字相位计之间。
5.根据权利要求1所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述装置还包括准直模块，设置于所述激光源与楔形反射镜之间，用于对入射所述楔形反射镜的参考光束准直。
6.根据权利要求5所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述准直模块包括保偏光纤和准直透镜，沿着光的传播方向参考光束先经过保偏光纤再通过准直透镜入射楔形反射镜。
7.根据权利要求5所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述装置还包括声光移频器，设置于所述激光源和准直模块之间。
8.根据权利要求1所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述装置还包括分光镜，设置于所述激光源之后，配置为把激光源发出的激光分成光强相等的至少两束参考光束。
9.根据权利要求8所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述分光镜包括第一分光镜和第二分光镜，所述激光源发出的激光经过所述第一分光镜被分成第一参考光束和第二光束；
所述第二光束经过所述第二分光镜被分成第二参考光束和测量光束。
10.根据权利要求1或9所述的基于光楔的差分波前角度测量装置，其特征在于，所述楔形反射镜的第一表面镀有第一高反膜，第二表面镀有第二高反膜，用于对第一参考光束和第二参考光束反射。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117537937A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-02-09 | 国科大杭州高等研究院 | 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 |
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2023
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| CN117537937A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-02-09 | 国科大杭州高等研究院 | 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 |
| CN117537937B (zh) * | 2024-01-05 | 2024-04-16 | 国科大杭州高等研究院 | 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 |
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