CN1257382C - 电光角度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电光角度的测量装置，属于光电检测技术领域。角度测量分为：机械、电磁和光学方法三大类。几种方法都可以测量，但是，不能实现角度实时检测和方位信息的传递。本发明的目的是解决实时监测相距一定距离的发射和接收两个平台同轴相对旋转角，实现秒级测角精度，本发明的技术方案为：测量装置由发射、接收和电控三部分构成。光栅外腔半导体激光器为光源，铌酸锂电光晶体加载角度信息，偏振分光器和光探测器解调信息，用差分放大技术处理所得到的电信号。本发明的有益效果：解决了实时监测相距一定距离(0.5米到3米)的发射和接收两个平台同轴相对旋转角，实现了秒级测角精度(2.5″)，并且使角度测量装置结构紧凑，抗震动，长期稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种电光角度的测量装置，属于光电检测技术领域。
背景技术
角度测量是计量科学的重要组成部分，广泛应用于机械、光学、航空、航天、航海等领域，目前角度测量分为：机械方法、电磁方法和光学方法三大类。一般从测量准确度、稳定性、可靠性和使用寿命来衡量测角装置性能，另外可根据应用场合和测量精度的要求来选择测量方法。
机械测角基于机械分度定位原理的圆分度技术，由于采用了差动技术，两不同齿数的两件以上的齿盘啮合后，可获得的最小分度间隔为2′。因差动多齿分度台的操作比较麻烦，加工时，要保证中盘上下齿圈的同轴度比较困难，齿盘起落机构比较复杂，难于进一步提高测角精度。
电磁测角技术是最近几十年发展起来的新的测角技术，分为圆磁栅和感应同步器两种。利用了电磁参数细分，使仪器分度和测量范围扩大、分辨率提高，应用更加广泛。用圆磁栅测角时，磁栅和被测件同轴旋转，放磁头将磁栅上的标准录磁信号释放出来，并进行处理。但是磁栅的分度测量准确度略低于光栅和感应同步器；感应同步器利用电磁感应原理将位移量转换为电信号，以数字脉冲形式输出基准量。对于圆感应同步器来讲，转子和定子绕组的直径越大，电磁耦合度越大，测角准确度越高，与机械测角技术的多齿盘类似，具有平均效应。电磁测角方法的测量精度可达几秒量级。
光学测角方法与以上两种测角方法比较，具有更高的准确度，更易于细分。分为：光学分度头、正多面棱体、圆光栅、环形激光器、激光干涉测角等，这几种方法的测角精度都很高，一般为几秒或更高。不足之处是结构较复杂，对工作环境要求很高，在工作和检测现场使用欠方便。
以上几种方法都可以测量角度，但是，不能实现角度实时检测和方位信息的传递。在卫星发射，地对空、空对空导弹发射等场合，要求实时监测相距一定距离的发射和接收两个平台同轴相对旋转的角度，借助发射和接收两个平台同轴相对旋转角和相应光反射镜，实现垂直方位信息传递。这用已有测角技术都难于实现。
发明内容
本发明的目的是解决以上提出和讨论的问题，解决实时监测相距一定距离的发射和接收两个平台同轴相对旋转角，实现秒级测角精度，并且使角度测量装置结构紧凑，抗震动，能够长期稳定工作。
本发明的技术方案为：本测量装置由发射部分、接收部分和电控部分三部分构成。发射部分依次由半导体激光器1、光栅2、平面反射镜3、起偏器4、电光晶体5和1/4波片9构成，半导体激光器1、光栅2、构成窄线宽光源；平面反射镜3将光栅2衍射输出的光束反射给起偏器、起偏器将偏振光束传输给电光晶体，通过电光晶体加载电信号，并将加载电信号后的光束传给1/4波片；接收部分由偏振分光器10和两个光探测器11构成，发射部分1/4波片输出的光束传递给接收部分的偏振分光器，偏振分光器输出的光分别传输给两个光探测器；发射部分和接收部分分别安装在两个铝合金圆筒中；电控部分由驱动电源6、电信号源7、电信号放大器8和锁相放大器12构成，驱动电源驱动半导体激光器1，电信号源产生的电信号分为两路，一路经过电信号放大器8放大后，加载到发射部分的电光晶体上5，另一路输出给锁相放大器的参考输入端口，锁相放大器将接收部分的两个光探测器输出的电信号进行差分放大。
光栅外腔半导体激光器为光源，铌酸锂电光晶体加载角度信息，偏振分光器和光探测器解调信息，用差分放大技术处理所得到的电信号。
电光角度测量装置的发射部分将光源、起偏器、电光晶体和1/4波片同轴地安装在一个合金铝圆筒中，起偏器、电光晶体和1/4波片可以绕圆筒轴线转动，当达到要求位置后加以固定，它的作用是发射一束载有角度信息的调制光波；接收部分将偏振分光器和两个光探测器安装在另一个合金铝圆筒中，它的作用是对发射部分发出的调制光波进行解调；电控部分的驱动电源驱动半导体激光器，用电信号源和放大器向电光晶体上加载信息，用差分放大技术最终给出发射和接收两部分的同轴旋转角度信号。
本发明的有益效果是：解决了实时监测相距一定距离(0.5米到3米)的发射和接收两个平台同轴相对旋转角，实现了秒级测角精度(2.5″)，并且使角度测量装置结构紧凑，抗震动，能够长期稳定工作。
附图说明
图1：电光角度测量装置结构示意图
图中：1为半导体激光器 2为光栅 3为平面反射镜 4为起偏器 5为电光晶体 6为驱动电源 7为电信号源 8为电信号放大器 9为1/4波片 10为偏振分光器 11为两个光探测器 12为锁相放大器
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体说明：电光角度测量装置由发射部分、接收部分和电控部分三部分构成；发射部分依次由半导体激光器1、光栅2、平面反射镜3、起偏器4、电光晶体5和1/4波片9构成，半导体激光器1、光栅2、构成窄线宽光源；平面反射镜3将光栅2衍射输出的光束反射给起偏器、起偏器将偏振光束传输给电光晶体，通过电光晶体加载电信号，并将加载电信号后的光束传给1/4波片；接收部分由为偏振分光器10和两个光探测器11构成，发射部分1/4波片输出的光束传递给接收部分的偏振分光器，偏振分光器输出的光分别传输给两个光探测器；发射部分和接收部分分别安装在两个铝合金圆筒中；电控部分由驱动电源6、电信号源7、电信号放大器8和锁相放大器12构成，驱动电源驱动半导体激光器，电信号源产生的电信号分为两路，一路经过电信号放大器放大后，加载到发射部分的电光晶体上，另一路输出给锁相放大器的参考输入端口，锁相放大器将接收部分的两个光探测器输出的电信号进行差分放大。
光栅外腔半导体激光器为光源，光栅外腔半导体激光器光源1，2输出窄线宽、光强稳定的准直光束，驱动电源6用高精度稳流电流驱动半导体激光器，用半导体激光器内部的光电二极管检测光输出功率，通过电流负反馈稳定光源输出的单纵模激光强度。
在铌酸锂电光晶体上加载角度信息，晶体的x轴方向(或y轴方向)加正弦电压信号，光沿晶体z轴方向传播，起偏器的透光方向与晶体x轴方向平行(或与y轴方向成45°角)，1/4波片的快慢轴方向分别与晶体的电感应轴方向平行，从而将发射部分的旋转角度信息加载到了光波上。
偏振分光器和光探测器解调信息，偏振分光器的光轴方向分别与晶体的电感应轴方向平行，用两个光探测器分别测量两束光波，并将其转变为相应的电信号。差分放大技术处理所得到的电信号是用放大器进行差分放大，并滤掉由于器件定位误差产生的直流和谐波电信号。
实施例：
电光角度测量装置的一个实例如图1所示。它采用了本发明开发的紧凑光栅外腔半导体激光器作光源，通过铌酸锂电光晶体将旋转角度信息加载在光波上，信号解调用了渥拉斯顿棱镜的偏振分光作用和锁相差分放大技术。图中1为650nm半导体激光器，2为光栅，闪耀波长500nm，1200线/mm，3为镀金属膜的反射镜，光栅外腔半导体激光线宽0.06nm，功率大于2mw；4为起偏器，5为4×5×10mm3的铌酸锂电光晶体，6为半导体激光器驱动电源，7为低频信号源，8为低频信号放大器，9为650nm1/4波片，10为GCL-71111渥拉斯顿棱镜，11为两个硅光电池，12为锁相放大器。
通过机械加工精度保证半导体激光器发射的光束平行发射圆筒轴线方向，将光栅的一级衍射光反射回半导体激光器的有源区，形成腔外弱反馈，使激光器单纵模运转。光栅的0级衍射光，经反射镜反射后，沿发射圆筒轴线向前传播。半导体激光器的驱动源采用高精度稳流电源，并用半导体激光器内部的光电二极管检测光输出功率，通过电流负反馈稳定输出的单纵模激光强度。
调节起偏器的透光方向与晶体x轴方向一致，在铌酸锂电光晶体的x轴方向上加峰峰值电压为300V、频率为270Hz的正弦电压信号，光沿晶体z轴方向传播。调节1/4波片的快慢轴使其分别与晶体电感应轴方向相同。
接收部分偏振分光器的透光方向分别与起偏器的透光方向成45°角，用两个光探测器测量渥拉斯顿棱镜分开的两光束，并转变为相应的电信号。通过锁相放大器差分放大，滤掉由于器件定位误差产生的直流和谐波电信号。放大器的最小输出(接近零)对应发射和接收平台相对0°旋转角，即无相对转动。放大器的输出信号大小与发射和接收平台的相对转角成正比(在±5°范围内)，从两路电信号的相位可确定发射和接收平台相对转动的方向。
当信号源接收部分相对于发射部分在±5°之间转动时，锁相放大器输出电压Δv随转角θ变化关系如下表。实验中，小角度的测量采用了经纬仪(每次转动2.5″)。当转角固定时，锁相放大器输出信号抖动为±0.8μv，每转动2.5″输出信号平均改变4μv。
实测数据表
| 测量次序 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 输出(μv) | 86 | 82 | 78 | 74 | 69 | 65 | 61 | 57 |
| 测量次序 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 输出(μv) | 53 | 49 | 45 | 41 | 37 | 34 | 30 | 26 |
| 测量次序 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
| 输出(μv) | 21.0 | 16.5 | 11.0 | 6.5 | 1.5 | -3.0 | -7.0 | -11 |
| 测量次序 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 |
| 输出(μv) | -15 | -19 | -23 | -28 | -33 | -38 | -42 | -46 |
| 测量次序 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 |
| 输出(μv) | -50.0 | -55 | -59 | -63 | -67 | -71 | -75 | -79 |
| 测量次序 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 |
| 输出(μv) | -84 | -88 | -92 | -96 | -101 | -105 | -109 | -113 |
Claims (9)
1、一种电光角度测量装置，其特征在于：它由发射部分、接收部分和电控部分三部分构成；发射部分依次由半导体激光器(1)、光栅(2)、平面反射镜(3)、起偏器(4)、电光晶体(5)和1/4波片(9)构成，半导体激光器(1)、光栅(2)构成窄线宽光源；平面反射镜(3)将光栅(2)衍射输出的光束反射给起偏器、起偏器将偏振光束传输给电光晶体，通过电光晶体加载电信号，并将加载电信号后的光束传给1/4波片；接收部分由为偏振分光器(10)和两个光探测器(11)构成，发射部分1/4波片输出的光束传递给接收部分的偏振分光器，偏振分光器输出的光分别传输给两个光探测器；发射部分和接收部分分别安装在两个铝合金圆筒中；电控部分由驱动电源(6)、电信号源(7)、电信号放大器(8)和锁相放大器(12)构成，驱动电源驱动半导体激光器，电信号源产生的电信号分为两路，一路经过电信号放大器放大后，加载到发射部分的电光晶体上，另一路输出给锁相放大器的参考输入端口，锁相放大器将接收部分的两个光探测器输出的电信号进行差分放大。
2、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的光源是光栅外腔半导体激光器。
3、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的电光晶体(5)为铌酸锂晶体，电光晶体和1/4波片(9)采用平动方法固定。
4、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的电控部分中的锁相放大器(12)采用了差分放大技术。
5、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：半导体激光器和光栅构成光源，电光晶体加载角度信息，偏振分光器和光探测器解调信息，差分放大技术处理得到电信号。
6、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的半导体激光器和光栅光源输出窄线宽、光强稳定的准直光束，驱动电源(6)用高精度稳流电流驱动半导体激光器，用半导体激光器内部的光电二极管检测光输出功率，通过电流负反馈稳定输出的单纵模激光强度。
7、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的电光晶体加载角度信息是在电光晶体的x轴方向加正弦电压信号，光沿晶体z轴方向传播，起偏器的透光方向与晶体x轴方向平行，1/4波片的快慢轴方向分别与晶体的电感应轴方向平行，从而将发射部分的旋转角度信息加载到了光波上。
8、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的偏振分光器(10)和光探测器(11)解调信息是偏振分光器的光轴方向分别与晶体的电感应轴方向平行，用两个光探测器分别测量两束光波，并将其转变为相应的电信号。
9、根据权利要求1所述的电光角度测量装置，其特征在于：所述的差分放大技术处理所得到的电信号是用放大器(8)进行差分放大，并滤掉由于器件定位误差产生的直流和谐波电信号。
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