專利名稱：多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量激光入射角度的方法。
背景技術(shù)：
精密角度測量是工程領(lǐng)域一直在面對(duì)和急需解決的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 角度測量設(shè)備和測量方法不斷的推陳出新，如碼盤、永磁同步電機(jī)、激光掃描儀、感應(yīng)同步器、空間傅里葉光譜儀和四象限探測器測角等高準(zhǔn)確度測角器件及利用這些器件開發(fā)的測角設(shè)備的得以大量應(yīng)用。測角方法包括CCD光學(xué)測角法、PIP干涉測量法、成像式光柵自準(zhǔn)直測角法、基于莫爾條紋的自準(zhǔn)直測角法等。利用這些方法一般都不能達(dá)到高準(zhǔn)確度角度測量的要求。由于光學(xué)測角由于具有非接觸性、精度高和結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)而備受人們的重視，因此使用光學(xué)測角的方法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但，現(xiàn)有采用多光束激光外差測量激光入射角度的方法由于激光信號(hào)差頻信號(hào)采集效果差、信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢導(dǎo)致測量精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有采用多光束激光外差測量激光入射角度方法由于激光差頻信號(hào)采集效果差、信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢導(dǎo)致的測量精度較低的問題，從而提供一種多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置及方法。多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置，它包括H0固體激光器、偏振分束鏡PBS、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡、已知厚度的玻璃板、會(huì)聚透鏡、光電探測器和信號(hào)處理系統(tǒng)，H0固體激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS反射后入射至四分之一波片，經(jīng)所述四分之一波片透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)所述振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS透射后的光束入射至平面反射鏡的反射面，經(jīng)該平面反射鏡反射后的光束入射至已知厚度的玻璃板前表面，經(jīng)該已知厚度的玻璃板前表面透射的光束在該已知厚度的玻璃板內(nèi)，經(jīng)該已知厚度的玻璃板后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該已知厚度的玻璃板的前表面透射之后與經(jīng)該已知厚度的玻璃板前表面反射后的光束均通過會(huì)聚透鏡匯聚至光電探測器的光敏面上，所述光電探測器輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理系統(tǒng)由濾波器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和數(shù)字信號(hào)處理器DSP組成，所述濾波器對(duì)接收到的光電探測器輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器，經(jīng)前置放大器放大之后的信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP。振鏡為多普勒振鏡，所述多普勒振鏡的振動(dòng)方程為
權(quán)利要求
1.多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置，其特征是它包括Htl固體激光器(1)、偏振分束鏡PBS (2)、四分之一波片(3)、振鏡G)、平面反射鏡(5)、已知厚度的玻璃板(6)、會(huì)聚透鏡(7)、光電探測器⑶和信號(hào)處理系統(tǒng)(9)，Htl固體激光器(1)發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS( 反射后入射至四分之一波片 (3)，經(jīng)所述四分之一波片( 透射后的光束入射至振鏡(4)的光接收面，經(jīng)所述振鏡(4) 反射的光束再次經(jīng)四分之一波片( 透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS( ，經(jīng)該偏振分束鏡 PBS(2)透射后的光束入射至平面反射鏡(5)的反射面，經(jīng)該平面反射鏡(5)反射后的光束入射至已知厚度的玻璃板(6)前表面，經(jīng)該已知厚度的玻璃板(6)前表面透射的光束在該已知厚度的玻璃板(6)內(nèi)，經(jīng)該已知厚度的玻璃板(6)后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該已知厚度的玻璃板(6)的前表面透射之后與經(jīng)該已知厚度的玻璃板(6)前表面反射后的光束均通過會(huì)聚透鏡(7)匯聚至光電探測器(8)的光敏面上， 所述光電探測器( 輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成，所述濾波器(9-1)對(duì)接收到的光電探測器(8)輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器(9-2)，經(jīng)前置放大器(9- 放大之后的信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置， 其特征在于所述振鏡(4)為多普勒振鏡，所述多普勒振鏡的振動(dòng)方程為/、 at2多普勒振鏡的速度方程為 v(t) = at式中a為振動(dòng)加速度，c為光速，t為時(shí)間。
4.基于權(quán)利要求1所述的多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的方法，其特征是它由以下步驟實(shí)現(xiàn)首先，打開振鏡⑷的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡⑷開始做勻加速振動(dòng)；同時(shí)，打開激光器(1)； 然后通過信號(hào)處理系統(tǒng)(9)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的差頻信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與已知厚度玻璃板(6)的折射角的關(guān)系 f = Kcos θ獲得激光入射至已知厚度的玻璃板(6)的折射角θ COS θ = f/κ式中f為激光外差信號(hào)的頻率，K為激光外差信號(hào)的頻率f與激光入射至已知厚度的玻璃板(6)的折射角的比例系數(shù)，從而獲得待測的入射角θ ^的大小為 θ 0 = arcsin (nsin θ ) 式中η為已知厚度的玻璃板(6)的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的方法，其特征在于通過信號(hào)處理系統(tǒng)(9)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的差頻信號(hào)進(jìn)行處理，獲得已知厚度的玻璃板(6)的入射角θ ^的過程中，激光外差信號(hào)的頻率f和比例系數(shù)K是采用下述方法獲得的設(shè)定經(jīng)該平面反射鏡( 反射后的光束入射至已知厚度的玻璃板(6)前表面的入射角為θ ^，此時(shí)已知厚度的玻璃板(6)前表面的入射光場為E (t) = E0 exp (i ω 0t)振鏡(4)采用多普勒振鏡，多普勒振鏡的振動(dòng)方程為
全文摘要
多光束激光外差二次諧波法測量激光入射角度的裝置及方法，涉及一種測量激光入射角度的裝置及方法。它解決了現(xiàn)有采用多光束激光外差測量激光入射角度方法由于激光差頻信號(hào)采集效果差、信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢導(dǎo)致的測量精度較低的問題。本發(fā)明通過在光路中加入振鏡，使振鏡做勻加速振動(dòng)，對(duì)不同時(shí)刻入射到其前表面的光進(jìn)行頻率調(diào)制，把待測的角度信息加載到外差信號(hào)二次諧波的頻率差中，進(jìn)而獲得激光入射角度信息。本發(fā)明適用于測量激光入射角度。
文檔編號(hào)G01C1/00GK102252652SQ20111014475
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者張峰, 曲楊, 李彥超, 王春暉, 高龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)