[发明专利]多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量激光入射角度的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量激光入射角度的装置及方法。

背景技术

精密角度测量是工程领域一直需要面对和解决的问题。随着科学技术的发展，角度测量设备和测量方法不断的推陈出新，如码盘、永磁同步电机、激光扫描仪、感应同步器、空间傅里叶光谱仪和四象限探测器测角等高准确度测角器件及利用这些器件开发的测角设备的大量应用，为工程设计和检测人员提供了大量角度测量问题的解决办法。测角方法包括CCD光学测角法、PIP干涉测量法、成像式光栅自准直测角法、基于莫尔条纹的自准直测角法等。利用这些方法一般都不能达到高准确度角度测量的要求。

由于光学测角由于具有非接触性、精度高和结构简单等特点而备受人们的重视，因此使用光学测角的方法得到了越来越广泛的应用。基于此，提出了一种基于多光束激光外差检测的动态测角算法，其特点是不需要动镜的方向信息，可以在满足精度的同时实现大范围倾角检测。

但是现有的激光外差动态测角法在测量激光入射角度时存在采集激光差频信号质量差和信号处理的运算速度慢的问题。

发明内容

本发明为了解决现有激光外差动态测角法在测量激光入射角度时存在采集激光差频信号质量差和信号处理的运算速度慢的问题，而提出的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量激光入射角度的装置及方法。

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量激光入射角度的装置，它包括H₀固体激光器、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、平面反射镜、已知厚度的玻璃板、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统，

H₀固体激光器发出的线偏振光经偏振分束镜PBS反射后入射至四分之一波片，经所述四分之一波片透射后的光束入射至振镜的光接收面，经所述振镜反射的光束再次经四分之一波片透射后发送至偏振分束镜PBS，经该偏振分束镜PBS透射后的光束入射至平面反射镜的反射面，经该平面反射镜反射后的光束入射至已知厚度的玻璃板前表面，经该已知厚度的玻璃板前表面透射的光束在该已知厚度的玻璃板内，经该已知厚度的玻璃板后表面与前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经该已知厚度的玻璃板的前表面透射之后与经该已知厚度的玻璃板前表面反射后的光束均通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统。

基于上述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量激光入射角度的装置测量激光入射角度的方法，它由如下步骤实现：

首先，打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动；同时，打开激光器；

然后通过信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与已知厚度的玻璃板的折射角的关系：

f＝Kcosθ

获得激光入射至已知厚度的玻璃板的折射角θ：

cosθ＝f/K

式中f为激光外差信号的频率，K为激光外差信号的频率f与激光入射至已知厚度的玻璃板的折射角的比例系数，从而获得待测的入射角θ₀的大小为：

θ₀＝arcsin(nsinθ)

式中n为已知厚度的玻璃板的折射率。

本申请所述测量装置及方法不但具有传统光学测角技术具有非接触性、精度高和结构简单等优点，还具有采集的激光差频信号质量高和信号处理的运算速度快的突出优点。

针对传统的测量系统的特点和不足，本申请提出了一种基于振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量激光入射角度的方法，通过在光路中加入振镜4，振镜4在正弦驱动信号作用下作简谐振动，可以对不同时刻入射到其前表面的光进行频率调制，把待测的角度信息加载到外差信号二次谐波的频率差中，通过傅里叶变化很容易就可以解调出待测角度信息，且测量精度极高。将激光外差技术和激光多普勒技术结合使用，将两种技术的优势很好的应用到了角度的检测上，使得调制、检测、处理简单易行。

仿真证明，本申请所述方法是一种良好的非接触测量角度的方法，可以应用在恶劣测量环境上。应用此方法测量角度时具有精度高，线形度好，测量速度快等优势。仿真结果表明，该方法在测量不同角度时，测量误差小于0.789677％，说明该方法应用是可行、可靠的，能够满足微小角度测量的要求，为许多工程领域提供了很好的测量手段，可以广泛的应用于激光雷达、机械、仪器仪表和电子产品制造业中，具有很好应用前景和价值。

附图说明