[发明专利]一种三自由度角度同时测量的方法与装置

说明书

本发明涉及一种三自由度角度同时测量的方法与装置，方法如下步骤：在被测目标上固定安装用于发射光的测量靶镜，所述的测量靶镜分布与两个相互垂直的平面；同时向上述两个相互垂直平面内的测量靶镜发射两束相互垂直的激光，由测量靶镜将激光进行反射；同时对两束反射光按照激光外差干涉测量原理或者激光准直测量原理进行处理，得到两束干涉光信号；同时对两路干涉光信号进行采集并光电转换，得到两路电信号；将得到的两路电信号经过数据处理解算后得到被测目标的俯仰、偏摆和滚转角数值；将实时测量的环境参数计算得到气体折射率数值，利用气体折射率数值实时对上述得到俯仰角、偏摆角和滚转角数值进行补偿与修正。

技术领域

本发明涉及激光干涉测量领域，尤其涉及一种三自由度角度同时测量的方法与装置。

背景技术

目前很多情况下需要对目标的三自由度角度姿态包括俯仰角、偏摆角和滚转角进行高精度测量。然而，受限于测量方法与被测目标特点的局限性，现有的测量手段只能实现对单一角度或者两个角度的同时测量，无法满足对三自由度角度的同时高精度测量的需求。因此，在角度测量方面，研究三自由角度同时高精度测量的方法是十分必要的。在众多测量方法中，激光外差干涉测量方法以其测量精度高、测量距离远、抗环境干扰能力强等优点，被广泛应用于精密测量领域。本发明基于激光外差干涉的测量方法实现对三自由角度的高精度测量，将测量角度精度提高了几个数量级，大大提升了角度测量能力与测量效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有三自由度角度同时测量方法存在的问题，提供一种三自由度角度同时测量的方法与装置。

本发明解决技术的方案是：一种三自由度角度同时测量的方法，包括如下步骤：

在被测目标上固定安装用于发射光的测量靶镜，所述的测量靶镜分布与两个相互垂直的平面；

同时向上述两个相互垂直平面内的测量靶镜发射两束相互垂直的激光，由测量靶镜将激光进行反射；其中，一束激光由三路相同波长的激光组成，用于测量俯仰、偏摆角度；另一路激光由两路相同波长的激光组成，用于测量滚转角度；

同时对两束反射光按照激光外差干涉测量原理或者激光准直测量原理进行处理，得到两束干涉光信号；

同时对两路干涉光信号进行采集并光电转换，得到两路电信号；将得到的两路电信号经过数据处理解算后得到被测目标的俯仰、偏摆和滚转角数值；

将实时测量的环境参数计算得到气体折射率数值，利用气体折射率数值实时对上述得到俯仰角、偏摆角和滚转角数值进行补偿与修正。

优选的，所述的测量靶镜为五个角锥棱镜，其中位于同一平面记为正面内的三个角锥棱镜参与俯仰角与偏摆角测量传输光的反射，其位置构型为直角三角形或等腰三角形或等边三角形；位于另外一个平面记为侧面的另外两个角锥棱镜参与滚转角测量传输光的反射；其中，正面的两个角锥棱镜与侧面的一个角锥棱镜位于与大地平行的一个平面上，剩余两个角锥棱镜相对该平面高度相同。

优选的，正面上的三个角锥棱镜中两两之间的角锥中心距、以及测量的两个角锥棱镜的角锥中心距需经过精确标定，标定精度达到微米量级。

一种三自由度角度同时测量装置，包括：俯仰角与偏摆角测量单元、滚转角测量单元、测量靶镜单元、环境传感器、数据采集与处理单元以及显示模块；

所述测量靶镜单元固定安装在被测目标上，作为姿态变化敏感单元实现对俯仰角与偏摆角测量单元与滚转角测量单元传输光的反射；

俯仰角与偏摆角测量单元、滚转角测量单元同时向所述测量靶镜单元发射激光，两束激光相互垂直；二者均根据反射光获得干涉光信号，并发送至数据采集与处理单元；

环境传感器将实时测量得到环境参数后发送至数据采集与处理单元；