空间角度测量系统及增大接收信号光束范围的方法与流程

本发明属于偏振光测角系统技术领域，具体涉及一种空间角度测量系统及增大接收信号光束范围的方法。

背景技术

现有技术中，西安精密光学机械研究所陆卫国、吴易明等人提出的快速空间测角系统的基本原理如图1所示，将带有扩束镜be的激光光源l发出的光束通过透光轴在y方向的起偏器p形成线偏振光，线偏振光通过作为检偏器且光轴与y方向夹角约为±45°的wollaston棱镜w分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别到达光电探测器de和do，利用后续信号处理电路对光电探测器接收到的信号进行处理，即可解算出wollaston棱镜光轴偏离±45°角的方位角δ。其中，激光光源l、扩束镜be和起偏器p组成偏振光信号发生单元，wollaston棱镜w、光电探测器de、光电探测器do和信号处理电路组成偏振光接收及测量单元。

具体的方位角δ是利用获得的两路信号光强实时地解算出来的，δ＝arcsin[(ie-io)/(ie+io)]/2，式中，ie、io分别为两出射光束的光强。该系统主要利用偏振光携带固有的振动方向信息，实现角度的传递及精密测量。另外，在采用探测器来接收这一有用信号时，为提高信号辨析能力，提高系统测量精度，学者们提出了对偏振信号进行磁光调制，将有用的光强信号变成周期性重复的电信号，然后通过采用锁定放大和取样积分等方法来改善信噪比，抑制并筛除噪声，恢复噪声中周期性重复的有用信号波形，来提高角度定位精度，实现精密测量。

该角度传递及测量方法相比机械和其他几何光学方法，由于具有不需要刚性连接、方位传递距离远、测量精度高等特点，目前已广泛应用于火箭与导弹发射、航天器对接、玻璃内应力测量等装置。

由于实际应用时，系统角度传递的距离较远，要求偏振光信号接收单元只要处于接收区域内，就能够完成信号解算及处理工作，省略调整偏振光发生单元及信号接收单元二者光轴重合这一耗时工作，缩短测量时间，提高快速反应能力。因此在偏振光发生单元对光源发出的光束进行扩束，以便在远距离处光束有一定的覆盖面积，便于接收单元接收。传统的方法即采用大口径准直镜使光束平行出射，但受限于起偏棱镜及磁光玻璃通光口径及系统体积重量，准直镜的口径不可能太大，因此只能采用一定角度扩束的方法，而扩束光入射至起偏器或接收单元时不再垂直入射，入射光具有一定的方位和入射角度，会引起起偏器的消光比发生变化，经过wollaston棱镜后也会存在偏振像差，使出射光波的偏振态发生变化，这些都将导致系统测量精度降低。

理想情况下，光束垂直入射时精度最高，若要实现光束垂直入射，且具有较大的覆盖范围，需要将平行的窄光束扩束成平行的宽光束，传统的扩束方法有平面镜棱镜分束法，或采用大口径扩束镜头，而这些都将导致系统体积庞大，这和军用光学仪器系统体积小型化的要求是矛盾的，另外将导致系统成本增加，安装调试以及运输使用极为困难，最重要的是，这样会对系统引入许多其他的光学零件，各个光学零件的加工及装配误差或者材料本身的内应力、额外引入的光程差等多种因素均会对整个测量系统引起误差，导致系统测量精度降低，得不偿失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种空间角度测量系统，能够保证入射第一偏振光接收及测量单元的偏振光束垂直入射，并且使系统有较大的覆盖范围。

本发明的另一个目的是提供上述测量系统增大接收信号光束范围的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

空间角度测量系统，包括第一偏振光发生单元、第一偏振光接收及测量单元和双旋转斜方棱镜单元，双旋转斜方棱镜单元位于第一偏振光发生单元和第一偏振光接收及测量单元之间；第一偏振光发生单元用于发出线偏振光；双旋转斜方棱镜单元用于调整线偏振光光束传播方向以增大接收面积并保证线偏振光垂直入射进第一偏振光接收及测量单元；第一偏振光接收及测量单元用于接收垂直入射的线偏振光；

第一偏振光发生单元包括第一光源、第一扩束镜和第一起偏器；第一光源用于发出光束，第一扩束镜和第一起偏器设置在第一光源的光束出射方向上，其中，第一扩束镜位于第一光源和第一起偏器之间；第一扩束镜用于将第一光源出射的光束调整为准直光束，平行出射；第一起偏器用于将准直光束转化为振动方向携带方位角度信息的线偏振光；

双旋转斜方棱镜单元包括第一斜方棱镜和第二斜方棱镜，第一斜方棱镜上设置有第一旋转轴，第二斜方棱镜上设置有第二旋转轴；第一斜方棱镜上设置有第一入光孔和第一出光孔；第二斜方棱镜上设置有第二入光孔和第二出光孔；其中，第一入光孔处于第一偏振光发生单元发出线偏振光的光束方向上，第一出光孔的中轴线l1与第二入光孔的中轴线l2重合；

第一偏振光接收及测量单元包括第一检偏器和第一信号接收及处理电路；第一检偏器上设置有第三入光孔；

第二出光孔的中轴线l4与第三入光孔的中轴线l5重合。

进一步的，第一旋转轴的中轴线l3、第一出光孔的中轴线l1与第二入光孔的中轴线l2三者重合；第二旋转轴的中轴线l6、第二出光孔的中轴线l4与第三入光孔的中轴线l5三者重合。

其中，第一斜方棱镜有两个反射面，分别是第一反射面和第二反射面；第二斜方棱镜有两个反射面，分别是第三反射面和第四反射面；第一反射面用于接收第一偏振光发生单元发出的线偏振光，并将线偏振光反射给第二反射面，反射角α1为90°；第二反射面用于将线偏振光反射给第三反射面，反射角α2为90°；第三反射面用于将线偏振光反射给第四反射面，反射角α3为90°；第四反射面用于将线偏振光反射给第一检偏器的第三入光孔，反射角α4为90°。

再者，第一反射面上镀有半透半反膜，第一反射面的下方设置有光电探测器。

上述空间角度测量系统来增大接收信号光束范围的方法，具体步骤如下：

步骤1，

第一光源发出光束，光束穿过第一扩束镜，第一扩束镜将光束调整为准直光束，准直的光束再穿过第一起偏器，第一起偏器将准直光束转化为振动方向携带方位角度信息的线偏振光；

步骤2，

将第一偏振光接收及测量单元与双旋转斜方棱镜单元放置于第一偏振光发生单元的下方；其中，第一斜方棱镜的第一入光孔朝向第一偏振光发生单元发出的线偏振光方向；

步骤3，

控制器控制第一斜方棱镜围绕着第一旋转轴旋转，并控制第二斜方棱镜围绕着第二旋转轴旋转；通过第一斜方棱镜和第二斜方棱镜的旋转使第一斜方棱镜的第一入光孔能够接收到第一偏振光发生单元发出的线偏振光，线偏振光入射至第一反射面后，再透射过镀有半透半反膜的第一反射面，使位于第一反射面下方的光电探测器接收到光信号；

步骤4，

根据光电探测器能够接收到的光信号作为判定旋转到位的依据，旋转到位后，双旋转斜方棱镜单元中的第一斜方棱镜和第二斜方棱镜结束旋转；

步骤5，

第一斜方棱镜和第二斜方棱镜的结束旋转后，第一偏振光发生单元发出的线偏振光通过第一入光孔照射在第一反射面上，第一反射面将线偏振光反射给第二反射面，反射角α1为90°；第二反射面将线偏振光反射给第三反射面，反射角α2为90°；第三反射面将线偏振光反射给第四反射面，反射角α3为90°；第四反射面再将线偏振光反射给第一检偏器的第三入光孔，反射角α4为90°，这样线偏振光就垂直入射给第一检偏器；

步骤6，

第一信号接收及处理电路完成第一起偏器与第一检偏器之间晶体光轴夹角的测量，并根据双旋转斜方棱镜单元中的第一斜方棱镜和第二斜方棱镜旋转结束后分别所处的方位，第一信号接收及处理电路完成线偏振光经第一反射面、第二反射面、第三反射面和第四反射面总共四次反射所导致的线偏振光振动方向变化的角度修正；

设第一斜方棱镜和第二斜方棱镜的长度分别a和b，则第一偏振光接收及测量单元在接收偏振光发生单元发出的线偏振光的方向上，通过双旋转斜方棱镜单元中第一斜方棱镜和第二斜方棱镜的旋转拓展偏振光接收及测量单元接收偏振光发生单元发出的信号光束的范围为：

s＝πr²＝π(a+b)²

上式中r为第一偏振光接收及测量单元(2)接收第一偏振光发生单元(1)发出的信号光束的拓展接收半径。

本发明的有益效果是:

1.通过双旋转斜方棱镜的四次反射作用，即可将偏振光信号光束垂直入射至第一偏振光接收及测量单元，解决了现有技术中偏振光信号光束非垂直入射进偏振光接收及测量单元引起的器件消光比变化、偏振像差等导致系统测量误差大的问题。

2.本发明利用双斜方棱镜的旋转，增大第一偏振光接收及测量单元接收偏振光信号光束的范围，替换了现有技术中偏振光发生单元使用扩束镜扩束来达到较大光束覆盖范围的方法。

3.本发明第一偏振光发生单元中的第一扩束镜将激光信号光束以小直径的平行光束出射，消除了光束非垂直入射导致的各项误差，其中双旋转斜方棱镜对光束四次反射导致的线偏振光振动方向的变化可在第一偏振光接收及测量单元中修正。

4.本发明测量系统相比传统的远距离空间测角系统，误差影响因素较少，测量精度较高；且增大了系统接收信号光束的范围，同时具有原理简单、操作方便及工程化能力强的特点。

附图说明

图1为现有技术中的快速空间测角系统的基本原理图；

图2为现有技术中远距离空间测角系统的结构示意图；

图3为本发明空间角度测量系统的结构示意图；

图4为本发明空间角度测量系统中双旋转斜方棱镜单元和第一偏振光接收及测量单元的具体结构示意图；

图5为本发明空间角度测量系统中第一旋转轴的中轴线l3、第一出光孔的中轴线l1与第二入光孔的中轴线l2三者重合的示意图；

图6为本发明空间角度测量系统中第二旋转轴的中轴线l6、第二出光孔的中轴线l4与第三入光孔的中轴线l5三者重合的示意图；

图7为本发明空间角度测量系统中第一斜方棱镜的长度为a的标注示意图；

图8为本发明空间角度测量系统中第二斜方棱镜的长度为b的标注示意图。

图中标号如下：

1.第一偏振光发生单元；2.第一偏振光接收及测量单元；3.双旋转斜方棱镜单元；4.光电探测器；

11.第一光源；12.第一扩束镜；13.第一起偏器；

21.第一检偏器；211.第三入光孔；22.第一信号接收及处理电路；

31.第一斜方棱镜；311.第一旋转轴；312.第一入光孔；313.第一出光孔；314.第一反射面；315.第二反射面；

32.第二斜方棱镜；321.第二旋转轴；322.第二入光孔；323.第二出光孔；324.第三反射面；325.第四反射面；

5.第二偏振光发生单元；6.第二偏振光接收及测量单元；

51.第二光源；52.第二扩束镜；53.第二起偏器；

61.第二检偏器；62.第二信号接收及处理电路。

具体实施方式

如图2所示，为现有技术中远距离空间测角系统，该系统包括第二偏振光发生单元5和第二偏振光接收及测量单元6；第二偏振光发生单元5包括第二光源51、第二扩束镜52和第二起偏器53；第二光源51用于发出光束，第二扩束镜52和第二起偏器53设置在第二光源51的光束出射方向上，其中，第二扩束镜52位于第二光源51和第二起偏器53之间；第二偏振光接收及测量单元6包括第二检偏器61和第二信号接收及处理电路62。其工作原理是：第二光源51发出光束，光束穿过第二扩束镜52，第二扩束镜52使光束以一定的发散角度出射，扩束后的光束再穿过第二起偏器53，第二起偏器53将扩束光转化为振动方向携带方位角度信息的线偏振光；线偏振光射入第二检偏器61，第二检偏器61对线偏振光检偏，最后线偏振光被第二信号接收及处理电路62接收，第二信号接收及处理电路62即可解算出起偏器与检偏器二者晶体光轴之间的方位夹角。该系统实际工作时，方位角度传递的距离较远，第二偏振光发生单元5发出携带方位信息的线偏振光，而第二偏振光接收及测量单元6在下方接收该信号光束时，无法实现二者光轴完全重合，系统要求第二偏振光信号接收及测量单元6只要处于接收区域内，就能够完成信号解算及处理工作，省略调整二者光轴重合这一耗时工作，缩短测量时间，提高快速反应能力。另外，受各器件尺寸及系统体积所限，在第二偏振光发生单元5和第二偏振光接收及测量单元6之间无法采用大口径准直镜，只能在第二偏振光发生单元5的第二扩束镜52对光源发出的光束进行扩束，以便使光束在远距离出射时有一定的覆盖面积，便于第二信号接收及处理电路62接收。但是，扩束光入射至第二起偏器53和第二检偏器61时不再垂直入射，具有一定的方位和入射角度，会引起第二起偏器53的消光比发生变化，经过第二检偏器61后也会存在偏振像差，使出射光波的偏振态发生变化，这些都将导致系统测量精度降低，降低系统的实用性。

如图3所示，本发明提供一种空间角度测量系统，包括第一偏振光发生单元1、第一偏振光接收及测量单元2和双旋转斜方棱镜单元3，双旋转斜方棱镜单元3位于第一偏振光发生单元1和第一偏振光接收及测量单元2之间；第一偏振光发生单元1用于发出线偏振光；双旋转斜方棱镜单元3用于调整线偏振光光束传播方向以增大接收面积并保证线偏振光垂直入射进第一偏振光接收及测量单元2；所述第一偏振光接收及测量单元2用于接收垂直入射的线偏振光。

如图3所示，第一偏振光发生单元1包括第一光源11、第一扩束镜12和第一起偏器13；第一光源11用于发出光束，第一扩束镜12和第一起偏器13设置在第一光源11的光束出射方向上，其中，第一扩束镜12位于第一光源11和第一起偏器13之间；第一扩束镜12用于将第一光源11出射的光束调整为准直光束，平行出射；第一起偏器13用于将准直光束转化为振动方向携带方位角度信息的线偏振光。

如图3和图4所示，双旋转斜方棱镜单元3包括第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32；第一斜方棱镜31上设置有第一入光孔312和第一出光孔313；第二斜方棱镜32上设置有第二入光孔322和第二出光孔323。其中，第一入光孔312处于第一偏振光发生单元1发出线偏振光的光束方向上，第一出光孔313的中轴线l1与第二入光孔322的中轴线l2重合，如图5所示。

如图3和图4所示，第一偏振光接收及测量单元2包括第一检偏器21和第一信号接收及处理电路22；第一检偏器21上设置有第三入光孔211。

如图4和图6所示，第二出光孔323的中轴线l4与第三入光孔211的中轴线l5重合。

进一步的，第一斜方棱镜31上设置有第一旋转轴311，第一旋转轴311的中轴线l3、第一出光孔313的中轴线l1与第二入光孔322的中轴线l2三者重合，如图4和图5所示。第二斜方棱镜32上设置有第二旋转轴321，第二旋转轴321的中轴线l6、第二出光孔323的中轴线l4与第三入光孔211的中轴线l5三者重合，如图4和图6所示。

另外，如图4所示，第一斜方棱镜31有两个反射面，分别是第一反射面314和第二反射面315；第二斜方棱镜32有两个反射面，分别是第三反射面324和第四反射面325。第一反射面314用于接收第一偏振光发生单元1发出的线偏振光，并将线偏振光反射给第二反射面315，反射角α1为90°；第二反射面315用于将线偏振光反射给第三反射面324，反射角α2为90°；第三反射面324用于将线偏振光反射给第四反射面325，反射角α3为90°；第四反射面325用于将线偏振光反射给第一检偏器21的第三入光孔211，反射角α4为90°。

再者，如图3和图4所示，第一反射面314上镀有半透半反膜，第一反射面314的下方设置有光电探测器4。

利用本发明空间角度测量系统来增大接收信号光束范围的方法，具体步骤如下：

步骤1，

第一光源11发出光束，光束穿过第一扩束镜12，第一扩束镜12将光束调整为准直光束，准直的光束再穿过第一起偏器13，第一起偏器13将准直光束转化为振动方向携带方位角度信息的线偏振光；

步骤2，

将第一偏振光接收及测量单元2与双旋转斜方棱镜单元3放置于第一偏振光发生单元1的下方；其中，第一斜方棱镜31的第一入光孔312朝向第一偏振光发生单元1发出的线偏振光方向；

步骤3，

控制器控制第一斜方棱镜31围绕着第一旋转轴311旋转，并控制第二斜方棱镜32围绕着第二旋转轴321旋转；通过第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32的旋转使第一斜方棱镜31的第一入光孔312能够接收到第一偏振光发生单元1发出的线偏振光，线偏振光入射至第一反射面314后，再透射过镀有半透半反膜的第一反射面314，使位于第一反射面314下方的光电探测器4接收到光信号；

步骤4，

根据光电探测器4能够接收到的光信号作为判定旋转到位的依据，旋转到位后，双旋转斜方棱镜单元3中的第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32结束旋转；

步骤5，

第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32的结束旋转后，第一偏振光发生单元1发出的线偏振光通过第一入光孔312照射在第一反射面314上，第一反射面314将线偏振光反射给第二反射面315，反射角α1为90°；第二反射面315将线偏振光反射给第三反射面324，反射角α2为90°；第三反射面324将线偏振光反射给第四反射面325，反射角α3为90°；第四反射面325再将线偏振光反射给第一检偏器21的第三入光孔211，反射角α4为90°，这样线偏振光就垂直入射给第一检偏器21；

步骤6，

第一信号接收及处理电路22完成第一起偏器13与第一检偏器21之间晶体光轴夹角的测量，并根据双旋转斜方棱镜单元3中的第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32旋转结束后分别所处的方位，第一信号接收及处理电路22完成线偏振光经第一反射面314、第二反射面315、第三反射面324和第四反射面325总共四次反射所导致的线偏振光振动方向变化的角度修正；

如图7和图8所示，设第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32的长度分别a和b，则第一偏振光接收及测量单元2在接收偏振光发生单元1发出的线偏振光的方向上，通过双旋转斜方棱镜单元3中第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32的旋转拓展偏振光接收及测量单元2接收偏振光发生单元1发出的信号光束的范围为：

s＝πr²＝π(a+b)²

上式中r为第一偏振光接收及测量单元2接收第一偏振光发生单元1发出的信号光束的拓展接收半径。