基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法技术

本发明专利技术提出一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，属于智能监测领域。利用闪耀光栅1级衍射光谱序列的光谱特征进行微小角度的快速识别。采用Y型光纤自准直系统实现对闪耀光栅旋转角度变化即角位移的识别。该方法主要包括以下步骤：搭建基于Y型光纤自准直光路角位移识别系统；基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，确定闪耀光栅衍射光谱特征与角位移关系；提出一种基于两个闪耀光栅的差分式角位移识别原理及系统，确定了基于差分式双闪耀光栅衍射光谱互相关谱分析的角位移辨识方法。本发明专利技术方法结构简单、识别快速，提出的差分式结构还有助于提高灵敏度，减少外界干扰。

Fast recognition method of small angle based on blazed grating

The invention proposes a rapid identification method based on a blazed grating, which belongs to the field of intelligent monitoring. The fast recognition of small angle by the spectral features of the 1 - stage diffraction spectrum sequence of the blazed grating. The Y optical fiber auto collimation system is used to recognize the angular displacement of the blazed grating rotation angle. The method includes the following steps: to build a self collimation optical path angle displacement recognition system based on Y type optical fiber; Fraunhofer diffraction principle based on the numerical simulation method the intensity distribution at different wavelengths of the blazed grating corresponding to different angular displacement conditions, determine the diffraction grating spectra and angular displacement of a relationship; the two kind of blazed grating differential angular displacement principle and recognition system based on the angular displacement identification method for spectrum analysis of cross-correlation differential double blazed grating based on diffraction spectrum. The method of the invention is simple in structure and fast in recognition, and the differential structure proposed is also helpful to improve sensitivity and reduce external interference.

【技术实现步骤摘要】
基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法
本专利技术属于传感领域，具体提出了一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法。
技术介绍
衍射光栅广泛应用于光谱学、无线电天文学、集成光学、光通讯、信息处理及精密计量等不同的领域。普通的衍射光栅各级光谱线的强度随级次的增加而减小，特别是无色散的零级占了大部分的光能量，而实际使用的非零级光谱的强度却比较弱。闪耀光栅通过将刻槽面与光栅面形成角度即所谓的闪耀角，从而使单个刻槽面衍射衍射的中央主极大和诸槽面间干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大，即零级光谱，转移并集中到某一级光谱上去。传统的角位移测量方法主要有机械式和电磁分度式两种。机械式以多齿分度台为代表。电磁分度测角技术以圆磁栅测角为代表，利用多面棱体检定系统。传统的方法具有高准确度和高灵敏度等特点，但大多数为手工测量，不容易实现自动化，使用范围受到限制。现代测角方法所采用的原理、精度、分辨率等各有不同，按其原理可分为电测法、光学法、电磁法等。其中，光栅方法应用较广，测角型光栅动栅和定栅来形成莫尔条纹。利用光敏管对莫尔条纹信号进行检测处理后获得运动物体的角位移。还有使用纯光学的高精度测角方法，这些方法大部分是利用干涉法来保证测量精度。目前存在的光学测角方法主要有P.S.Huang等人提出的内反射法，基于Sagnac效应的环形激光器法以及测量精度最高的激光干涉法。但是这些方法所需光路调整繁琐，光学元器件需要精密加工。国内还有利用变栅距光栅进行角度识别，其原理是利用闪耀光栅不同位置栅距的变化，起到对宽带复色光进行滤波的作用，将具有这种特性的光栅制成圆筒状，从而实现对不同旋转角位移的识别，但变栅距光栅研制较为困难且成本很高。基于上述分析，本专利技术提出一种基于闪耀光栅以及差分原理的小角度快速识别方法，相较于传统电学和光学方法，且抗干扰能力强、结构简单、灵敏度较高，为小角度测量提供了一种新颖的技术解决方案。
技术实现思路
专利技术目的：目前存在的光学测角方法系统搭建复杂、成本高且不易于实现在线监测。针对这些问题，本专利技术所采用方法结构简单、抗干扰能力强、灵敏度高、易于与在线监测系统集成。进一步丰富传统的角度测量技术解决方案，本专利技术提供一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法。该方法通过对闪耀光栅一级衍射光谱的测量，推算出相应的角位移，实现对小角度的快速识别。提出的差分式双闪耀光栅角度辨识原理及系统，还可提高灵敏度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用一个闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：使用Y型光纤搭建自准直光路系统本专利技术自准直光路系统由宽带光源、Y型光纤、准直物镜、闪耀光栅、光谱分析仪五大部分组成；Y型光纤含有两分叉端和一个公共端；宽带光源与Y型光纤光源入射端相连；Y型光纤出射公共端与准直物镜直接耦合相连；Y型光纤衍射光出射端与光谱仪相连；宽带光由Y型光纤的光源入射端耦合进入光纤后传输至公共端，公共端与准直镜直接耦合，宽带光经由准直镜以与闪耀光栅衍射表面法线成θ1角度入射射向闪耀光栅的旋转中心，部分衍射光沿原路返回经准直镜进入Y型光纤公共端，最后衍射光从Y型光纤衍射光出射端耦合出射至光谱分析仪；1级衍射光谱分布在闪耀方向一侧，闪耀光栅旋转时准直镜所在侧也即入射光线应为闪耀方向这一侧；通过光谱分析仪对衍射光出射端光谱特征的识别即可得到对应的闪耀光栅旋转角度θ1，θ1还定义为入射光与闪耀光栅衍射表面法线之间夹角即入射角，也即所需识别角位移；步骤二：基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，也即与被测角度相关的衍射光谱。闪耀光栅夫琅禾费(Fraunhofer)衍射光强公式为：其中，式中，i0为入射光强度，θ1为入射光线与闪耀光栅宏观平面法线之间夹角即入射角，θ2为衍射光线与闪耀光栅宏观平面法线之间夹角即衍射角，γ为闪耀光栅的闪耀角度；a表示闪耀面宽度，d表示闪耀光栅的光栅栅距，λ为入射宽带光波长，N为衍射单元总数；将入射宽带光按步骤一的自准直光路系统照射闪耀光栅衍射表面，得到按入射光原路返回的衍射光(14)，这时有θ1＝θ2，夫琅禾费衍射光强分布公式改为：其中，1级衍射光谱分布角度范围为闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向一侧，则闪耀光栅转角也即识别角度范围为0到π/2，也就是衍射角θ1取值为0≤θ1≤π/2；闪耀光栅刻线密度取定为n，得d＝1/n，取a＝d；取定闪耀角值为宽带入射光波长范围取λl≤λ≤λr(λl≤λr)，λl为实际使用宽带光源带宽的下限，λr为实际使用宽带光源带宽的上限，入射光强度i0取单位1，衍射单元总数取定值为N；将上述数据代入衍射光强分布公式计算得到光强I、衍射角θ1、宽带入射光波长λ三者关系的三维曲面图，也即衍射光谱序列三维分布图；通过改变闪耀角度和闪耀光栅栅距之间结构参数属性，根据数值仿真结果，可以观察1级闪耀光谱序列出现光强最高峰，此最高峰对应的波长为一级闪耀波长λb，最高峰对应的角度即为闪耀光栅闪耀角γ；由闪耀光栅夫琅禾费衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，衍射光强度以闪耀波长λb为中心，闪耀波长λb处光谱强度最强，向两端光强逐渐减小直至为零；通过步骤2‐1至步骤2‐4即可提取与衍射角变化相关的衍射光谱特征，对闪耀光栅衍射角的识别即实现对闪耀光栅角位移的识别；步骤2‐1、闪耀光栅衍射光谱特征波长偏移量与角位移关系曲线的确定通过衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，以一级闪耀波长为中心的1级光谱序列峰值波长偏移量与衍射角之间近似呈线性关系，随着衍射角度的增加，峰值波长向长波方向偏移并逐渐变大；通过识别出此时的衍射光谱峰值波长可得到对应的闪耀光栅旋转角度变化，此旋转角即表征了物体实际角位移，即实现对角位移的识别；以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为θmin，在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为θmax，θmin和θmax在衍射光谱上又分别对应着最小波长λmin和最大波长λmax，这就确定了波长偏移与角位移变化关系曲线的两个端点，当角位移从θmin至θmax变化时，衍射光峰值波长从λmin至λmax变化；通常θmin至θmax范围选取靠近闪耀角γ以期获得较强衍射光强，但同时可识别角度范围也会因此缩小，此时由峰值波长偏移量λmin至λmax实现针对θmin至θmax范围内角度的识别；按权利要求1步骤一搭建好光路后，在闪耀光栅一侧发生自准直照射和衍射；此时围绕旋转轴旋转闪耀光栅，使宽带光束入射角为θ1＝θmin且入射光斑始终位于旋转轴线上，在衍射光出射端采用光谱分析仪观察到衍射光波长发生偏移且θ1＝θmin处峰值波长为λmin；继续旋转闪耀光栅使得宽带光束入射角增大至θ1＝θmax且入射光斑始终位于旋转轴线上，可在光谱仪上观察到波长偏移且θ1＝θmax处峰值波长为λmax；通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值波长λp与角位移关系曲线：λp＝ζ1θ+ζ2(3)其中，ζ1、ζ2为相关系数；最大识别角度为θmax-θmin；步骤2‐2、闪耀光栅衍射光谱特征峰值强度与角位移关系曲线的确定通过衍射光强公式计算结果可以得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用一个闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：使用Y型光纤搭建自准直光路系统自准直光路系统由宽带光源(19)、Y型光纤(16～18)、准直物镜(15)、闪耀光栅(12)、光谱分析仪(20)五大部分组成；Y型光纤含有两分叉端和一个公共端(16)，两个分叉端分别为光源入射端(17)和衍射光出射端(18)；宽带光源(19)与Y型光纤光源入射端(17)相连；Y型光纤公共端(16)与准直物镜(15)直接耦合相连；Y型光纤衍射光出射端(18)与光谱分析仪(20)相连；宽带光由Y型光纤的光源入射端(17)耦合进入光纤后传输至准直镜(15)，宽带光经由准直镜(15)以与闪耀光栅(12)衍射表面法线(13)成

【技术特征摘要】
1.一种基于闪耀光栅的微小角度快速识别方法，使用一个闪耀光栅构建角位移识别系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：使用Y型光纤搭建自准直光路系统自准直光路系统由宽带光源(19)、Y型光纤(16～18)、准直物镜(15)、闪耀光栅(12)、光谱分析仪(20)五大部分组成；Y型光纤含有两分叉端和一个公共端(16)，两个分叉端分别为光源入射端(17)和衍射光出射端(18)；宽带光源(19)与Y型光纤光源入射端(17)相连；Y型光纤公共端(16)与准直物镜(15)直接耦合相连；Y型光纤衍射光出射端(18)与光谱分析仪(20)相连；宽带光由Y型光纤的光源入射端(17)耦合进入光纤后传输至准直镜(15)，宽带光经由准直镜(15)以与闪耀光栅(12)衍射表面法线(13)成角度入射射向闪耀光栅的旋转中心(10)，部分衍射光(14)沿原路返回经准直物镜(15)进入Y型光纤公共端(16)，最后衍射光从Y型光纤衍射光出射端(18)耦合出射至光谱分析仪(20)；1级衍射光谱分布在闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向(11)一侧，闪耀光栅旋转时准直镜所在侧也即入射光线应为闪耀方向这一侧；通过光谱分析仪对衍射光出射端光谱特征的识别即可得到对应的闪耀光栅旋转角度θ1，θ1还定义为入射光与闪耀光栅衍射表面法线之间夹角即入射角，也即所需识别角位移；步骤二：基于夫琅禾费衍射原理，采用数值模拟方法得到不同角位移条件下对应的闪耀光栅在不同波长下的光强分布，也即与被测角度相关的衍射光谱；闪耀光栅夫琅禾费(Fraunhofer)衍射光强公式为：其中，式中，i0为入射光强度，θ1为入射光线(5)与闪耀光栅宏观平面法线(9)之间夹角即入射角(8)，θ2为衍射光线(6)与闪耀光栅宏观平面法线之间夹角即衍射角(7)，γ为闪耀光栅的闪耀角度(2)；a表示闪耀面宽度(1)，d表示闪耀光栅的光栅栅距(3)，λ为入射宽带光波长，N为衍射单元总数；将入射宽带光按步骤一的自准直光路系统照射闪耀光栅(12)衍射表面，得到按入射光原路返回的衍射光(14)，这时有θ1＝θ2，夫琅禾费衍射光强分布公式改为：其中，1级衍射光谱分布角度范围为闪耀光栅刻线的垂直平分面闪耀方向一侧，则闪耀光栅转角也即识别角度范围为0到π/2，也就是衍射角θ1取值为0≤θ1≤π/2；闪耀光栅刻线密度取定为n，得d＝1/n，取a＝d；取定闪耀角值为宽带入射光波长范围取λl≤λ≤λr(λl≤λr)，λl为实际使用宽带光源带宽的下限，λr为实际使用宽带光源带宽的上限，入射光强度i0取单位1，衍射单元总数取定值为N；将上述数据代入衍射光强分布公式计算得到光强I、衍射角θ1、宽带入射光波长λ三者关系的三维曲面图，也即衍射光谱序列三维分布图；通过改变闪耀角度和闪耀光栅栅距之间结构参数属性，根据数值仿真结果，可以观察1级闪耀光谱序列出现光强最高峰，此最高峰对应的波长为一级闪耀波长λb，最高峰对应的角度即为闪耀光栅闪耀角γ；由闪耀光栅夫琅禾费衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，衍射光强度以闪耀波长λb为中心，闪耀波长λb处光谱强度最强，向两端光强逐渐减小直至为零；通过步骤2‐1至步骤2‐4即可提取与衍射角变化相关的衍射光谱特征，对闪耀光栅衍射角的识别即实现对闪耀光栅角位移的识别；步骤2‐1、闪耀光栅衍射光谱特征波长偏移量与角位移关系曲线的确定通过衍射光强公式仿真计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，以一级闪耀波长为中心的1级光谱序列峰值波长偏移量与衍射角之间近似呈线性关系，随着衍射角度的增加，峰值波长向长波方向偏移并逐渐变大；通过识别出此时的衍射光谱峰值波长可得到对应的闪耀光栅旋转角度变化，此旋转角即表征了物体实际角位移，即实现对角位移的识别；以闪耀角γ为中心，在小于闪耀角值的一侧选定一个值作为在大于闪耀角γ的一侧选定一个值作为和在衍射光谱上又分别对应着最小波长λmin和最大波长λmax，这就确定了波长偏移与角位移变化关系曲线的两个端点，当角位移从θmin至θmax变化时，衍射光峰值波长从λmin至λmax变化；通常θmin至θmax范围选取靠近闪耀角γ以期获得较强衍射光强，但同时可识别角度范围也会因此缩小，此时由峰值波长偏移量λmin至λmax实现针对θmin至θmax范围内角度的识别；按步骤一搭建好光路后，在闪耀光栅一侧发生自准直照射和衍射；此时围绕旋转轴旋转闪耀光栅，使宽带光束入射角为θ1＝θmin且入射光斑始终位于旋转轴线上，在衍射光出射端采用光谱分析仪观察到衍射光波长发生偏移且θ1＝θmin处的峰值波长为λmin；继续旋转闪耀光栅使得宽带光束入射角θ1增大至θ1＝θmax且入射光斑始终位于旋转轴线上，在光谱分析仪上观察到波长偏移且θ1＝θmax处峰值波长为λmax；通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值波长λp与角位移关系曲线：λp＝ζ1θ+ζ2(3)其中，ζ1、ζ2为相关系数；最大识别角度为θmax-θmin；步骤2‐2、闪耀光栅衍射光谱特征峰值强度与角位移关系曲线的确定通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度分布存在最大值，峰值强度分布最大值处对应衍射角为γ；当随被测目标旋转的闪耀光栅旋转角也即入射角θ1<γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐变大，呈现单调递增特点；当光栅旋转角也即入射角θ1>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱序列的峰值强度分布逐渐减小，即1级衍射光谱序列的峰值强度分布与衍射角度变化量之间呈现单调递减关系；通过对1级衍射光谱序列的峰值强度大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角也即角位移的识别；在θ1<γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处Imin所对应角度选定为θmin，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处Imax对应角度选定为θmax，此时可由峰值强度Imin到Imax实现对θmin到θmax范围内角度的识别；在θ1>γ范围内，1级衍射光谱序列的峰值强度最大处Imax对应角度选定为θmin，1级衍射光谱序列的峰值强度最小处Imin对应角度选定为θmax，此时可由光强大小Imax至Imin实现对θmin到θmax范围内角位移的识别，这与在θ1<γ范围内的情况刚好相反；以上两种情况，都通过实验标定，并利用拟合算法对所测量数据进行拟合得到峰值强度与角位移关系曲线：其中，ε1、ε2、ε3、ε4为相关系数，I为光谱峰值强度；最大识别角度为θmax-θmin；步骤2‐3、闪耀光栅衍射光谱包络面积与角位移关系曲线的确定通过衍射光强公式计算结果可以得到，在宽带光波长范围内，1级衍射光谱序列包络面积存在最大值，面积最大值处对应衍射角度设为γ；在衍射角θ1<γ范围内，随着光栅旋转角度也即衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱包络面积逐渐变大，呈现单调递增特点；当衍射角θ1>γ时，随着衍射角度的增加，1级衍射光谱的光谱包络面积逐渐减小，即1级衍射光谱的包络面积与闪耀光栅旋转角也即衍射角度变化量之间呈调递减关系；通过对1级衍射光谱的光谱包络面积大小的识别可实现对闪耀光栅旋转角...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，王文龙，王计刚，袁慧影，康健，张益昕，刘喆，郑丁午，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32