空间角度测量系统及增大接收信号光束范围的方法技术方案

本发明专利技术提供一种空间角度测量系统，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。该空间角度测量系统来增大接收信号光束范围的方法为：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。本发明专利技术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，并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。

Space angle measuring system and method for increasing the range of received signal beam

The invention provides a spatial angle measuring system, which comprises a first polarized light generating unit, a first polarized light receiving and measuring unit and a double rotating oblique prism unit. The double rotating oblique prism unit is located between the first polarized light generating unit and the first polarized light receiving and measuring unit. The method of increasing the beam range of the received signal by the space angle measurement system is as follows: the first polarized light generating unit is used to emit linearly polarized light; the double rotating oblique prism unit is used to adjust the propagation direction of linearly polarized light beam to increase the receiving area and ensure that the linearly polarized light enters the first polarized light receiving and measuring unit vertically. A polarized light receiving and measuring unit is used to receive a linearly polarized light incident perpendicularly. The invention uses the rotation of a double-oblique prism to increase the range of the first polarized light receiving and measuring unit receiving polarized light signal beams, and through the quadruple reflection of the double-oblique prism, the polarized light signal beams can be vertically incident to the first polarized light receiving and measuring unit.

【技术实现步骤摘要】
空间角度测量系统及增大接收信号光束范围的方法
本专利技术属于偏振光测角系统
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.空间角度测量系统，其特征在于：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；所述第一偏振光发生单元(1)用于发出线偏振光；所述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；所述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)；所述第一光源(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；所述第一扩束镜(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；所述第一起偏器(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；所述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)上设置有第一旋转轴(311)，第二斜方棱镜(32)上设置有第二旋转轴(321)；所述第一斜方棱镜(31)上设置有第一入光孔(312)和第一出光孔(313)；所述第二斜方棱镜(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；所述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)；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。...

【技术特征摘要】
1.空间角度测量系统，其特征在于：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；所述第一偏振光发生单元(1)用于发出线偏振光；所述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；所述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)；所述第一光源(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；所述第一扩束镜(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；所述第一起偏器(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；所述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)上设置有第一旋转轴(311)，第二斜方棱镜(32)上设置有第二旋转轴(321)；所述第一斜方棱镜(31)上设置有第一入光孔(312)和第一出光孔(313)；所述第二斜方棱镜(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；所述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)；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。2.根据权利要求1所述的一种空间角度测量系统，其特征在于：所述第一旋转轴(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；所述第二旋转轴(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。3.根据权利要求2所述的一种空间角度测量系统，其特征在于：所述第一斜方棱镜(31)有两个反射面，分别是第一反射面(314)和第二反射面(315)；所述第二斜方棱镜(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°。4.根据权利要求3所述一种空间角度测量系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春艳，乔琳，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61