基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学测量相关技术领域，其公开了一种基于双折射晶视场效应的姿态角实时测量方法及装置，装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，高速实时偏振测量模块包括分别位于物体姿态调整模块相背的两侧的起偏单元及实时检偏单元；物体姿态调整模块包括姿态角控制器、分别连接于姿态角控制器的滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元及双折射晶体。所述测量方法包括根据高速偏振测量模块测得光学参数进行物体姿态角实时提取算法，以及姿态角测量误差补偿方法。本发明专利技术适用性强，能够实现对附有双折射晶体的物体的姿态角大范围高精度实时原位测量。

【技术实现步骤摘要】
基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置
本专利技术属于光学测量相关
，更具体地，涉及一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置。
技术介绍
姿态角是描述物体运动的重要参数，通常由偏航角俯仰角θ及滚转角ф组成。在精密制造，机器人控制，飞行器导航等领域，对姿态角大范围实时精确测量十分重要。传统的姿态角测量方法都是需整合多个传感器测量到的信息才能实现全姿态角测量。常用的姿态角传感器有陀螺仪、加速度计等。由于陀螺仪测量的是角速度而不是角度，因此在使用陀螺仪获取姿态角时需要考虑到积分误差等问题；而加速度计则容易受到振动的影响。因此，为了精确地测量物体地姿态角，这些测量系统往往通常需要配备多个陀螺仪和加速度计，这会增加整个系统的成本，也会增加系统的复杂程度。近些年来，由于非接触、系统灵活，成本低，精度高和灵敏度高等优点，光学测量方法在姿态角测量中具有很大的潜力。目前基于光学测量姿态角的方法主要有：一种是基于磁性石榴石单晶偏振效应的滚转角测量方法，其能在较大范围内对滚转角进行测量；第二种是基于多芯光纤的光纤型布拉格光栅应变传感器，其能在滚转角在±2°、俯仰角在±15°方位内对物体姿态角进行测量；最后一种是基于激光自准直的方法，其能实现全姿态角测量，同时其分辨率为0.01弧秒，精度为0.5弧秒，但测量范围仅为60弧秒。目前已有的基于光学的姿态角测量方法一方面不能实现全姿态角实时测量，一方面对姿态角的测量范围太小。相应地，本领域亟待提出一种能够大范围实时原位全姿态角测量的装置及方法。专利
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法及装置，其结合了原位实时大范围高精度姿态角测量的测量需求，相应地设计了一种能够对任意姿态下的物体的姿态角进行测量与提取的装置及方法，该装置主要组件有能够大范围调整物体姿态的姿态调节模块，以及能够实时原位测量物体姿态变化的高速偏振实时测量模块。同时结合倾斜入射情况下，双折射晶体的穆勒矩阵形式的光学表征模型，及特殊测量配置下双折射晶体光学参数提取算法，以及视场角与姿态角对应关系，可以完成任意姿态下的附着有双折射晶体的物体的姿态角的大范围原位实时的高精度测量。此外，结合所测量到的任意时刻下的姿态角，还可以求得各姿态角变化的角速度及角加速度。同时，本专利技术能够适用于各种类型物体的姿态角测量，该测量方法不仅仅局限于透射式测量，也适用于反射式测量。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，所述装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，所述高速实时偏振测量模块包括起偏单元及实时检偏单元，所述起偏单元及所述实时检偏单元分别位于所述物体姿态调整模块相背的两侧，且所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射和透射模式测量；所述物体姿态调整模块包括滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元、姿态角控制器，俯仰角实时测量单元及双折射晶体，所述俯仰角调节单元、所述偏航角调节单元及所述高度调节单元分别连接于所述姿态角控制器，所述滚转角调节单元设置在所述俯仰角调节单元上，所述俯仰角调节单元设置在所述偏航角调节单元上，所述偏航角调节单元设置在所述高度调节单元上；所述滚转角调节单元用于承载物体及双折射晶体，工作时，所述双折射晶体以及俯仰角实时测量单元附着于物体上；所述高度调节单元用于调节物体所处的高度，使得光线能够从所述双折射晶体的中心透过；所述偏航角调节单元用于调节所述物体的偏航角；所述俯仰角调节单元用于调节所述物体的俯仰角；所述滚转角调节单元用于调节所述物体的滚转角；所述姿态角控制器用于同时对所述物体姿态调整模块的各个调节单元进行连续实时的闭环控制，以及产生相关触发信号。进一步地，所述姿态角调整模块能对所述物体的姿态在滚转角滚转角0°～360°、倾斜角及偏航角在-90°～90°范围内调节。进一步地，所述起偏单元包括偏振激光光源及第一消色差1/4波片，能够输出任意偏振态的偏振光。所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射和透射模式测量。进一步地，所述起偏单元输出的偏振光透过物体上附着的双折射晶体后进入所述实时检偏单元，从而获取双折射晶体随物体姿态变化的光学参数，同时结合双折射晶体的光学参数与物体姿态角之间的关系，便可实时获取物体的姿态角。进一步地，所述俯仰角实时测量单元连接于所述姿态角控制器，所述俯仰角实时测量单元用于实时测量物体的俯仰角，通过所述姿态控制器输出的触发信号与所述高速偏振测量模块进行实时同步测量。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，所述实时测量方法包括以下步骤：(1)提供如上所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，将所述实时测量装置进行光路对准，并在不放置待测物体的情况下，调节所述起偏单元以使所述起偏单元输出圆偏振光；(2)将附着有双折射晶体的物体放置于滚转角调节单元内，打开姿态角控制器以实时控制物体的姿态，同时，所述姿态角控制器发出触发信号到所述实时检偏单元以及俯仰角实时测量单元，进而对姿态变化过程进行实时采集；(3)根据步骤(2)采集到的光强，通过所述实时检偏单元求解透过双折射晶体的偏振光的斯托克斯向量Sout；(4)建立倾斜入射下双折射晶体的光学表征模型，结合步骤(3)中测得的出射偏振光的斯托克斯向量Sout，提取出倾斜入射下、双折射晶体的延迟量δ及方位角ф；(5)建立不同视场角下双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)；(6)结合步骤(4)中提取到的双折射晶体的光学参数及步骤(5)中的双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)，以提取出不同时间点下双折射晶体的视场角；(7)建立视场角与物体的姿态角之间的关系，结合步骤(6)中测得的视场角及步骤(2)中的俯仰角实时计算得到物体的姿态角。进一步地，通过计算物体的姿态角随时间的变化来求得各姿态角对应的角速度ω及角加速度α。进一步地，步骤(1)中，首先，使所述起偏单元的偏振激光光源输出的线偏振光方位与起偏单元的第一消色差1/4波片的方位角之间保持一个45°的差值；然后，以相同的增量Nm次同时旋转偏振激光光源及所述第一消色差1/4波片，比较测量得到的斯托克斯向量Sm与计算得到的斯托克斯向量Sc，通过最小化误差校准公式χ2，以求得相对角度偏差Δθcir和波片延迟量偏差Δθcir；最后，通过补偿相对角度偏差Δθcir和波片延迟量偏差Δθcir来得到圆偏振光输出；其中，式中，Nm总的增量测量次数，上标“m”代表测量的结果，上标“c”代表理论计算得到的结果，下标“q,p”代表q次测量中第p个斯托克斯参量，σ(Sq,p)是测量的斯托克斯向量的标准差。进一步地，双折射晶体延迟量随视场角的变化关系δ(β，ф)为：...

【技术保护点】
1.一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：/n所述实时测量装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，所述高速实时偏振测量模块包括起偏单元及实时检偏单元，所述起偏单元及所述实时检偏单元分别位于所述物体姿态调整模块相背的两侧，且所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射模式测量和透射模式测量；/n所述物体姿态调整模块包括滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元、姿态角控制器，俯仰角实时测量单元双折射晶体，所述俯仰角调节单元、所述偏航角调节单元及所述高度调节单元分别连接于所述姿态角控制器，所述滚转角调节单元设置在所述俯仰角调节单元上，所述俯仰角调节单元设置在所述偏航角调节单元上，所述偏航角调节单元设置在所述高度调节单元上；所述滚转角调节单元用于承载物体及双折射晶体，工作时，所述双折射晶体以及俯仰角实时测量单元附着于物体上；/n所述高度调节单元用于调节物体所处的高度，使得光线能够从所述双折射晶体的中心透过；所述偏航角调节单元用于调节所述物体的偏航角；所述俯仰角调节单元用于调节所述物体的俯仰角；所述滚转角调节单元用于调节所述物体的滚转角；所述姿态角控制器用于同时对所述物体姿态调整模块的各个调节单元进行连续实时的闭环控制，以及产生触发信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：
所述实时测量装置包括相连接的高速偏振测量模块及物体姿态调整模块，所述高速实时偏振测量模块包括起偏单元及实时检偏单元，所述起偏单元及所述实时检偏单元分别位于所述物体姿态调整模块相背的两侧，且所述高速偏振测量模块安装在旋转底板上，所述旋转底板用于调节高速偏振测量模块的入射角，以实现反射模式测量和透射模式测量；
所述物体姿态调整模块包括滚转角调节单元、俯仰角调节单元、偏航角调节单元、高度调节单元、姿态角控制器，俯仰角实时测量单元双折射晶体，所述俯仰角调节单元、所述偏航角调节单元及所述高度调节单元分别连接于所述姿态角控制器，所述滚转角调节单元设置在所述俯仰角调节单元上，所述俯仰角调节单元设置在所述偏航角调节单元上，所述偏航角调节单元设置在所述高度调节单元上；所述滚转角调节单元用于承载物体及双折射晶体，工作时，所述双折射晶体以及俯仰角实时测量单元附着于物体上；
所述高度调节单元用于调节物体所处的高度，使得光线能够从所述双折射晶体的中心透过；所述偏航角调节单元用于调节所述物体的偏航角；所述俯仰角调节单元用于调节所述物体的俯仰角；所述滚转角调节单元用于调节所述物体的滚转角；所述姿态角控制器用于同时对所述物体姿态调整模块的各个调节单元进行连续实时的闭环控制，以及产生触发信号。


2.如权利要求1所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：所述姿态角调整模块能对所述物体的姿态在滚转角滚转角0°～360°、倾斜角及偏航角在-90°～90°范围内调节。


3.如权利要求1所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：所述起偏单元输出的偏振光透过物体上附着的双折射晶体后进入所述实时检偏单元，从而获取双折射晶体随物体姿态变化的光学参数，同时结合双折射晶体的光学参数与物体姿态角之间的关系，便可实时获取物体的姿态角。


4.如权利要求1所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，其特征在于：所述俯仰角实时测量单元连接于所述姿态角控制器，所述俯仰角实时测量单元用于实时测量物体的俯仰角，通过所述姿态控制器输出的触发信号与所述高速偏振测量模块进行实时同步测量。


5.一种基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)提供权利要求1-4任一项所述的基于双折射晶体视场效应的姿态角实时测量装置，将所述实时测量装置进行光路对准，并在不放置待测物体的情况下，调节所述起偏单元以使所述起偏单元输出圆偏振光；
(2)将附着有双折射晶体的物体放置于滚转角调节单元内，打开姿态角控制器以实...

【专利技术属性】
技术研发人员：江浩，张松，谷洪刚，刘世元，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42