滚转角测量方法及其滚转角测量仪技术

本发明专利技术属于角度的光学测量技术领域，包括在横向塞曼激光器输出端的光轴上设置该半透半反镜，在该半透半反镜的透射光轴上垂直设置有二分之一波片，以及在该反射镜的反射光轴上依次垂直设置有二分之一波片、检偏器及第一光电探测器；在该半透半反镜的反射光轴上垂直设置有第二光电探测器，相位计的输入端与该第一光电探测器、第二光电探测器的输出端相连，所相位计的输出端与所说的计算机相连。本发明专利技术使灵敏度在非线性增强的基础上再提高４倍，同时将测量光探测器靠近光源，可以使结构变得更为紧凑，以增强仪器的实用性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于角度的光学测量
，特别涉及滚转角测量方法及其滚转角测量仪。
技术介绍
滚转角是误差补偿中的一个重要参数。水平面内的滚转角可以用电子水平仪测出，有现成的仪器。而对垂直面内的滚转角虽然有旋光法等方法，但精度一直不是很高，不能满足实际应用的需要。前苏联的考伦凯维奇等于1974年提出，使用双频纵向塞曼激光器的左右旋圆偏振光实现滚转角测量，其结构及原理如图1所示。图中，双频激光的来源为纵向塞曼激光器，传感器件为检偏器11，其滚转角为α，入射光的左右旋圆偏振光的频率分别为f1和f2。光电探测器上12的拍频信号为S＝Acos(1)式中相位差Δψ与滚转角成正比Δψ＝2α(2)只要测量拍频信号的相位就能得到滚转角的大小，两者为线性关系，测量结果不依赖于信号的幅值，即与光强无关，实现了从滚转角到交流信号相位的物理量转化。据该文献报道，使用分辨率为0.003°的相位计，得到的测相精度为0.01°，相应的机械转角精度为0.005°(18″)，相位角的整周期非线性误差为2°。该文献的作者认为测量的不确定度很难改进到0.0028°(10″)以下。可见，上述方法虽然实现了以激光的偏振方向为基准和把被测角度转换成交流信号相位，但灵敏度太低，达不到应用的要求。清华大学蒋弘等提出一种利用非线性提高灵敏度，可以实现大范围、高灵敏度的滚转角测量方法。其特征是在光路中加入1/4波片，从而用正交的椭圆偏振光代替圆偏振光，可以把测量灵敏度提高数十倍。该方法的构成及工作原理如图2所示，包括以下步骤1、采用横向塞曼激光器为光源21，该激光器输出相互垂直的正交线偏振光 和 2、让该正交线偏振光通过一个四分之一波片22，该波片光轴和偏振光有一定夹角θ，使其变成正交的椭圆偏振光；3、该椭圆偏振光线再通过作为传感器的检偏器23；4、最后由光电探测器(图中未示出)接收将得到的交流电信号与参考信号比相，从而获得被测滚转角α的信息。通过理论计算证明，上述方法对滚转角进行测量是可行的，其原理为假设入射光21为一对正交的线偏振光 21，振幅为A1，A2，圆频率为ω1，ω2，通过四分之一波片22后被椭偏化为正交的椭圆偏振光。检偏器23为传感器件，其滚转角为α。为了计算方便，取四分之一波片的快轴方向为X轴方向，偏振分量 与X轴夹角为θ。用琼斯矩阵进行分析，可以得到出射光为 式中入射光矢量 旋转矩阵R(θ)=cosθsinθ-sinθcosθ]]>，四分之一波片Q=100i]]>，检偏器P(α)=cos2αsinαcosαsinαcosαsin2α]]>，将各器件的琼斯矩阵代入计算，可得 ＝{K1A1exp{-i} (4)+k2A2exp{-i[ω2t+φ2+arctan(cotθ·tanα)]}}cosαsinα]]>式中k1=cos2θcos2α+sin2θsin2α]]>k2=sin2θcos2α+cos2θsin2α---(5)]]>从上式可以看出，两个频率分量的光分别产生了不同的相位变化。根据式(4)进一步计算可得合成的光强I为 式中最后一项Δψ即为由滚转角引起的附加相位差Δψ＝arctan(tanθ·tanα)+arctan(cotθ·tanα)(7)用光电探测器接收这束光，输出信号滤去直流成分后得到测量信号SmeaSmea＝Kmea·2k1k2A1A2cos(8)式中Kmea为测量光电探测器的响应度，δmea为测量电路造成的附加相位差。类似地，可以从激光器得到一个参考信号SrefSref=Kref·2I1′I2′cos[(ω1-ω2)t+φ1′-φ2′+δref]---(9)]]>式中Kref为参考光电探测器的响应度，δref为参考电路造成的附加相位差。于是，测量信号和参考信号的相位差为＝0+Λψ＝0+arctan(tanθ·tanα)+arctan(cotθ·tanα)(10)其中0＝(1-2+δmea)-(1′-2′+δref)为常数。为使下面的讨论方便，将其略去，对结论不产生影响，(10)式可简化为＝Λψ＝arctan(tanθ·tanα)+arctan(cotθ·tanα)(11)上式给出了一般情况下拍频信号的相移对检偏器转角α的依赖关系。图3中给出了几组不同的θ角下二者的关系曲线。从图中可以看到，拍频信号的相移与滚转角的关系曲线取决于入射光的椭偏度。当θ＝45°时两偏振分量恰好为左右旋圆偏振光，二者呈完全的线性关系，相移角是滚转角的两倍。θ≠45°时两偏振分量为椭偏光，相位变化呈非线性，θ越小，非线性度越大，在0°、90°、180°……等处相移角对滚转角的变化呈很高的敏感度。在对滚转角的测量过程中，需要关注的是在什么条件下对α的变化最敏感，即什么时候关于α的导数最大，为此定义角放大率Ka为Kα=dφdα---(12)]]>Ka表示相位角对于滚转角的敏感程度，无疑要想获得较好的测量效果，就要获得尽可能大的Ka值。从上图不难发现，无论θ如何变化，曲线在总体上的斜率永远保持为2，其局部斜率的增加是以加大整体的非线性为代价实现的。所以，获得大的Ka值就要求在全部角度上对α表现出强烈的非线性依赖关系。另外，尽管在整体上是α的非线性函数，但是希望在足够大的测量范围之内二者能保持线性关系，即Ka保持为常数，否则会给测量带来非线性误差。总之，对函数＝(α)的要求是1).在全部定义域上具有强烈的非线性→增大角放大率2).在测量范围之内的区间保持线性关系→避免非线性误差上述两点初看是互相矛盾的，但从图3可以看出，曲线的陡直上升段基本呈线性关系，可能从中得到线性测量区间，同时有具有很高的灵敏度。式(11)的函数关系可以同时满足这两点。因为式(11)表明是α和θ的周期函数，下面只在(-90°＜α＜+90°)和(0°≤θ≤45°)的角度范围进行讨论。分析式(9)可知，在α→0，θ→0，tanα·tanθ＜＜1时，可以近似为＝(tanθ+cotθ)α(13)相应的，角放大率为，Ka＝tanθ+cotθ(14)显然，当θ＝45°时，Ka＝2，式(11)退化为式(2)，即为前面提到的基于圆偏振光的测量方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滚转角测量方法，包括以下步骤：１）由光源输出频率稳定的正交双频线偏振激光，并经分束成测量光及参考光，该参考光由光电探测器接收成为参考信号；２）对该正交线偏振测量光进行椭圆化，使之变成椭圆偏振光；３）使该椭圆偏振光经过测量传感 器；４）再使该光线经过二次反射沿原路折回，第二次经过所说的测量传感器；５）该光线再通过检偏器合成；６）最后该光线由光电探测器接收将得到的交流电信号与所说的参考信号比相，从而获得被测滚转角的信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：殷纯永，柳忠尧，林德教，蒋弘，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]