线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置及方法，属于光学领域，本发明为解决现有测角技术不能达到高准确度角度测量的要求的问题。本发明包括线性调频激光器、两个反射镜、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器、滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器；打开线性调频激光器，使线性调频线偏振光依次经过两块反射镜后斜入射到平面标准镜上，经平面标准镜前表面透射的光被平面标准镜的后表面反射后与经过平面标准镜前表面反射的光一起被会聚透镜会聚到光电探测器的光敏面上，最后经光电探测器的光电转换后的电信号经过滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器后得到待测的参数信息：平面标准镜的入射角度。
1.线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的方法，该方法是基于线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置实现的，所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置包括线性调频激光器(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、平面标准镜(4)、会聚透镜(5)、光电探测器(6)、滤波器(7)、前置放大器(8)、A/D转换电路(9)和DSP微处理器(10)；
线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一反射镜(2)和第二反射镜(3)两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜(4)；经平面标准镜(4)前表面透射的光束在平面标准镜(4)内、经平面标准镜(4)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜(4)的前表面透射之后与经平面标准镜(4)前表面反射后的光束均通过会聚透镜(5)会聚到光电探测器(6)的光敏面上；
光电探测器(6)的电信号输出端与滤波器(7)的输入端相连；
滤波器(7)的输出端与前置放大器(8)的输入端相连；
前置放大器(8)的输出端与A/D转换电路(9)的模拟信号输入端相连；
A/D转换电路(9)的数字信号输出端与DSP微处理器(10)的数据输入端相连，由DSP微处理器(10)处理数据来获取入射至平面标准镜(4)的光束的入射角θ0；
步骤一、线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜(4)；
步骤二、获取入射至光电探测器(6)的光束的总光场EΣ(t)：
EΣ(t)＝E1(t)+E2(t)+...+Em(t)，m为大于或等于2的正整数；
其中：E1(t)为光束经平面标准镜(4)前表面反射后的反射光场，且按公式获取；
上式中：α1为系数，α1＝γ，γ为光从周围介质射入平面标准镜(4)时的反射率；E0为入射光场振幅；ω0为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且 T为调频周期，△F为调频带宽；c为光速；
E2(t),...,Em(t)为在平面标准镜(4)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光的反射光场；
其中，α2,α3,...,αm均为系数，且α2＝ββ'γ'，α3＝ββ'(γ') ，αm＝(2m-3)ββ'(γ') ；式中的β为光从周围介质射入平面标准镜(4)时的透射率，β'为平面标准镜(4)前后表面多次反射光射出平面标准镜(4)时的透射率，γ'为平面标准镜(4)后表面的反射率；d为平面标准镜(4)的厚度，θ为折射角，n为平面标准镜(4)的折射率，l为到达平面标准镜(4)的光程；
步骤三、光电探测器(6)的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：其中：e为电子电量，Z为光电探测器(6)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器(6)光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；
步骤四、光电探测器(6)输出的光电流由滤波器(7)滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器(8)和A/D转换电路(9)后送入DSP微处理器(10)进行处理；
步骤五、DSP微处理器(10)对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在平面标准镜(4)前后表面多次反射并从平面标准镜(4)透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与入射平面标准镜(4)直接反射的光进行混频，则中频电流IIF处理为：其中，p＝2,3,...,m-2；
步骤六、对步骤五获取的中频电流IIF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；
根据中频电流IIF公式可以获知，外差信号的频率f记为：
步骤七、根据折射定律，并按公式θ0＝arcsin(nsinθ)获取入射至平面标准镜(4)的光束的入射角θ0。
线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置
及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置及方法，属于光学领域。
背景技术
[0002] 精密角度测量是工程领域一直需要面对和解决的问题。随着科学技术的发展，角度测量设备和测量方法不断的推陈出新，如码盘、永磁同步电机、激光扫描仪、感应同步器、空间傅里叶光谱仪和四象限探测器测角等高准确度测角器件及利用这些器件开发的测角设备的大量应用，为工程设计和检测人员提供了大量角度测量问题的解决办法。测角方法包括CCD光学测角法、PIP干涉测量法、成像式光栅自准直测角法、基于莫尔条纹的自准直测角法等。利用这些方法一般都不能达到高准确度角度测量的要求。
发明内容
[0003] 本发明目的是为了解决现有测角技术不能达到高准确度角度测量的要求的问题，提供了一种线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置及方法。
[0004] 本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置，它包括线性调频激光器、第一反射镜、第二反射镜、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器、滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器；
[0005] 线性调频激光器发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一反射镜和第二反射镜两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜；经平面标准镜前表面透射的光束在平面标准镜内、经平面标准镜的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜的前表面透射之后与经平面标准镜前表面反射后的光束均通过会聚透镜会聚到光电探测器的光敏面上；
[0006] 光电探测器的电信号输出端与滤波器的输入端相连；
[0007] 滤波器的输出端与前置放大器的输入端相连；
[0008] 前置放大器的输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端相连；
[0009] A/D转换电路的数字信号输出端与DSP微处理器的数据输入端相连，由DSP微处理器处理数据来获取入射至平面标准镜的光束的入射角θ0。
[0010] 所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置的方法包括以下步骤：
[0011] 步骤一、线性调频激光器发出线性调频线偏振光两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜；
[0012] 步骤二、获取入射至光电探测器的光束的总光场EΣ(t)：
[0013] EΣ(t)＝E1(t)+E2(t)+...+Em(t)，m为大于或等于的正整数；
[0014] 其中：E1(t)为光束经平面标准镜前表面反射后的反射光场，且按公式[0015] 获取；
[0016] 上式中：α1为系数，α1＝γ，γ为光从周围介质射入平面标准镜时的反射率；E0为入射光场振幅；ω0为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且 T为调频周期，ΔF为调频带宽；c为光速；
[0017] E2(t)，...，Em(t)为在平面标准镜的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光的反射光场；
[0018]3
[0019] 其中，α2，α3，...，αm均为系数，且α2＝ββ′γ′，α3＝ββ′(γ′) ，(2m-3)αm＝ββ′(γ′) ；式中的β为光从周围介质射入平面标准镜时的透射率，β′为平面标准镜前后表面多次反射光射出平面标准镜时的透射率，γ′为平面标准镜后表面的反射率；d为平面标准镜的厚度，θ为折射角，n为平面标准镜的折射率，l为到达平面标准镜的光程；
[0020] 步骤三、光电探测器的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：
[0021]
[0022] 其中：e为电子电量，Z为光电探测器表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；
[0023] 步骤四、光电探测器输出的光电流由滤波器滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器和A/D转换电路后送入DSP微处理器进行处理；
[0024] 步骤五、DSP微处理器对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在平面标准镜前后表面多次反射并从平面标准镜透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与入射平面标准镜直接反射的光进行混频，则中频电流IIF处理为：
[0025]
[0026] 其中，p＝2，3，...，m-2；
[0027] 步骤六、对步骤五获取的中频电流IIF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；
[0028] 根据中频电流IIF公式可以获知，外差信号的频率f记为：
[0029] 则可获取平面标准镜的折射角θ；
[0030] 步骤七、根据折射定律，并按公式θ0＝arcsin(n sinθ)获取入射至平面标准镜的光束的入射角θ0。
[0031] 本发明的优点：本发明一种线性调频多光束激光外差二次谐波测量角度的方法，利用线性调频技术把待测的角度信息加载到外差信号二次谐波的频率差中，通过傅里叶变化很容易就可以解调出待测角度信息，且测量精度极高，同时能够采集到较好的激光差频信号，使得信号的调制和解调简单易行，提高了信号处理的运算速度。该方法是一种良好的非接触测量角度的方法，可以应用在恶劣测量环境上。应用此方法测量角度时具有精度高，线形度好，测量速度快等优势。该方法一个显著特点是不需要动镜的方向信息；该方法在测量不同角度时，测量误差小于0.23％，说明该方法应用是可行、可靠的，能够满足微小角度测量的要求，为许多工程领域提供了很好的测量手段，可以广泛的应用于激光雷达、机械、仪器仪表和电子产品制造业中，具有很好应用前景和价值。
附图说明
[0032] 图1是本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置的结构示意图；
[0033] 图2是多光束激光干涉原理示意图；
[0034] 图3是不同入射角测量对应的频谱图。
具体实施方式
[0035] 具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置，它包括线性调频激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、平面标准镜4、会聚透镜5、光电探测器6、滤波器7、前置放大器8、A/D转换电路9和DSP微处理器10；
[0036] 线性调频激光器1发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一反射镜2和第二反射镜3两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜4；经平面标准镜4前表面透射的光束在平面标准镜4内、经平面标准镜4的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜4的前表面透射之后与经平面标准镜4前表面反射后的光束均通过会聚透镜5会聚到光电探测器6的光敏面上；
[0037] 光电探测器6的电信号输出端与滤波器7的输入端相连；
[0038] 滤波器7的输出端与前置放大器8的输入端相连；
[0039] 前置放大器8的输出端与A/D转换电路9的模拟信号输入端相连；
[0040] A/D转换电路9的数字信号输出端与DSP微处理器10的数据输入端相连，由DSP微处理器10处理数据来获取入射至平面标准镜4的光束的入射角θ0。
[0041] 光学测角由于具有非接触性、精度高和结构简单等特点而备受人们的重视，因此使用光学测角的方法得到了越来越广泛的应用。基于此，提出了一种线性调频多光束激光外差检测的动态测角算法，其特点是不需要动镜的方向信息，可以在满足精度的同时实现大范围倾角检测。
[0042] 工作过程：首先，打开线性调频激光器1，使线性调频线偏振光依次经过两块反射镜后斜入射到平面标准镜4上，经平面标准镜4前表面透射的光被平面标准镜4的后表面反射后与经过平面标准镜4前表面反射的光一起被会聚透镜会聚到光电探测器6的光敏面上，最后经光电探测器6的光电转换后的电信号经过滤波器7、前置放大器8、A/D转换电路8和DSP微处理器9后得到待测的参数信息：平面标准镜4的入射角度。
[0043] 具体实施方式二：下面结合图1至图3说明本实施方式，基于实施方式一所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量入射角度的装置的方法，该方法包括以下步骤：
[0044] 步骤一、线性调频激光器1发出线性调频线偏振光两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜4；
[0045] 步骤二、获取入射至光电探测器6的光束的总光场EΣ(t)：
[0046] EΣ(t)＝E1(t)+E2(t)+...+Em(t)，m为大于或等于2的正整数；
[0047] 其中：E1(t)为光束经平面标准镜4前表面反射后的反射光场，且按公式[0048] 获取；
[0049] 上式中：α1为系数，α1＝γ，γ为光从周围介质射入平面标准镜4时的反射率；E0为入射光场振幅；ω0为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且 T为调频周期，ΔF为调频带宽；c为光速；
[0050] E2(t)，...，Em(t)为在平面标准镜4的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光的反射光场；
[0051]3
[0052] 其中，α2，α3，...，αm均为系数，且α2＝ββ′γ′，α3＝ββ′(γ′) ，(2m-3)αm＝ββ′(γ′) ；式中的β为光从周围介质射入平面标准镜4时的透射率，β′为平面标准镜4前后表面多次反射光射出平面标准镜4时的透射率，γ′为平面标准镜4后表面的反射率；d为平面标准镜4的厚度，θ为折射角，n为平面标准镜4的折射率，l为到达平面标准镜4的光程；
[0053] 步骤三、光电探测器6的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：
[0054]
[0055] 其中：e为电子电量，Z为光电探测器6表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器6光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器1发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；
[0056] 步骤四、光电探测器6输出的光电流由滤波器7滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器8和A/D转换电路9后送入DSP微处理器10进行处理；
[0057] 步骤五、DSP微处理器10对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在平面标准镜4前后表面多次反射并从平面标准镜4透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与入射平面标准镜4直接反射的光进行混频，则中频电流IIF处理为：
[0058]
[0059] 其中，p＝2，3，...，m-2；
[0060] 步骤六、对步骤五获取的中频电流IIF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；
[0061] 根据中频电流IIF公式可以获知，外差信号的频率f记为：
[0062] 则可获取平面标准镜4的折射角θ；
[0063] 步骤七、根据折射定律，并按公式θ0＝arcsin(n sinθ)获取入射至平面标准镜4的光束的入射角θ0。
[0064] 如图2所示，由于光束在平面标准镜4的前后表面之间会不断地反射和折射，而这种反射和折射对于反射光和透射光在无穷远处或会聚透镜5焦平面上的干涉都有贡献，所以在讨论干涉现象时，必须考虑多次反射和折射效应，即应讨论多光束激光干涉。
[0065] 但是，由于激光在平面标准镜4前表面的反射光与平面标准镜4后表面反射相邻两次透射出平面标准镜前表面的光混频，产生的两个差频信号的幅度相差2～3个数量级，经过傅里叶变换后，为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，所以在这里我们仅考虑所检测的后表面第p-1次反射的Ep-1(t)与后表面第p+1次反射后的Ep+1(t)光混频所产生的二次谐频差。本实施方式采用的是线性调频多光束外差二次谐波测量法。
[0066] 假设线性调频激光以入射角θ0斜入射时，入射光场的数学表达式为：
[0067] E(t)＝E0exp{i(ω0t+kt2)}；
[0068] 若到达平面标准镜4前表面的光程为l，则t-l/c时刻到达平面标准镜4前表面后的直接反射的反射光场为：
[0069]
[0070] 在平面标准镜4的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光的反射光场分别为E2(t)，...，Em(t)；
[0071]
[0072] 在其中只取第p-1次反射的Ep-1(t)与后表面第p+1次反射后的Ep+1(t)。
[0073] 光电探测器6的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流(电信号)，滤波直流项，保留交流项，获取的中频电流IIF处理为：
[0074]
[0075] 从该式的即可得知，变量t前面的 为角速度，则外差信号的频率f记为：
[0076]
[0077] 同时，进行傅里叶变换很容易实现频率测量，则根据上述等式，再根据折射定律存在关系式： 联立获取入射至平面标准镜4的光束的入射角θ0。
[0078] 式中K为比例系数，
[0079] 通常情况下平面标准镜4的折射率n＝1.493983，其厚度d＝2cm；线性调频激光器1波长为1.55μm，调频周期T＝1ms，调频带宽ΔF＝5GHz。利用Matlab仿真得到了不同入射角θ0情况下，线性调频多光束激光外差二次谐波测量微小角度对应的傅里叶变换频谱如图3所示，从图3中可以看出，随着入射角的增加，频谱的相对位置向低频方向移动即随着角度的增加频率减小。原因在于：在平面标准镜4厚度不变的情况下，比例系数K和频率是成正比关系的，在小角度情况下，当入射角增加时比例系数K随之减小，由于频率f与比例系数K关系为f＝Kcosθ，d不变的情况下，频率f和K呈线性关系，因此，K减小时频率也随之减小即随着入射角的增加，频谱的相对位置向低频方向移动，图3很好地验证了前面理论分析的正确性。
[0080] 需要说明的是，由于外差探测是一种近衍射极限的探测方式，探测灵敏度极高，因此图3的线性调频激光外差二次谐波信号的信噪比非常高。
[0081] 通常工程师只关心小角度的测量精度，因此以小角度测量为例验证此方法的可行性。利用上述线性调频多光束激光外差二次谐波测量法，连续测量八组数据，得到了不同入射角的仿真测量结果，如表1所示。
[0082] 表1不同入射角的实际值θ0′和仿真测量值θ0
[0083]
[0084] 利用表1的仿真实验数据，最终可以得到测量值的最大相对误差小于0.23％，可以看出该方法的测量精度是非常高的。同时，分析数据还可以看出，环境带来的系统误差和读数误差在仿真中是可以忽略的，仿真实验中的误差主要来自于快速傅里叶变换(FFT)后的精度误差和计算过程中的舍入误差。
