[发明专利]一种双光梳精密测角方法及测角系统

说明书

本发明涉及一种双光梳精密测角方法及测角系统，其特征在于包括以下内容：设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳；第一光频梳发出的光脉冲分成两束分别经由设置在测量臂和参考臂的基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号进行处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度。本发明可以广泛应用于空间姿态的高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种光学测角方法及测角系统，特别是关于一种双光梳精密测角方法及测角系统。

背景技术

基于光学方法的高精度姿态角测量在先进制造领域有重要的应用。常见的光学测角方法包括自准直法以及光学干涉法。自准法测角是基于无源的反射镜作为测头，根据返回光斑的位置测量角度，特点是精度高，但是测量范围较小，且自准直光学系统存在光线切割，在不同测量距离需要重复标定，适应性较差。光学干涉法也可基于无源测头，将测头的转角转换成两路光程差的变化。其特点是精度高，但是测头复杂，抗干扰能力有限，测角范围也比较小。目前发展较快的光学测角方法还有圆光栅测角法。圆光栅在角度测量中的应用非常广泛，在整周任意角度的测量中也达到了极高的准确度。但是该方法是一种“植入式”测量，需要将光栅与转台的对心同轴安装，且对安装准确度要求很高。该方法无法基于无源测头，实现远程姿态角测量。综上所述，现有技术缺乏一种基于无源测头的高精度、大量程姿态角测量方法。

随着激光技术的发展，本世纪初诞生了一种新型激光—光频梳。光频梳是指将飞秒脉冲激光器的重复频率(f_rep，简称重频)和相位偏移频率(f_ceo)与频率基准源锁定后的装置，它发出的激光在时域上由一系列等间隔的超短激光脉冲(脉宽为若干飞秒)组成，对应频域上存在一系列等间隔的离散光谱线，相邻光谱线的频率间隔等于飞秒激光器的重频，这些光谱线覆盖的光谱范围为数十纳米。光频梳的诞生对于测距技术的发展具有极大的推动作用，但是在测角方面应用很少。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量精度高且测量范围大的双光梳精密测角方法及测角系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双光梳精密测角方法，其特征在于包括以下内容：设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳；第一光频梳发出的光脉冲分成两束分别经由设置在测量臂和参考臂的基于光栅的空间姿态无源测头衍射返回合成一束光；合成的此束光与第二光频梳发出的光脉冲发生干涉得到多外差干涉信号，将多外差干涉信号进行处理得到第一光频梳经测量臂返回光脉冲的光谱相位信息，解算出设置在测量臂的基于光栅的空间姿态无源测头的姿态角度。

进一步地，姿态角度为俯仰角和/或偏摆角。

进一步地，俯仰角或偏摆角为：

mR+S；

其中，m＝[A/R]；

R＝2πF；

式中，“[]”表示取整运算，A为粗测绝对值，F为放大因子，S为多外差干涉光谱范围内单个谱线相位值进行非模糊角度范围内的小角度。

进一步地，所述基于光栅的空间姿态无源测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接；入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。