[发明专利]空间角度测量系统及增大接收信号光束范围的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于偏振光测角系统技术领域，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。

背景技术

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D_e和D_o，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D_e、光电探测器D_o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[(I_e-I_o)/(I_e+I_o)]/2，式中，I_e、I_o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。

发明内容