[发明专利]基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述传感单元包括转盘和五角棱镜，所述五角棱镜的五个角中有一个为直角，五角棱镜水平放置于转盘上，且五角棱镜的两个直角边所在的侧面的相交线位于转盘的圆心处；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构，所述振动目标位于五角棱镜出射激光的光路上且振动面与该光路垂直，所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；

所述多纵模激光器出射激光光束到五角棱镜上，初始状态时，出射激光光束与五角棱镜一个直角边所在的侧面垂直；

所述分束器设于多纵模激光器与直角棱镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的转盘的转动角度。

2.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述多纵模激光器和分束器之间还设有光衰减器。

3.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述滑动装置包括滑轨及设于滑轨上的滑块，振动目标底部固定于滑块上；滑轨与出射激光处于同一直线上。

4.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述反射结构为反射平面镜或者反射膜。

5.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

6.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的五角棱镜型角度传感测量装置的角度测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束经传感单元入射到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的转盘转动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为转盘转动角度引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测量角度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感单元的折射率，其值为定值，L_s为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得转盘转动角度引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中为传感单元中外界光程随角度变化系数，L_s0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，n_s0为传感单元材料折射率；

利用补偿相位并结合传感单元材料折射率n_s0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度L_s0、传感单元中外界光程随角度变化系数进行计算，可得传感单元中转盘的转动角度。