[发明专利]一种三维角度测量方法及其装置

说明书

本发明公开了一种三维角度测量方法及其装置。激光器发出的光束经扩束准直镜、分束器后，一路传输至消光器，另一路传输至移动部件；移动部件为长角镜前设置半透半反镜或膜，光束一部分经反射后返回固定部件，进入第一探测器，另一部分光束进入长角镜的内部传输，经两次全反射面反射后，再传输到固定部件，进入第二探测器。固定部件作为测试时的基准，移动部件置于被测物体并随物体同步运动，采用对光斑位移的直接测量方法，再通过激光测距仪测量固定部件与移动部件之间的距离，经计算处理，可实现高频率、同时测量俯仰、翻滚、偏摆三维角度，适用于动态目标的测量和对振动目标的高速测量。测量装置不受透镜焦距限制，体积紧凑。

技术领域

本发明涉及一种三维角度测量方法及其装置，能同时高精度、高频率测量动态目标的三维角度改变量。

背景技术

在测量、测绘、轨迹追踪等应用中，需要检测动态物体的方位角度。由于多角度同时测量技术难度较大，目前，测量手段主要采用三种，一是采用强度变化信息，角度改变时，比如采用偏振调制，接收光能量改变；二是采用信息调制，比如利用动态测量光和静态参考光干涉，再对干涉条纹信息反演推算；三是采用光束反射原理，比如利用透镜聚焦反射的准直光，直接观察光斑改变。第一种采用强度信息的方法容易受到外界环境光干扰，且测量精度不高。第二种采用信息调制的方法，容易受到振动等环境因素干扰，环境适应能力差，且计算反演复杂，容易受到算法影响。第三种直接光斑移位测量，方法简单，利用宽光束和长焦距透镜可实现高精度测量，但采用了长焦距透镜就会使系统体积变大，且很难实现三维角度的同时测量。

发明内容

本发明针对现有同时多维测量技术存在的不足，提供一种能有效提高测量精度，且可实时监测动态目标的姿态角度变化的三维角度高频率测量方法及其装置。

实现本发明发明目的的技术方案是提供一种三维角度测量装置，它包括移动部件和固定部件；移动部件包括半透半反镜或膜和长角镜，半透半反镜设置在长角镜前，或在长角镜前表面镀半透半反膜；固定部件包括激光器、扩束准直镜、分束器和两个消光筒、两个滤光片、两个衰减片、两个探测器、激光测距仪及消光器，在固定部件的出光口和入光口分别对应设置第一滤光片和第二滤光片，激光测距仪安装在固定部件的中间；所述测量装置的结构为：激光器的光源发出的光束经扩束准直镜后，再经分束器分成两路传输，一路传输至消光器，另一路传输至移动部件；传输至移动部件的光束先依次经设置在固定部件的第一消光筒、第一滤光片后，再经设置在移动部件的半透半反镜或膜分成两部分，一部分经反射后返回固定部件，另一部分进入设置在移动部件的长角镜的内部传输；返回固定部件的反射光束依次经第一滤光片、第一消光筒、分束器和第一衰减片，进入第一探测器；在移动部件的长角镜内部设置两个45度角的全反射面，进入长角镜的内部传输的光束经两次全反射面反射后，再传输到固定部件；传输到固定部件的全反射光束依次经第二滤光片、第二消光筒和第二衰减片，进入第二探测器。

本发明所述的经扩束准直镜输出的光束直径为探测器面阵的直径或边长的一半。

所述的激光器为带有温控的半导体激光器模组。

所述的探测器为位置探测器PSD，四象限探测器QD，或 CCD、CMOS面阵器件。

本发明技术方案还包括一种三维角度测量方法，步骤如下：

（1）将三维角度测量装置的固件部件安装在多维移动台上，三维角度测量装置的移动部件固定在被测目标上；所述测量装置的结构为：固件部件的激光器光源发出的光束经扩束准直镜后，再经分束器分成两路传输，一路传输至消光器，另一路传输至移动部件；传输至移动部件的光束经半透半反镜或膜分成两部分，一部分光束经反射后返回固定部件，进入第一探测器形成光斑；另一部分光束入射进入长角镜内部，经两次全反射面反射后，出射光传输到固定部件，进入第二探测器形成光斑；

（2）粗调移动部件和固定部件的相对位置，使固定部件出光口出射的光束经移动部件的半反半透镜/膜反射后，反射光束返回至出光口；