[发明专利]基于光谱辨析技术的自准直绝对测角方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于光谱辨析技术的自准直绝对测角方法及系统，该方法包括：光频梳将含有多个纵模的光脉冲发射到光纤环形器；经光纤环形器导入的光脉冲经光纤准直镜发射到光栅，通过所述光栅衍射后产生一组具有不同衍射角的一阶衍射光束；当光栅法线与入射光束的夹角改变时，具有一定光谱宽度的入射光束通过光栅衍射后部分纵模分量能够重新耦合进入光纤准直镜并发射到光纤环形器；通过对光纤环形器导出的光梳光谱分量的辨析实现光栅法线与入射光束之间的夹角测量。本发明将光栅对衍射光束光谱的操控与光频梳的频域特性有机结合，将角度变化转换为光频梳光谱成分变化，通过对光谱幅频特性的辨析，完成入射光束与光栅法线夹角的绝对测量。

技术领域

本发明是关于一种基于光谱辨析技术的自准直绝对测角方法及系统，涉及光学精密计量领域。

背景技术

角度测量在精密制造加工、卫星天线测量、合成孔径光学系统装配等领域有着广泛的应用。为满足高性能角度测量需求，现已经发展了自准直测角、差分波前传感以及多目标激光干涉等光学非接触式角度测量方法。

自准直测角法因其具有较高的准确度和测量分辨力，通常作为商用的标准方法来衡量其它测角方法的准确性，但是由于物镜孔径的限制，其角度测量范围通常只能达到数百角秒。差分波前传感法只能在较小的旋转范围内检测到有效的干涉信号。多目标激光干涉法需要在被测物体上安装多个目标靶镜，增大了系统的复杂度。此外，传统光学干涉的测量方法还受到相位模糊的影响，只能实现增量式测量，不能断光续接，这对于很多应用是极为不便的。

现有技术中自准直仪在装配过程中会引起激光源和自准直单元对准误差，因此也不能实现完全意义上的绝对测量，即测量被测镜法线与入射光束之间的夹角，而是只能测量一定范围的角度变化量，使得上述方法已经被排除在测量拼接镜片的表面方向、测量运动物体的绝对姿态以及精密制造与加工过程中系统重新启动后的复位测量等应用之外。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现大范围、动态、高精度的基于光谱辨析技术的自准直绝对测角方法及系统。

第一方面，本发明提供的基于光谱辨析技术的自准直绝对测角方法，该方法包括：

光频梳将含有多个纵模的光脉冲发射到光纤环形器；

经光纤环形器导入的光脉冲经光纤准直镜发射到光栅，通过所述光栅衍射后产生一组具有不同衍射角的一阶衍射光束；

当光栅法线与入射光束的夹角改变时，具有一定光谱宽度的入射光束通过光栅衍射后部分纵模分量能够重新耦合进入光纤准直镜并发射到光纤环形器；

通过对光纤环形器导出的光梳光谱分量的辨析获得耦合光束光谱的中心频率，进而实现光栅法线与入射光束之间的夹角测量。

进一步地，光栅法线与光纤准直镜的出光方向即入射光束方向具有初始夹角。

进一步地，耦合光束的光谱分布是以中心频率f_c近似对称分布，光频梳光谱范围纵模对应的正一级衍射角β_i恰好与入射角α相等，此时该纵模对应的衍射光束近似平行入射光束方向原路返回。

进一步地，通过耦合光束光谱的中心频率进而得到光栅法线与入射光束之间的夹角：

式中，α为光栅法线与入射光束之间的夹角，c为光速，g为光栅周期，f_c为中心光频。

进一步地，光栅采用反射式光栅。

第二方面，本发明还提供一种自准直绝对测角系统，该系统包括：

单光梳，用于发射含有多个纵模的光脉冲；

光纤环形器，用于导入或导出光信号；