【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法及裝置，屬于光電測量。
技術(shù)介紹
1、物質(zhì)處于永恒的運(yùn)動之中，因而，運(yùn)動參數(shù)的測量是人類社會生產(chǎn)實(shí)踐活動中的基本需求之一，通常，其涉及速度、位移、加速度三個運(yùn)動參量的測量，三者均屬于運(yùn)動參量的表征方式。它們之間既有區(qū)別，又有聯(lián)系，位移量屬于速度量的積分，加速度量則是速度量的微分。有了其中之一，就可以通過計算和初始條件限定，獲得另外兩者。
2、角運(yùn)動中，也存在相同的狀況，包括轉(zhuǎn)動、擺動、扭動、進(jìn)動、角振動等多種不同的運(yùn)動形式，抽象出角速度(轉(zhuǎn)速)、角位移、角加速度等量值參數(shù)，廣泛存在于各類實(shí)用系統(tǒng)中。例如：(1)導(dǎo)彈、飛行器、潛艇的慣導(dǎo)系統(tǒng)；(2)各類電機(jī)、發(fā)動機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬態(tài)轉(zhuǎn)動量測量；包括機(jī)械起停時的角速度和角加速度隨時間的變化，以及在機(jī)械穩(wěn)定轉(zhuǎn)動時測量轉(zhuǎn)動量的脈動情況；(3)其它角運(yùn)動測試需求；包括飛機(jī)在飛行過程中，用于飛行器姿態(tài)控制的各種舵面的角位置的實(shí)時測量。彈射救生中測試模擬人體運(yùn)動的角加速度；機(jī)器人用于感知其運(yùn)動狀況的角加速度、角速度；航天生物醫(yī)學(xué)研究需要的宇航員對角加速度、角速度的反應(yīng)情況等。
3、激光干涉測量轉(zhuǎn)速，目前主要使用兩種方法：1)雙測振儀法；兩個激光測振儀通過距離已知的平行光束方式對轉(zhuǎn)動物體不同點(diǎn)間的振動獨(dú)立測量，換算出待測物體的轉(zhuǎn)速；2)光柵差動式激光測角儀法；通過在被測旋轉(zhuǎn)物體上刻制光柵，以光軸中心精確地通過轉(zhuǎn)軸中心的雙光束差動測量方式獲得被測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果。
4、其中，雙測振儀法成本高昂，且只適合周期性角運(yùn)動測量，
5、(1)能夠測量的角振動幅值很小，通常不超過±5°；
6、(2)雖然轉(zhuǎn)軸半徑可以精確計量，但如何使光軸中心精確地通過轉(zhuǎn)軸中心一直是個難題，這必將帶來測量誤差，而對于現(xiàn)場角振動測量來說，轉(zhuǎn)動半徑往往無法精確獲得；
7、(3)需要在被測目標(biāo)表面上安裝光柵，光柵屬于精密元件，不耐臟，易受腐蝕，不能觸摸，環(huán)境適應(yīng)能力差，出現(xiàn)損傷后無法修復(fù)，又帶來附加質(zhì)量，破壞被測表面，因此光柵的使用不僅帶來了附加的測量不確定度，限制了測量角度范圍，而且也大大限制了激光干涉角運(yùn)動測量系統(tǒng)的應(yīng)用場合。
8、另外，目前大多數(shù)角運(yùn)動激光測量儀器設(shè)備的測量鏡頭間距均不是很大，在對于大口徑角運(yùn)動測量時，存在使用不變、準(zhǔn)確度受影響等問題。
9、因此，角運(yùn)動測量成為運(yùn)動測量中的一個難點(diǎn)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對角運(yùn)動速度(即轉(zhuǎn)速、角速度)測量中存在的問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法及裝置，使用同一波長的單色激光經(jīng)過聲光調(diào)制器后輸出的兩束存在頻率差異的衍射激光平行照射旋轉(zhuǎn)被測對象，利用旋轉(zhuǎn)體對兩束衍射激光產(chǎn)生的多普勒頻移符號相反的特征，從反射回來的兩束含有旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的多普勒頻移的激光的拍頻中，提取多普勒頻移并最終計算獲得旋轉(zhuǎn)被測對象的角速度量值。本專利技術(shù)針對大口徑測量對象轉(zhuǎn)速測量難點(diǎn)，使用間距能夠調(diào)整的雙鏡頭測量方法，能夠適用于任何口徑轉(zhuǎn)動對象的角速度測量。
2、本專利技術(shù)的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
3、本專利技術(shù)公開的一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量裝置，包括激光器、偏振分光鏡、λ/2波片、聲光調(diào)制器、第一透鏡、第二透鏡、正弦信號源、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子計算機(jī)、旋轉(zhuǎn)被測對象。聲光調(diào)制器出來的衍射光a穿過第一透鏡的焦距，經(jīng)過第一透鏡后轉(zhuǎn)成平行于第一透鏡光軸的平行光線，該平行于第一透鏡光軸的平行光線與經(jīng)過第二透鏡的測量光b平行；聲光調(diào)制器出來的衍射光b穿過第二透鏡的焦距，經(jīng)過第二透鏡后轉(zhuǎn)成平行于第二透鏡光軸的平行光線，該平行于第二透鏡光軸的平行光線與經(jīng)過第一透鏡的測量光a平行；測量光a與測量光b兩束平行測量光的間距為d。
4、本專利技術(shù)公開的一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法，基于所述一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量裝置實(shí)現(xiàn)。本專利技術(shù)公開的一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法包括如下步驟：
5、步驟一：頻率分別為fa、fb的測量光a、測量光b兩束測量激光互相平行，兩光束光軸之間的距離為d，分別入射到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角速度為ω，旋轉(zhuǎn)軸心為o。測量光a的波長為λa、測量光b的波長為λb。
6、光束a照射點(diǎn)a處的旋轉(zhuǎn)線速度為vta，旋轉(zhuǎn)半徑oa為ra，在光束a方向的線速度分量為va；線速度vta與光束a光軸之間的夾角為α；線速度vta的方向與oa垂直。
7、光束b照射點(diǎn)b處的旋轉(zhuǎn)線速度為vtb，旋轉(zhuǎn)半徑ob為rb，在光束b方向的線速度分量為vb；線速度vtb與光束b光軸之間的夾角β；線速度vtb的方向與ob垂直。
8、則測量光a、測量光b滿足如式(1)(2)所述關(guān)系式：
9、va＝vta?cosα＝ωra?cosα??????????(1)
10、vb＝vtb?cosβ＝ωrb?cosβ??????????(2)
11、由于實(shí)際激光頻率在幾百特赫茲以上，而相比之下，兩束同源激光a、b之間的頻率差值fa-fb在幾百兆赫茲以下，兩束同源激光a、b之間的頻率差值fa-fb相對實(shí)際激光頻率簡化為能夠忽略的小量，則測量光a的波長λa、測量光b的波長λb和激光器產(chǎn)生的波長λ近似相等：
12、λa≈λb≈λ(3)
13、定義兩束激光a和激光b測量所獲得的線速度分別為va和vb，其對應(yīng)的多普勒頻移分別為fda和fdb。根據(jù)多普勒原理有
14、fda＝2va/λa＝2(ωra?cosα)/λa
15、≈2va/λ＝2(ωra?c?o?sα)/λ?????????(4)
16、fdb＝2vb/λb＝2(ωrb?cosβ)/λb
17、≈2vb/λ＝2(ωrb?cosβ)/λ?????????(5)根據(jù)幾何關(guān)系得
18、d＝ra?cosα+rb?cosβ???????????(6)
19、激光a包含多普勒頻移的反射光頻率fad為
20、fad＝fa-fda?????????????(7)
21、激光b包含多普勒頻移的反射光頻率fbd為
22、fbd＝fb+fdb?????????????(8)
23、由激光a的反射光頻fad和激光b的反射光頻fad和進(jìn)行合束拍頻得拍頻頻率fp
24、fp＝fad-fbd＝(fa-fb)-(fda+fdb)＝(fa-fb)-fd????(9)
25、其中，fa-fb為已知的入射激光a與入射激光b的頻率差，fd為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的多普勒頻移測量值，當(dāng)其值為負(fù)時表示為順時針旋轉(zhuǎn)，其值為正時表示為逆時針旋轉(zhuǎn)。
26、根據(jù)式(1)～(9)得出
27、fd＝(fa-fb)-fp＝-(fda+fdb)＝-2dω/λ?????????(10)
28、即
29、
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1.一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于：包括激光器、偏振分光鏡、λ/2波片、聲光調(diào)制器、第一透鏡、第二透鏡、正弦信號源、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子計算機(jī)、旋轉(zhuǎn)被測對象；聲光調(diào)制器出來的衍射光A穿過第一透鏡的焦距，經(jīng)過第一透鏡后轉(zhuǎn)成平行于第一透鏡光軸的平行光線，該平行于第一透鏡光軸的平行光線與經(jīng)過第二透鏡的測量光B平行；聲光調(diào)制器出來的衍射光B穿過第二透鏡的焦距，經(jīng)過第二透鏡后轉(zhuǎn)成平行于第二透鏡光軸的平行光線，該平行于第二透鏡光軸的平行光線與經(jīng)過第一透鏡的測量光A平行；測量光A與測量光B兩束平行測量光的間距為d。
2.一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法，基于如權(quán)利要求1所述的一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于：包括如下步驟，
3.如權(quán)利要求2所述的一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法，其特征在于：僅用一個聲光調(diào)制器件，利用光路可逆性原理同時完成移頻、分光、合束干涉三個核心功能；使用聲光調(diào)制器將單波長激光轉(zhuǎn)變成兩束不同頻率的相干測量激光，并以原路返回方式用聲光調(diào)制器形成合束差分拍頻，最終提取出含有轉(zhuǎn)動角速度信息的激光多普勒頻率，經(jīng)計算獲得角速度瞬時值。
<...【技術(shù)特征摘要】
1.一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于：包括激光器、偏振分光鏡、λ/2波片、聲光調(diào)制器、第一透鏡、第二透鏡、正弦信號源、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子計算機(jī)、旋轉(zhuǎn)被測對象；聲光調(diào)制器出來的衍射光a穿過第一透鏡的焦距，經(jīng)過第一透鏡后轉(zhuǎn)成平行于第一透鏡光軸的平行光線，該平行于第一透鏡光軸的平行光線與經(jīng)過第二透鏡的測量光b平行；聲光調(diào)制器出來的衍射光b穿過第二透鏡的焦距，經(jīng)過第二透鏡后轉(zhuǎn)成平行于第二透鏡光軸的平行光線，該平行于第二透鏡光軸的平行光線與經(jīng)過第一透鏡的測量光a平行；測量光a與測量光b兩束平行測量光的間距為d。
2.一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量方法，基于如權(quán)利要求1所述的一種大口徑激光轉(zhuǎn)速測量裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于：包括如下步驟，
<...【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁志國，武騰飛，耿書雅，
申請(專利權(quán))人：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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