專利名稱：偏振光強相位檢測法測量姿態(tài)角的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量運動物體水平姿態(tài)角度的裝置，特別是連續(xù)實時精確測量可在小區(qū)域運動的既無剛性支撐點、又無固定轉(zhuǎn)軸的自由物體水平姿態(tài)角度的裝置。
目前常用的測量自由運動物體姿態(tài)角度的方法主要是利用陀螺姿態(tài)測量儀。由于陀螺儀長時間連續(xù)工作會產(chǎn)生較大漂移，為保證連續(xù)可靠地工作，必須使用高精密度的結(jié)構(gòu)和部件并采取補償措施，通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，且體積較大，因此使用范圍受到很大限制。而在一些需長時間連續(xù)測量運動范圍較小的物體姿態(tài)角度的場合，如虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)顯示頭盔中，需要一種造價低、體積小的姿態(tài)測量裝置。目前已出現(xiàn)了測量自由運動物體俯仰角的傳感器和測量儀，因此尤其需要測量水平姿態(tài)角度的裝置。
本發(fā)明的任務(wù)就是提供一種能夠連續(xù)實時精確測量可在小區(qū)域自由運動物體的水平姿態(tài)角度的裝置，它既有較高的測量精度，同時造價低廉，適于在一般技術(shù)要求的場合普遍使用。
本發(fā)明的任務(wù)是這樣實現(xiàn)的把偏振輸出的激光器固定在被測量物體上，使光束的偏振面在水平方向上與被測量物體同步轉(zhuǎn)動，這樣激光束成為被測量物體與外部固定探測器之間傳遞旋轉(zhuǎn)運動的柔性連接體，通過檢測偏振光束的偏振方向間接測量物體的水平姿態(tài)角度。
本發(fā)明應(yīng)用偏振光強動態(tài)信號相位檢測方法實現(xiàn)對激光束偏振方向的檢測。它是使偏振光束垂直透過一個在水平方向上勻速轉(zhuǎn)動的檢偏器后，照射在光敏探測器上得到周期性變化的光強信號，當物體旋轉(zhuǎn)使光束偏振面轉(zhuǎn)動時，光強信號的相位發(fā)生相應(yīng)的變化，通過與固定相位的脈沖信號比較確定此變化量，即可得出偏振面的相應(yīng)轉(zhuǎn)動角度，也就是被測物體相對于指定方向的水平姿態(tài)角度。
以下將結(jié)合附圖對發(fā)明作進一步的詳細描述。


圖1是本發(fā)明一種結(jié)構(gòu)的組成示意圖。
圖2是本發(fā)明信號檢測及處理電路的信號輸出波形圖。
參照圖1，激光器(1)、準直擴束鏡(2)、起偏器(3)、光闌(4)、保護窗(5)組成的偏振光源(6)在水平方向上與被測量物體固定在一起，其光學(xué)軸線始終垂直于水平面。激光器(1)發(fā)射的光束經(jīng)過準直擴束鏡(2)、起偏器(3)、光闌(4)、保護窗(5)，以確定偏振方向成15度左右的小發(fā)散角向上射出。
檢偏器(7)、相位延遲器(8)、定位片(9)組成偏振檢測器(10)，在支架(11)內(nèi)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動周期為T0。偏振檢測器支架(11)、濾光器(14)、光敏探測器(15)固定于光源(6)上方0.5-1.0米處。偏振光束經(jīng)過檢偏器(7)、相位延遲器(8)、定位片(9)和濾光器(14)照射到光敏探測器(15)上。相位延遲器(8)的作用是把入射線偏振光轉(zhuǎn)換為圓形偏振光，以消除因光敏探測器(15)的偏振響應(yīng)特性造成的對偏振光強檢測的不均勻性，保證其探測輸出信號大小僅與入射光強有關(guān)，而不受入射光偏振方向的影響。定位片(9)上有兩個軸對稱的通光孔(12)，在通光孔(12)等半徑的圓周上下有一對光電發(fā)射和接收管(13)固定在支架(11)上，當偏振檢測器(10)轉(zhuǎn)動一圈，接收管受到發(fā)射管兩次光線照射，信號檢測和處理電路(16)就產(chǎn)生兩個固定相位的定位脈沖Vs。
在起偏器(2)的偏振方向的水平角度為指定水平零方位角時，調(diào)整檢偏器(7)偏振面方向相對于定位片(9)上通光孔(12)的固定位置，使定位脈沖信號Vs和光敏探測器(15)上接收到的偏振光強電壓信號Vp，在偏振檢測器(10)轉(zhuǎn)動一圈過程中，波形和相位關(guān)系分別如圖2(1)(2)所示，其中φ為偏振檢測器(10)的轉(zhuǎn)動相位角。在起偏器(2)的偏振方向隨物體在水平方向轉(zhuǎn)動一個角度θ后，Vs信號波形和相位未發(fā)生變化，而Vp信號如圖2(3)所示，即相對于圖2(2)產(chǎn)生了相位移動β，其過零點有間隔為T的時間滯后。由信號Vs、Vp的產(chǎn)生機理可知，在偏振檢測器(10)勻速轉(zhuǎn)動的情況下，起偏器(2)偏振面方位角的變化就等于偏振檢測器(10)在從定位脈沖Vs上升沿至Vp信號過零點這段時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，即T時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度。因此由信號檢測及處理電路(16)產(chǎn)生與Vp信號過零點同步的脈沖信號Vpp，如圖2(4)所示。令相鄰兩個定位脈沖Vs之間的時間間隔為Td，Vs定位脈沖與Vpp過零點脈沖的時間間隔為T，則θ/T＝π/Td實際檢測中，可由Vs定位脈沖和Vpp過零點脈沖分別控制信號檢測及處理電路(16)中單片機計數(shù)器開始和停止計數(shù)，得到在時間間隔T內(nèi)的計數(shù)值D1，同樣由兩個相鄰的Vs定位脈沖控制計數(shù)器得到時間間隔Td內(nèi)的計數(shù)值D2。則T/Td＝D1/D2θ＝π×T/Td＝π×D1/D2上式得出的轉(zhuǎn)動角度，即物體相對指定零方位的水平方位角。
激光器(1)采用10mW量級以上的半導(dǎo)體激光器，另外，為保證檢測精度，使用高消光比起偏器和檢偏器及高靈敏度、大動態(tài)范圍的光敏探測器，并采用單片機軟件數(shù)字濾波進行數(shù)據(jù)處理，以濾除錯誤數(shù)據(jù)。
本發(fā)明提供的裝置一般需同時使用俯仰角測量儀器，配合傾斜角控制機構(gòu)，保證在測量過程中光源(6)的光學(xué)軸線始終垂直于水平面，并共同組成完整的姿態(tài)角測量系統(tǒng)。另外，可使用移動跟蹤機構(gòu)驅(qū)動偏振檢測器支架(11)、濾光器(14)、光敏探測器(15)跟蹤光源(6)的運動，保證偏振光束始終照射在光敏探測器(15)上，則能允許被測物體在較大區(qū)域移動。
本發(fā)明提供的姿態(tài)測量系統(tǒng)能夠長時間連續(xù)可靠工作，且造價低廉，結(jié)構(gòu)便于小型化，因此可用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)顯示頭盔的姿態(tài)角度測量，不但能夠?qū)崿F(xiàn)完全自由狀態(tài)下的的模擬情景顯示，而且可使虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用易于推廣和普及。
權(quán)利要求
1.一個主要由激光器(1)、起偏器(3)、檢偏器(7)、光敏探測器(15)、定位片(9)和信號檢測及處理電路(16)組成的水平姿態(tài)角測量裝置，其特征是檢偏器(7)、延遲器(8)、定位片(9)組成偏振檢測器(10)在支架(11)內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動。
2.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是激光器(1)的光束經(jīng)過準直擴束鏡(2)、起偏器(3)、檢偏器(7)、相位延遲器(8)、濾光器(14)照射在光敏探測器(15)上，信號檢測及處理電路(16)得到周期性變化的光強信號。
3.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是在偏振檢測器(10)轉(zhuǎn)動時，信號檢測及處理電路(16)通過光電發(fā)射和接收管(13)得到固定相位的脈沖信號、
4.按權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是信號檢測及處理電路(16)確定起偏器(3)偏振面方向變化引起的光強信號相位變化量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可連續(xù)實時精確測量在小區(qū)域運動的自由物體水平姿態(tài)角度的裝置,它利用與被測量物體在水平方向上同步轉(zhuǎn)動的偏振光束作為被測量物體與外部固定探測器之間傳遞旋轉(zhuǎn)運動的柔性連接體,使光束透過在水平方向上勻速轉(zhuǎn)動的檢偏器得到周期性變化的光強信號,通過與固定相位的脈沖信號相比較,確定起偏器偏振面轉(zhuǎn)動后光強信號相位的變化量,據(jù)此得到起偏器偏振面的轉(zhuǎn)動角度,從而間接得出被測物體的水平姿態(tài)角度。
文檔編號G01C21/04GK1190734SQ9811010
公開日1998年8月19日 申請日期1998年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月13日
發(fā)明者孫杰, 劉志遠 申請人:劉志遠