一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光束傳輸領(lǐng)域，涉及一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方法，包括步驟：S1，分別將兩個(gè)分束鏡、兩個(gè)光敏傳感器PSD設(shè)置在測(cè)量位置上，所述兩個(gè)分束鏡水平、等高設(shè)置，在激光方向無(wú)偏狀態(tài)下，激光光束與分束鏡面成45°，且激光經(jīng)過(guò)兩個(gè)分束鏡的反射后分別垂直射入兩個(gè)光敏傳感器PSD屏幕的中心位置；S2：測(cè)量無(wú)偏激光光束與兩個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的距離，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)分束鏡的間距；S3：使待測(cè)激光光束沿水平方向射向兩個(gè)分束鏡；S4：讀取兩個(gè)PSD屏幕上的激光光斑坐標(biāo)值；S5：計(jì)算得出激光光束偏轉(zhuǎn)角θ的正切值，求得到光束偏轉(zhuǎn)角θ。本發(fā)明得到的光束偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為可直接用于系統(tǒng)控制的參量，測(cè)量方法簡(jiǎn)便，精度較高。
【專利說(shuō)明】
-種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光束傳輸領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光光束具有光束方向性好的重要特點(diǎn)，常應(yīng)用于高能激光器、激光通訊等高精 度光學(xué)系統(tǒng)中。但是，由于溫度變化、平臺(tái)振動(dòng)、激光器指向漂移等原因，激光光束方向容易 發(fā)生改變，如光束抖動(dòng)、光束漂移，導(dǎo)致較大指向誤差的產(chǎn)生。激光光束的方向是否發(fā)生偏 轉(zhuǎn)，指向精度是否達(dá)到要求，運(yùn)需要依靠精確的測(cè)量做出決定。因此，需要研究一種測(cè)量精 度高、簡(jiǎn)單可靠的光束偏轉(zhuǎn)測(cè)量方法。
[0003] 目前廣泛應(yīng)用的光敏傳感器(PhotoelechicSensitive Detector，W下簡(jiǎn)稱PSD) 的敏感屏幕大多是一個(gè)二維面，使用運(yùn)類PSD必須解決兩個(gè)問(wèn)題：（1)如何將面內(nèi)測(cè)得的光 斑偏差量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的控制參量，即光束偏轉(zhuǎn)角；（2)如何在空間定位PSD的光敏面位置?，F(xiàn) 有方法大多先連續(xù)采集大量圖像，并計(jì)算相應(yīng)光斑中屯、坐標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后根 據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算激光光束的抖動(dòng)或漂移角偏差，數(shù)據(jù)龐大、計(jì)算有延遲，且沒有考慮PSD光 敏面的定位問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方 法。具體技術(shù)方案包括W下步驟：
[0005] S1:分別將兩個(gè)分束鏡、兩個(gè)光敏傳感器PSD設(shè)置在測(cè)量位置上，所述兩個(gè)分束鏡 水平、等高設(shè)置，在激光方向無(wú)偏狀態(tài)下，激光光束與分束鏡面成45°，且滿足激光經(jīng)過(guò)兩個(gè) 分束鏡的反射后分別垂直射入兩個(gè)光敏傳感器PSD屏幕的中屯、位置；
[0006] S2:測(cè)量無(wú)偏激光光束與兩個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的距離，并測(cè)量?jī)蓚€(gè) 分束鏡在無(wú)偏激光光束線路上的間距；
[0007] S3:使待測(cè)激光光束沿水平方向射向兩個(gè)分束鏡；
[000引 S4:讀取兩個(gè)PSD屏幕上的激光光斑坐標(biāo)值；
[0009] S5:根據(jù)下式計(jì)算得出激光光束偏轉(zhuǎn)角Θ的正切值，
[0010]
[00川其中對(duì)、71分別為激光光斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，X2、y2分別為激光光斑在 第二個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，hi、h2分別為無(wú)偏光束與兩個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的 距離，L為兩個(gè)分束鏡在激光光束線路上之間的間距;根據(jù)正切值tan0，求解得到光束偏轉(zhuǎn) 角9，即為測(cè)量得到的光束偏差量。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟S5中獲得的光束偏轉(zhuǎn)角Θ記為某一時(shí)刻0的光束偏轉(zhuǎn)角θ〇,并 記e〇在水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)的分量表示為α〇，β〇，良I
[0013] 記任意時(shí)刻k的光束偏轉(zhuǎn)角0k為名義光束偏轉(zhuǎn)角，將0k轉(zhuǎn)為與時(shí)刻0的光束偏轉(zhuǎn)角 9〇關(guān)系為
'其中ak，0k為0k水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)的分 量，xi,o，yi,o表示時(shí)刻0時(shí)激光光斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，xi,k，yi,k表示時(shí)刻k時(shí)激光 光斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，進(jìn)一步，得到
，進(jìn)而得到名義 光束偏轉(zhuǎn)角。實(shí)際操作中可將名義光束偏轉(zhuǎn)角直接用作控制系統(tǒng)的參量。
[0014] 采用本發(fā)明的有益效果:利用現(xiàn)有應(yīng)用最普遍的光敏傳感器PSD和分束鏡，根據(jù)本 發(fā)明方法能夠?qū)馐D(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，并提供了一種光束指向控制實(shí)際操作中可直接用作 控制參量的名義光束偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量計(jì)算方法，并給出了實(shí)驗(yàn)操作中如何安裝PSD和分束鏡 的位置，W降低測(cè)量誤差。本發(fā)明計(jì)算得到的光束偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為可直接用于系統(tǒng)控制的參 量，即名義光束偏轉(zhuǎn)角，測(cè)量方法簡(jiǎn)便，精度較高。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明方法流程圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明中相關(guān)儀器安裝布局示意圖；
[0017] 圖3是光束偏轉(zhuǎn)角Θ的空間分解圖；
[0018] 圖4是理想條件下光束偏轉(zhuǎn)角計(jì)算幾何關(guān)系圖；
[0019] 圖5是PSD安裝有誤差時(shí)讀數(shù)光束偏轉(zhuǎn)角計(jì)算幾何關(guān)系圖；
[0020] 圖6是分束鏡安裝有誤差時(shí)讀數(shù)光束偏轉(zhuǎn)角計(jì)算幾何關(guān)系圖；
[0021] 圖7是10化激勵(lì)情況下主動(dòng)光學(xué)調(diào)整架控制效果曲線及其總位移局部放大圖。
[0022] 圖8是50化激勵(lì)情況下主動(dòng)光學(xué)調(diào)整架控制效果曲線及其總位移局部放大圖。
[0023] 圖9是150Hz激勵(lì)情況下主動(dòng)光學(xué)調(diào)整架控制效果曲線及其總位移局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025] W主動(dòng)光學(xué)調(diào)整架光束指向控制實(shí)驗(yàn)為依托，具體描述基于雙光敏傳感器的光束 偏差測(cè)量方法，下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】【具體實(shí)施方式】。實(shí)施例中，設(shè)置一個(gè)激光發(fā)射器，無(wú)偏狀 態(tài)下激光發(fā)射器平行于地面放置，即發(fā)出的激光方向平行于地面，坐標(biāo)原點(diǎn)0為激光發(fā)生器 的激光發(fā)射出口，坐標(biāo)軸Y平行于地面且指向激光發(fā)射方向，坐標(biāo)軸Z垂直地面且正向?yàn)樨Q 直向上，坐標(biāo)軸X與坐標(biāo)軸Y、Z成右手系。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明方法流程圖，具體步驟如下。
[0027] S1:分別將兩個(gè)分束鏡、兩個(gè)光敏傳感器PSD設(shè)置在測(cè)量位置上，所述兩個(gè)分束鏡 水平、等高設(shè)置;如圖2所示，實(shí)施例中兩個(gè)分束鏡(分束鏡1與分束鏡2)與無(wú)偏狀態(tài)激光方 向成45°角并垂直地面放置，兩個(gè)分束鏡之間彼此平行，兩個(gè)PSD(PSD1與PSD2)的光學(xué)敏感 屏幕均垂直地面放置且平行于激光方向，光學(xué)敏感屏幕平均分為四個(gè)象限，其中屏幕的幾 何中屯、為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸正向，豎直向上為y軸正向，激光方向無(wú)偏狀態(tài)下激光發(fā) 射器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)兩個(gè)分束鏡的反射后分別垂直射入兩個(gè)PSD光學(xué)敏感屏幕的中 屯、，在本主動(dòng)光學(xué)調(diào)整架光束指向控制實(shí)驗(yàn)中，PSD采用的是THORLABS的PDP90A，為2D橫向 效應(yīng)位置傳感器，光敏屏幕尺寸為9mm X 9mm，敏感波長(zhǎng)范圍為320nm到1 lOOnm，位置分辨率 為錯(cuò)誤!未找到引用源。。
[0028] S2:測(cè)量無(wú)偏激光光束與兩個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的距離，并測(cè)量?jī)蓚€(gè) 分束鏡在激光光束線路上之間的間距;如圖4所示，hi = 0.7m、h2 = 0.7m分別為無(wú)偏光束與兩 個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的距離，L = 0.7m為兩個(gè)分束鏡之間的間距，J=10m為光 束偏轉(zhuǎn)點(diǎn)距離第一個(gè)分束鏡的距離，運(yùn)里的光束偏轉(zhuǎn)點(diǎn)為被控光學(xué)調(diào)整架上普通光學(xué)鏡面 的激光反射點(diǎn)。
[0029] S3:使待測(cè)激光光束沿水平方向射向兩個(gè)分束鏡；
[0030] S4:讀取兩個(gè)PSD屏幕上的激光光斑坐標(biāo)值;依據(jù)激光光斑在兩個(gè)PSD屏幕上水平 方向和豎直方向的偏移量，即在兩個(gè)PSD屏幕的坐標(biāo)值，
[0031 ] S5:計(jì)算得出激光光束偏轉(zhuǎn)角Θ的正切值，如圖3所示，光束偏轉(zhuǎn)角Θ在水平面內(nèi)的 分量α和豎直面內(nèi)的分量β;根據(jù)圖4中所示關(guān)系，在Ξ角形ABC內(nèi)由Ξ角關(guān)系計(jì)算獲得，則激 光光束在X0Y平面上的投影與Y軸正向夾角α表示為，
[0032]
[0033] 根據(jù)圖中關(guān)系也可由下式進(jìn)行求解
[0034]
[0035] 同理，激光光束在Υ0Ζ平面上的投影與Υ軸正向夾角β可W表示為，
[0036]
[0037] 同樣也可由下式進(jìn)行求佑
[0038] 光束偏轉(zhuǎn)角目的正切值為，
[0039]
[0040] W上角度值均W逆時(shí)針為正。
[0041] 在實(shí)際操作中，手動(dòng)測(cè)量距離參數(shù)過(guò)程可能出現(xiàn)的較大誤差可通過(guò)引入名義光束 偏轉(zhuǎn)角9k進(jìn)行修正，通常是通過(guò)計(jì)算某一時(shí)刻0的光束偏轉(zhuǎn)角在水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)的分 量為α〇，β〇:
[0045] 之后任意時(shí)刻k的光束偏轉(zhuǎn)角在水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)的分量表示為，
[0046]
[0047]貝化時(shí)刻的光束偏轉(zhuǎn)角，因其基于某一初始時(shí)刻0的測(cè)量值得到的一個(gè)相對(duì)的值， 也即最終得到的名義光束偏轉(zhuǎn)角為，
[004引
[0049] 此時(shí)測(cè)量得到的名義光束偏轉(zhuǎn)角0k可能會(huì)由于hi, J的測(cè)量存在偏差而與真實(shí)光束 偏轉(zhuǎn)角4存在偏差，但是二者之間的比例總是恒定的，即：
[0050] Θ扣二 const 是
[0051] 式中，const為一個(gè)常數(shù)，故利用名義光束偏轉(zhuǎn)角不影響控制的精度，名義光束偏 轉(zhuǎn)角可作為最終的控制參數(shù)。
[0052] 在實(shí)際安裝PSD和分束鏡的過(guò)程中，安裝誤差會(huì)直接影響到偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度，具 體原理為：
[0053] 如圖5所示，為減小PSD安裝誤差帶來(lái)的影響，優(yōu)化PSD的安裝位置、安裝角度，在 PSD光敏屏幕有傾斜的情況下，不同時(shí)刻的光束偏轉(zhuǎn)角正切值與PSD讀數(shù)不再為簡(jiǎn)單的比例 關(guān)系，而是與各光學(xué)原件擺放位置參數(shù)有關(guān)，如下公式所示，
[0化4]
[0化5]
[0056 ] 式中，腳標(biāo)i , j分別表不i時(shí)刻和j時(shí)刻P SD測(cè)量參數(shù)，X1, i，y 1, i表不時(shí)刻i時(shí)激光光 斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，X2,i，y2,i表示時(shí)刻i時(shí)激光光斑在第二個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo) 值，δι，δ2分別為第一個(gè)PSD和第二個(gè)PSD的光學(xué)敏感屏幕安裝誤差角，W逆時(shí)針方向?yàn)檎?，?增大距離hi和J，減小安裝誤差角δι，δ2,有利于減小誤差，即盡可能增大光束偏轉(zhuǎn)點(diǎn)與PSD之 間的光程并使得光束盡可能的垂直入射PSD屏幕，有利于提高測(cè)量精度。
[0057]如圖6所示，為減小分束鏡安裝誤差帶來(lái)的影響，優(yōu)化分束鏡的安裝位置、安裝角 度，當(dāng)分束鏡的安裝存在誤差時(shí)，由于反射光束與PSD屏幕夾角發(fā)生變化，不同時(shí)刻的光束 偏轉(zhuǎn)角正切值與PSD讀數(shù)不再為簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，而是與各光學(xué)原件擺放位置參數(shù)有關(guān)，如 下公式所示，
[0060] 式中，腳標(biāo)i,j分別為i時(shí)刻和j時(shí)刻PSD測(cè)量參數(shù)，丫 1, 丫2分別為第一個(gè)分束鏡和 第二個(gè)分束鏡的安裝誤差角，W逆時(shí)針方向?yàn)檎?，故增大距離hi和J，減小安裝誤差角丫，有 利于減小誤差，即盡可能增大光束偏轉(zhuǎn)點(diǎn)與PSD之間的光程并使得光束盡可能的垂直入射 PSD屏幕，有利于提高測(cè)量精度。
[0061 ]對(duì)被控光學(xué)調(diào)整架在幅值相同的簡(jiǎn)諧激勵(lì)10化，50Hz，150ΗζΞ個(gè)頻點(diǎn)上的控制效 果曲線及其總位移局部放大圖分別如圖7至圖9所示。由圖可觀察到，該系統(tǒng)在不同工況下 控制實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)幅值均不超過(guò)化rad,所W通過(guò)本發(fā)明計(jì)算得到的名義光束偏轉(zhuǎn)角去作為 系統(tǒng)的控制輸入的動(dòng)態(tài)角度控制，維持測(cè)量角度在真值附近一定的精度內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明光束 指向的控制精度能夠達(dá)到微弧度量級(jí)，驗(yàn)證了基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方法的有 效性和測(cè)量結(jié)果的高精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟： S1:分別將兩個(gè)分束鏡、兩個(gè)光敏傳感器PSD設(shè)置在測(cè)量位置上，所述兩個(gè)分束鏡水平、 等高設(shè)置，在激光方向無(wú)偏狀態(tài)下，激光光束與分束鏡面成45°，且滿足激光經(jīng)過(guò)兩個(gè)分束 鏡的反射后分別垂直射入兩個(gè)光敏傳感器PSD屏幕的中心位置； S2:測(cè)量無(wú)偏激光光束與兩個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的距離，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)分束 鏡在無(wú)偏激光光束線路上的間距； S3:使待測(cè)激光光束沿水平方向射向兩個(gè)分束鏡； S4:讀取兩個(gè)PSD屏幕上的激光光斑坐標(biāo)值； S5:根據(jù)下式計(jì)算得出激光光束偏轉(zhuǎn)角Θ的正切值，其中XI、yi分別為激光光斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，X2、y2分別為激光光斑在第二 個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，分別為無(wú)偏光束與兩個(gè)分束鏡的交點(diǎn)距離兩個(gè)PSD屏幕的距 離，L為兩個(gè)分束鏡在激光光束線路上的間距;根據(jù)正切值tan0，求解得到光束偏轉(zhuǎn)角Θ，即 為測(cè)量得到的光束偏差量。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測(cè)量方法，其特征在于:所述 步驟S5中獲得的光束偏轉(zhuǎn)角Θ記為某一時(shí)刻〇的光束偏轉(zhuǎn)角θ〇,并記θ〇在水平面內(nèi)和豎直面 內(nèi)的分量表不SaQ，0〇，記任意時(shí)刻k的光束偏轉(zhuǎn)角0k為名義光束偏轉(zhuǎn)角，將0k轉(zhuǎn)為與時(shí)刻〇的光束偏轉(zhuǎn)角θ〇關(guān) 系為：，其中ak，0k為平面內(nèi)和豎直面內(nèi)的分量， 11,〇，丫1,()表不時(shí)刻〇時(shí)激光光斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，XI, k，yi,k表不時(shí)刻k時(shí)激光光 斑在第一個(gè)PSD屏幕上的坐標(biāo)值，進(jìn)一步，，進(jìn)而得到名義光 束偏轉(zhuǎn)角。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK105823441SQ201610227175
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】馮世鵬, 李東旭, 周易, 劉望, 羅青, 蔣建平
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)