专利名称：偏振光强相位检测法测量姿态角的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量运动物体水平姿态角度的装置，特别是连续实时精确测量可在小区域运动的既无刚性支撑点、又无固定转轴的自由物体水平姿态角度的装置。
目前常用的测量自由运动物体姿态角度的方法主要是利用陀螺姿态测量仪。由于陀螺仪长时间连续工作会产生较大漂移，为保证连续可靠地工作，必须使用高精密度的结构和部件并采取补偿措施，通常结构复杂、造价昂贵，且体积较大，因此使用范围受到很大限制。而在一些需长时间连续测量运动范围较小的物体姿态角度的场合，如虚拟现实系统显示头盔中，需要一种造价低、体积小的姿态测量装置。目前已出现了测量自由运动物体俯仰角的传感器和测量仪，因此尤其需要测量水平姿态角度的装置。
本发明的任务就是提供一种能够连续实时精确测量可在小区域自由运动物体的水平姿态角度的装置，它既有较高的测量精度，同时造价低廉，适于在一般技术要求的场合普遍使用。
本发明的任务是这样实现的把偏振输出的激光器固定在被测量物体上，使光束的偏振面在水平方向上与被测量物体同步转动，这样激光束成为被测量物体与外部固定探测器之间传递旋转运动的柔性连接体，通过检测偏振光束的偏振方向间接测量物体的水平姿态角度。
本发明应用偏振光强动态信号相位检测方法实现对激光束偏振方向的检测。它是使偏振光束垂直透过一个在水平方向上匀速转动的检偏器后，照射在光敏探测器上得到周期性变化的光强信号，当物体旋转使光束偏振面转动时，光强信号的相位发生相应的变化，通过与固定相位的脉冲信号比较确定此变化量，即可得出偏振面的相应转动角度，也就是被测物体相对于指定方向的水平姿态角度。
以下将结合附图对发明作进一步的详细描述。
图1是本发明一种结构的组成示意图。
图2是本发明信号检测及处理电路的信号输出波形图。
参照图1，激光器(1)、准直扩束镜(2)、起偏器(3)、光阑(4)、保护窗(5)组成的偏振光源(6)在水平方向上与被测量物体固定在一起，其光学轴线始终垂直于水平面。激光器(1)发射的光束经过准直扩束镜(2)、起偏器(3)、光阑(4)、保护窗(5)，以确定偏振方向成15度左右的小发散角向上射出。
检偏器(7)、相位延迟器(8)、定位片(9)组成偏振检测器(10)，在支架(11)内以角速度ω匀速转动，转动周期为T0。偏振检测器支架(11)、滤光器(14)、光敏探测器(15)固定于光源(6)上方0.5-1.0米处。偏振光束经过检偏器(7)、相位延迟器(8)、定位片(9)和滤光器(14)照射到光敏探测器(15)上。相位延迟器(8)的作用是把入射线偏振光转换为圆形偏振光，以消除因光敏探测器(15)的偏振响应特性造成的对偏振光强检测的不均匀性，保证其探测输出信号大小仅与入射光强有关，而不受入射光偏振方向的影响。定位片(9)上有两个轴对称的通光孔(12)，在通光孔(12)等半径的圆周上下有一对光电发射和接收管(13)固定在支架(11)上，当偏振检测器(10)转动一圈，接收管受到发射管两次光线照射，信号检测和处理电路(16)就产生两个固定相位的定位脉冲Vs。
在起偏器(2)的偏振方向的水平角度为指定水平零方位角时，调整检偏器(7)偏振面方向相对于定位片(9)上通光孔(12)的固定位置，使定位脉冲信号Vs和光敏探测器(15)上接收到的偏振光强电压信号Vp，在偏振检测器(10)转动一圈过程中，波形和相位关系分别如图2(1)(2)所示，其中φ为偏振检测器(10)的转动相位角。在起偏器(2)的偏振方向随物体在水平方向转动一个角度θ后，Vs信号波形和相位未发生变化，而Vp信号如图2(3)所示，即相对于图2(2)产生了相位移动β，其过零点有间隔为T的时间滞后。由信号Vs、Vp的产生机理可知，在偏振检测器(10)匀速转动的情况下，起偏器(2)偏振面方位角的变化就等于偏振检测器(10)在从定位脉冲Vs上升沿至Vp信号过零点这段时间内转过的角度，即T时间内转过的角度。因此由信号检测及处理电路(16)产生与Vp信号过零点同步的脉冲信号Vpp，如图2(4)所示。令相邻两个定位脉冲Vs之间的时间间隔为Td，Vs定位脉冲与Vpp过零点脉冲的时间间隔为T，则θ/T＝π/Td实际检测中，可由Vs定位脉冲和Vpp过零点脉冲分别控制信号检测及处理电路(16)中单片机计数器开始和停止计数，得到在时间间隔T内的计数值D1，同样由两个相邻的Vs定位脉冲控制计数器得到时间间隔Td内的计数值D2。则T/Td＝D1/D2θ＝π×T/Td＝π×D1/D2上式得出的转动角度，即物体相对指定零方位的水平方位角。
激光器(1)采用10mW量级以上的半导体激光器，另外，为保证检测精度，使用高消光比起偏器和检偏器及高灵敏度、大动态范围的光敏探测器，并采用单片机软件数字滤波进行数据处理，以滤除错误数据。
本发明提供的装置一般需同时使用俯仰角测量仪器，配合倾斜角控制机构，保证在测量过程中光源(6)的光学轴线始终垂直于水平面，并共同组成完整的姿态角测量系统。另外，可使用移动跟踪机构驱动偏振检测器支架(11)、滤光器(14)、光敏探测器(15)跟踪光源(6)的运动，保证偏振光束始终照射在光敏探测器(15)上，则能允许被测物体在较大区域移动。
本发明提供的姿态测量系统能够长时间连续可靠工作，且造价低廉，结构便于小型化，因此可用于虚拟现实系统显示头盔的姿态角度测量，不但能够实现完全自由状态下的的模拟情景显示，而且可使虚拟现实系统的应用易于推广和普及。
权利要求
1.一个主要由激光器(1)、起偏器(3)、检偏器(7)、光敏探测器(15)、定位片(9)和信号检测及处理电路(16)组成的水平姿态角测量装置，其特征是检偏器(7)、延迟器(8)、定位片(9)组成偏振检测器(10)在支架(11)内匀速转动。
2.按权利要求1所述的装置，其特征是激光器(1)的光束经过准直扩束镜(2)、起偏器(3)、检偏器(7)、相位延迟器(8)、滤光器(14)照射在光敏探测器(15)上，信号检测及处理电路(16)得到周期性变化的光强信号。
3.按权利要求1所述的装置，其特征是在偏振检测器(10)转动时，信号检测及处理电路(16)通过光电发射和接收管(13)得到固定相位的脉冲信号、
4.按权利要求1或2所述的装置，其特征是信号检测及处理电路(16)确定起偏器(3)偏振面方向变化引起的光强信号相位变化量。
全文摘要
本发明提供了一种可连续实时精确测量在小区域运动的自由物体水平姿态角度的装置,它利用与被测量物体在水平方向上同步转动的偏振光束作为被测量物体与外部固定探测器之间传递旋转运动的柔性连接体,使光束透过在水平方向上匀速转动的检偏器得到周期性变化的光强信号,通过与固定相位的脉冲信号相比较,确定起偏器偏振面转动后光强信号相位的变化量,据此得到起偏器偏振面的转动角度,从而间接得出被测物体的水平姿态角度。
文档编号G01C21/04GK1190734SQ9811010
公开日1998年8月19日 申请日期1998年3月13日 优先权日1998年3月13日
发明者孙杰, 刘志远 申请人:刘志远