(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书 | ||
(10)申请公布号 CN 103389064 A (43)申请公布日 2013.11.13 | ||
(21)申请号 CN201210150739.1
(22)申请日 2012.05.09
(71)申请人 中国人民解放军第二炮兵工程学院
地址 710025 陕西省西安市灞桥区洪庆镇骊山路1号
(72)发明人 周召发 杨志勇 黄先祥 张志利 郭晓凇
(74)专利代理机构
代理人
(51)Int.CI
G01C1/00
权利要求说明书 说明书 幅图 |
(54)发明名称
一种基于三角函数表示正弦波磁光调制的失调角测量方法 | |
(57)摘要
本发明涉及一种基于三角函数表示的正弦波磁光调制的失调角测量方法，尤其涉及一种基于三角函数表示的正弦波磁光调制的无机械连接的空间方位失调角精确测量方法。通过对磁光调制后的信号进行滤波隔直、放大、取样积分获得调制后信号中交流信号的极值点，最后通过建立的极值点与失调角的关系得到失调角测量值，将测量得到的方位失调角α送入方位失调角测量系统的控制部分，控制下仪器转动，使上、下仪器对准，从而达到失调角测量方法的目的。本发明同现有技术相比的优势在于：通过引入三角函数建立测量模型的方法消除了贝赛尔函数展开带来的误差，在测量精度方面优于现有方法。 | |
法律状态
法律状态公告日 | 三角函数表格0到90法律状态信息 | 法律状态 |
权 利 要 求 说 明 书
1.一种基于三角函数表示正弦波磁光调制的失调角测量方法，其特征在于：通过对磁光调制后的信号进行滤波隔直、放大、取样积分获得调制后信号中交流信号的极值点，最后通过建立的极值点与失调角的关系得到失调角测量值，将测量得到的方位失调角α送入方位失调角测量系统的控制部分，控制下仪器转动，使上、下仪器对准，从而达到失调角测量方法的目的，具体步骤如下： <br>步骤1：建立基于三角函数表示磁光调制后的信号模型： <br>u＝ku<Sub>0</Sub>[sin<Sup>2</Sup> α+sin<Sup>2</Sup>(m<Sub>f</Sub> sin wt)cos 2α+sin(m<Sub>f</Sub> sin wt)cos(m<Sub>f</Sub> sin wt)sin 2α] (4) <br>步骤2：建立基于三角函数表示磁光调制后信号中直流信号、交流信号模型： <br>用第一类贝赛尔函数展开 <Image>和 <Image>可以看出仅有 <Image>单纯是以wt为
变量的函数，所以当失调角α不变而wt变化时，磁光调制后信号u中仅有ku<Sub>0</Sub> sin<Sup>2</Sup>α是恒量，所以系统中磁光调制后信号中直流信号为 <br><Image></Image><br>交流信号为 <br><Image></Image><br>步骤3：建立基于三角函数表示磁光调制后信号中交流信号中横坐标不变的极值点u<Sub>a1</Sub>、u<Sub>a2</Sub>的模型： <br><Image></Image><br><Image></Image><br>步骤4：建立基于三角函数表示失调角测量模型： <br>利用取样积分电路分别获取u<Sub>a1</Sub>、u<Sub>a2</Sub>的值，令 <Image>消除k的影响，得到 <br><Image></Image><br>由此可得到方位失调角的测量新模型 <br><Image></Image><br>步骤5：将新模型测量得到的方位失调角α送入方位失调角测量系统的控制部分，控制下仪器转动，使上、下仪器对准，从而达到本发明失调角测量方法的目的。 <br><br>2.根据权利要求1所述的一种基于三角函数表示正弦波磁光调制的失调角测量方法，其特征在于：步骤1中所述的“建立基于三角函数表示磁光调制后的信号模型”具体为： <br>步骤1.1：将磁光调制后的信号(1)式展开 <br>u＝ku<Sub>0</Sub>(sin<Sup>2</Sup>θcos<Sup>2</Sup>α+cos<Sup>2</Sup>θsin<Sup>2</Sup>α+2sinθcosθsinαcosα) (5) <br>步骤1.2：利用三角函数cos<Sup>2</Sup>θ＝1-sin<Sup>2</Sup>θ、
<Image>将关系式(5)转化为 <br>u＝ku<Sub>0</Sub>[sin<Sup>2</Sup>α+sin<Sup>2</Sup>(m<Sub>f</Sub> sin wt)cos 2α+sin(m<Sub>f</Sub> sin wt)cos(m<Sub>f</Sub> sin wt)sin 2α](4)。 <br><br>3.根据权利要求1所述的一种基于三角函数表示正弦波磁光调制的失调角测量方法，其特征在于：步骤3中所述的“建立基于三角函数表示磁光调制后信号中交流信号中横坐标不变的极值点u<Sub>a1</Sub>、u<Sub>a2</Sub>的模型”具体为： <br>步骤3.1：确定交流信号u<Sub>a</Sub>中极值点 <br>对交流信号u<Sub>a</Sub>求极值点，令 <br><Image></Image><br>步骤3.2：确定交流信号u<Sub>a</Sub>中极值点u<Sub>a1</Sub>、u<Sub>a2</Sub>的横坐标位置不随失调角α的变化而变化的规律 <br>关系式(10)中若cos(wt)＝0，可得交流信号中两个极值点的横坐标 <Image><Image>以及它们分别对应的极值点u<Sub>a1</Sub>、u<Sub>a2</Sub><br><Image></Image><br><Image></Image><br>从u<Sub>a1</Sub>、u<Sub>a2</Sub>的横坐标可以看出，二者存在横坐标位置不随失调角α的变化而变化的规律。 <br>步骤3.3：交流信号u<Sub>a</Sub>中横坐标变化的极值点的删除 <br>关系式(10)中若 得到的极值点的横坐标是与失调角α有关联的，所以相应的极值点会随着失调角的变化而左右移动，应当不采用。 <br><br>
说 明 书
技术领域
本发明属于角度测量技术领域，涉及一种基于三角函数表示的正弦波磁光调制的失调角测量方法，尤其涉及一种基于三角函数表示的正弦波磁光调制的无机械连接的空间方位失调角精确测量方法。
背景技术
基于正弦波磁光调制偏振光的空间方位失调角测量技术是指利用光的偏振和法拉第磁致旋光效应实现不同水平面上的上下两台无机械连接的设备之间水平方位失调角的测量，此项技术的发展成长将大大促进航空航天及生物医学等多技术领域的发展。
在本发明以前的现有技术中，关于正弦波磁光调制偏振光的空间方位失调角测量的研究主要是中国科学院西安光学精密机械研究所的高立民、陈良益、马彩文等教授发表在2001年11月第30卷第11期的《光子学报》中的《利用磁光调制实现方位角垂直传递》、2001年7月第30
卷第7期的《光子学报》中的《一种无机械连接的方位测量同步系统》、2008年3月第37卷第3期的《红外与激光工程》中的《基于偏振光的精密角度测量及传递技术》等文章，其空间方位失调角测量原理(如图1所示)是：激光器发出的激光经过起偏器成为线偏振光，当通过调制器中磁致旋光玻璃时，在正弦激励信号产生的同频交变磁场作用下，产生法拉第磁致旋光效应，实现了偏振光信号调制，信号检测与处理系统对经光电转换后的信号检测处理、提取与失调角相关的电压信号，并经过一定的运算得到方位失调角。在该测量方法中，空间方位失调角的测量依据式(1)、(2)、(3)；先将调制后的光信号经光电转换、放大后，得到u：
u＝ku<Sub>0</Sub> sin<Sup>2</Sup>(α+θ) (1)
其中，k是放大电路的放大倍数；u<Sub>0</Sub>＝η*I<Sub>0</Sub>，表示初始光强，I<Sub>0</Sub>为激光器发出的激光经过起偏器后的出射光强，η是量子效率，α为上、下仪器之间的方位失调角，θ为光波偏振面的旋转角度，存在<Image>其中ω为加在调制线圈上的正弦激励信号的调制角频率，L为光在磁致旋光玻璃中传播的有效距离，V为磁致旋光玻璃的Verdet常数，B<Sub>m</Sub>为磁感应强度的最大值，m<Sub>f</Sub>定义为调制度，单位是弧度，存在m<Sub>f</Sub>＝2VB<Sub>m</Sub>L。
将<Image>引入关系式(1)
<Math><MathText>><mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>k</mi><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo>{</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mo>[</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>f</mi></msub><mi>sin</mi><mi>><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mi>cos</mi><mn>2</mn><mi>α</mi><mo>-</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>f</mi></msub><mi>sin</mi><mi>><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mi>sin</mi><mn>2</mn><mi>α</mi><mo>]</mo><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>></Math>
分别将cos(m<Sub>f</Sub> sin wt)、sin(m<Sub>f</Sub> sin wt)用第一类贝赛尔函数展开并省略二阶以上高阶项，去掉不同失调角情况下的直流分量，再利用取样积分电路分别得到信号u中两个横坐标不变的极值点u<Sub>01</Sub>和u<Sub>02</Sub>的值，代入关系式，得失调角α′<Sub>0</Sub>：
<Math><MathText>><mrow><msubsup><mi>α</mi><mn>0</mn><mo>′</mo></msubsup>
<mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>arctan</mi><mo>[</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mn>01</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>u</mi><mn>02</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mn>01</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mn>02</mn></msub></mrow></mfrac><mo>*</mo><mfrac><mrow><msub><mi>J</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>f</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>f</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>></Math>
其中J<Sub>1</Sub>(m<Sub>f</Sub>)、J<Sub>2</Sub>(m<Sub>f</Sub>)分别为m<Sub>f</Sub>用第一类贝赛尔函数展开后第二项、第三项的系数。根据式(3)可以得到失调角真值的测量值α′<Sub>0</Sub>。
在上述测量方法中，由于被省略的二阶以上高阶项部分仍然含有有用信息，省略后会带来计
算误差，导致用该测量方法得到的正弦波磁光调制的失调角有测量误差，且该测量方法存在测量精度低等缺点。
此外，还有第二炮兵工程学院的黄先祥、周召发、杨志勇等发表在2011年11月第31卷第11期的《光学学报》中的《基于磁光调制偏振光的空间方位失调角高精度测量新方法》、2012年1月第32卷第1期的《光学学报》中的《利用原始光强信号实现空间方位失调角高精度传递新方法》、以及专利《一种基于正弦波磁光调制的失调角测量方法》(No.201110166422.2)，但是上述方法在局部精密测量时存在可操作性差的问题；另外，他们发表在2012年4月第39卷第4期的《中国激光》中的《一种基于正弦波磁光调制的空间大范围方位自动对准方法》以及专利《一种基于磁光调制的空间大范围方位自动对准方法》(No.201110348674.7)，但是此方法侧重于扩大失调角的测量范围、存在小角度范围内测量精度低的问题。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明的目的在于：提出一种测量精度高、基于正弦波磁光调制偏振光的空间方位失调角的测量方法。该方法利用三角函数推导的方式代替了传统的贝赛尔函数展开的方法，通过对磁光调制后的信号进行滤波隔直、放大、取样积分获得调制后信号中
交流信号的极值点，最后通过建立的极值点与失调角的关系得到失调角测量值，具体步骤如下：
步骤1：建立基于三角函数表示磁光调制后的信号模型
u＝ku<Sub>0</Sub>[sin<Sup>2</Sup> α+sin<Sup>2</Sup>(m<Sub>f</Sub> sin wt)cos 2α+sin(m<Sub>f</Sub> sin wt)cos(m<Sub>f</Sub> sin wt)sin 2α] (4)
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论