[發明專利]線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量入射角度的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410206029.5
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103940404A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 李彥超;高揚;楊九如;冉玲苓;柳春郁;楊瑞海;杜軍;丁群;王春暉;馬立峰;于偉波
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

1.線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量入射角度的裝置，其特征在于，它包括線性調頻激光器(1)、第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)、平面標準鏡(4)、會聚透鏡(5)、光電探測器(6)、濾波器(7)、前置放大器(8)、A/D轉換電路(9)和DSP微處理器(10)；

線性調頻激光器(1)發出線性調頻線偏振光，所述線性調頻線偏振光經第一反射鏡(2)和第二反射鏡(3)兩次反射后，以θ₀角入射至平面標準鏡(4)；經平面標準鏡(4)前表面透射的光束在平面標準鏡(4)內、經平面標準鏡(4)的后表面和前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經平面標準鏡(4)的前表面透射之后與經平面標準鏡(4)前表面反射后的光束均通過會聚透鏡(5)會聚到光電探測器(6)的光敏面上；

光電探測器(6)的電信號輸出端與濾波器(7)的輸入端相連；

濾波器(7)的輸出端與前置放大器(8)的輸入端相連；

前置放大器(8)的輸出端與A/D轉換電路(9)的模擬信號輸入端相連；

A/D轉換電路(9)的數字信號輸出端與DSP微處理器(10)的數據輸入端相連，由DSP微處理器(10)處理數據來獲取入射至平面標準鏡(4)的光束的入射角θ₀。

2.基于權利要求1所述線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量入射角度的裝置的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、線性調頻激光器(1)發出線性調頻線偏振光兩次反射后，以θ₀角入射至平面標準鏡(4)；

步驟二、獲取入射至光電探測器(6)的光束的總光場E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)，m為大于或等于2的正整數；

其中：E₁(t)為光束經平面標準鏡(4)前表面反射后的反射光場，且按公式

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(t-lc)+k(t-lc)2]}]]>獲取；

上式中：α₁為系數，α₁＝γ，γ為光從周圍介質射入平面標準鏡(4)時的反射率；E₀為入射光場振幅；ω₀為入射光場角頻率；t為時間；k為調頻帶寬的變化率，且T為調頻周期，ΔF為調頻帶寬；c為光速；

E₂(t)，...，E_m(t)為在平面標準鏡(4)的后表面和前表面多次反射后獲得多束反射光的反射光場；

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(t-l+2ndcosθc)+k(t-l+2ndcosθc)2+2ω0ndcosθc]}E3(t)=α3E0exp{i[ω0(t-l+4ndcosθc)+k(t-l+4ndcosθc)2+4ω0ndcosθc]}···Em(t)=αmE0exp{i[ω0(t-l+2(m-1)ndcosθc)+k(t-l+2(m-1)ndcosθc)2+2ω0(m-1)ndcosθc]}]]>

其中，α₂，α₃，...，α_m均為系數，且α₂＝ββ′γ′，α₃＝ββ′(γ′)³，α_m＝ββ′(γ′)^(2m-3)；式中的β為光從周圍介質射入平面標準鏡(4)時的透射率，β′為平面標準鏡(4)前后表面多次反射光射出平面標準鏡(4)時的透射率，γ′為平面標準鏡(4)后表面的反射率；d為平面標準鏡(4)的厚度，θ為折射角，n為平面標準鏡(4)的折射率，l為到達平面標準鏡(4)的光程；

步驟三、光電探測器(6)的光敏面接受光信號，并將其轉化為光電流，所述光電流的表達式為：

I=ηehv1Z∫∫D12[E1(t)+E2(t)+···+Em(t)][E1(t)+E2(t)+···+Em(t)]*ds]]>

其中：e為電子電量，Z為光電探測器(6)表面介質的本征阻抗，η為量子效率，D為光電探測器(6)光敏面的面積，h為普朗克常數，v為線性調頻激光器(1)發出線性調頻線偏振光的頻率，*號表示復數共軛；

步驟四、光電探測器(6)輸出的光電流由濾波器(7)濾波，去掉直流項，只保留了交流項的光電流稱為中頻電流，所述中頻電流經前置放大器(8)和A/D轉換電路(9)后送入DSP微處理器(10)進行處理；

步驟五、DSP微處理器(10)對中頻電流采用線性調頻多光束外差二次諧波測量法進行處理，在平面標準鏡(4)前后表面多次反射并從平面標準鏡(4)透射出來的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光與入射平面標準鏡(4)直接反射的光進行混頻，則中頻電流I_IF處理為：

IIF=ηehvπZE02Σp=2m-2αp+2αpcos(8kndcosθct-8kndcosθ(l+ndcosθ)c2);]]>

其中，p＝2，3，...，m-2；

步驟六、對步驟五獲取的中頻電流I_IF進行傅里葉變換，獲取其外差信號的頻率f；

根據中頻電流I_IF公式可以獲知，外差信號的頻率f記為：

則可獲取平面標準鏡(4)的折射角θ；

步驟七、根據折射定律，并按公式θ₀＝arcsin(n?sinθ)獲取入射至平面標準鏡(4)的光束的入射角θ₀。