基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪及测量方法

1.本发明属于水平仪技术领域，特别是涉及一种基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪及测量方法。


背景技术：

2.精密水平仪是精密工程领域中的重要测量工具，可以实现相对于绝对水平面的精密角度测量，从而使得高端装备的调平以及平面度和直线度的精密测量成为可能，在以超精密机床和大科学装置为代表的高端装备制造领域、精密计量领域和前沿科学领域都有重要应用。目前，水平仪的主要技术路线可以分为水准式、电感式、电容式和光电式等。
3.水准式水平仪主要通过判断液体中气泡的位置来测量自身相对于水平面的倾斜角。由于液体受重力向下移动，液体中的气泡总是相应地向上移动，并停留在最高位置，利用这一原理即可测量水平倾角。但传统的水准式水平仪分度值一般仅能达到0.02～0.05mm/m(约4
″
～10
″
)，且只能由人眼读数，导致其测量精度较低。为此，借助图像传感器代替人眼判断气泡位置可以在一定程度上改善上述问题。例如，中国专利公布号cn113902894a，公布日2022年1月7日，发明《一种基于图像处理的条式水平仪自动读数识别方法》，公布了基于计算机视觉的新方法；再如，2001年传感技术学报第3期发表文章《一种新型数字式水平仪:原理与实现》，介绍了一种利用ccd来获取气泡位置的方法。但是受限于基于气泡位置的测量原理，该类方法仍然难以实现高精度测量，不能满足精密机床等高端装备的测量需求。
4.电感式水平仪原理是当水平角发生变化，中间摆锤的相对移动会引起两边感应线圈的电压变化，从而计算角度信息。例如，英国talyvel6电子水平仪就是采用该原理的商用产品，其测量范围为
±
800
″
，满量程精度为
±8″
，中心区域分辨率为0.1
″
。但该类水平仪机械闭环控制结构复杂，需要电磁屏蔽，并且电感的加工和安装误差难以校正，导致该类仪器的测量结果不具备溯源性。
5.电容式水平仪在市场上应用广泛，其原理是利用水平角发生变化造成电容间隙及极板介质等变化产生不等电容,再由电容变化获得角度信息。例如，中国专利公布号cn107677249a，公布日2018年2月9日，发明《一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法》公布了一种电容传感器与摆锤相结合来获取倾角的系统。再如，瑞士dantsin公司新型bluelevel蓝牙电容式电子水平仪也是利用该原理的商用产品，其在
±
20mm/m(约
±
4000
″
)测量范围内分辨力最小达1μm/m(约0.2
″
)，稳定时间约3s。但是电容式传感器线性度较差，加工误差也会直接导致较大的测量误差，测量精度依赖于仪器的校准，测量结果不具备溯源性，且对密封技术要求严格。
6.光电式水平仪主要基于激光自准直技术，以液面为基准，将被测的倾角变化转化汇聚光斑的位置变化，并利用位置敏感探测器件(psd)进行测量。例如，2021年，optics and lasers in engineering第146期发表文章《development of a high-sensitivity dual-axis optoelectronic level using double-layer liquid refraction》，通过自准直仪
测量被液面多次折射后的激光，获取光斑偏移并计算倾角信息，使得分辨率达到0.05
″
，范围为
±
150
″
，重复性为0.4
″
，短期稳定性为
±
0.2
″
。再如，2019年，optics&laser technology第113期发表文章《dual-axis optoelectronic level based on laser auto-collimation and liquid surface reflection》和中国专利公布号cn108871278a，公布日2018年11月23日，发明《一种液体表面反射式双轴光电水平仪》，均是利用激光自准直原理设计的双轴光电水平仪。但是，该类水平仪在光学原理上对psd和汇聚透镜等光学元件的位置姿态与加工精度有较高要求，其难以避免的加工与安装误差将直接引入测量误差，导致测量结果难以直接溯源。
7.综上所述，传统的水准式水平仪精度较低，难以应用于精密工程；商用的电感和电容式水平仪可以实现较高的测量分辨力，但受加工误差等因素限制，测量结果无法溯源；近年来一些学者提出的基于自准直仪的光电式水平仪进一步提高了测量精度，但受限于光学元件的装配误差，其测量结果仍然难以直接溯源。因此，目前水平仪技术领域缺少一种可直接溯源的高精度水平仪。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪及测量方法，可实现高精度双轴水平倾角测量，测量结果可直接溯源至激光波长。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪，包括：
10.激光光源模块，用于产生激光信号；
11.一体化传感模块，与所述激光光源模块连接，用于接收所述激光信号，基于所述激光信号产生空间干涉条纹信号；
12.信号处理模块，与所述一体化传感模块连接，用于对所述空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果。
13.优选地，所述激光光源模块包括单频激光器、单模保偏光纤；
14.所述单频激光器用于提供线偏振光，所述线偏振光即为所述激光信号；
15.所述单模保偏光纤，与所述单频激光器连接，用于将产生的线偏振光传导至光纤准直器。
16.优选地，所述一体化传感模块包括光纤准直器、偏振分光镜、四分之一波片、液体容器单元、液体单元、图像传感器；
17.所述光纤准直器用于接收线偏振光并输出偏振态为s的准直激光；
18.所述四分之一波片用于将所述偏振态为s的准直激光转换为圆偏振光；所述四分之一波片还用于将第一反射光和第一折射光的偏振态由圆偏振变为p；
19.所述液体单元中的液体存放于所述液体容器单元中，所述液体单元用于将经过液面的所述圆偏振光分为第一反射光、第一折射光，并通过液面反射所述第一反射光至四分之一波片；
20.所述液体容器单元用于通过液体容器的底面反射所述第一折射光，经过液面再次折射后反向发射至四分之一波片；
21.所述偏振分光镜用于反射偏振态为s的准直激光；还用于透射偏振态变为p的第一
反射光和第一折射光，获得第一信号光和第二信号光；
22.所述图像传感器用于探测第一信号光和第二信号光干涉形成的所述空间干涉条纹信号。
23.优选地，所述液体容器为透明材质，表面涂有吸光材料，底面为斜坡，斜坡表面镀反射膜。
24.优选地，所述信号处理模块包括上位机、信号处理卡；
25.所述信号处理卡用于通过双轴水平倾角解耦算法，对所述空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算，并将运算结果上传至上位机；
26.所述上位机用于接收、显示和存储水平倾角测量的运算结果。
27.基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪的测量方法，包括，
28.通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块，基于所述一体化传感模块产生空间干涉条纹信号；
29.将所述空间干涉条纹信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果。
30.优选地，通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块的过程包括，通过单频激光器产生激光信号，经单模保偏光纤将产生的激光信号传导至光纤准直器。
31.优选地，基于所述一体化传感模块产生空间干涉条纹信号的过程包括，
32.通过光纤准直器接收线偏振光并输出偏振态为s的准直激光，所述偏振态为s的准直激光经过偏振分光镜后反射，经四分之一波片后射向液体容器，且偏振态为s的准直激光被转换为圆偏振光，所述圆偏振光经过液面被分为第一反射光、第一折射光；
33.所述第一反射光再次经过四分之一波片，偏振态变为p，经偏振分光镜透射后成为第一信号光并射向图像传感器；所述第一折射光经液体容器底面反射后，再次经过液面折射并经过四分之一波片，偏振态变为p，经偏振分光镜透射后成为第二信号光并射向图像传感器；
34.所述第一信号光与第二信号光在图像传感器的探测面发生干涉，形成空间干涉条纹信号。
35.优选地，将所述空间干涉条纹信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果的过程包括，将所述空间干涉条纹信号发送至信号处理卡，所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量的运算结果，并将运算结果上传至上位机。
36.优选地，所述信号处理卡通过双轴水平倾角解耦算法，对所述空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算的过程包括，
37.将空间干涉条纹信号转换为二维灰度矩阵，对所述二维灰度矩阵进行基于蝶形运算的二维离散傅里叶变换，获得所述空间干涉条纹信号的频率空间矩阵，在空间干涉条纹信号频谱的幅度空间计算不同空间频率成分；
38.基于所述空间干涉条纹信号频谱的幅度空间获得幅值最大值点及其在频率空间矩阵中对应的位置，利用幅值最大值点与邻近矩阵点的幅值信息进行二维曲线峰值拟合，得到拟合后的精确频率坐标；
39.根据拟合得到的精确频率坐标的x分量和y分量，依据液面相对于反射镜的角度与空间干涉条纹信号的频率呈线性关系的公式获得液面相对于反射镜在x方向和y方向上的夹角。
40.本发明公开了以下技术效果：
41.(1)本发明提供的基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪及测量方法完全基于激光干涉测量原理，以水平面为参考基准面，测量分辨力高，且测量结果可直接溯源至激光波长。
42.(2)本发明的激光水平仪通过激光干涉条纹的空间频率来计算水平倾斜角，仅用单束测量光即可实现双轴测量。
43.(3)本发明的激光水平仪借助激光偏振态的转换，以及液面反射率和液体容器底面反射率的匹配，保证了干涉信号的对比度与信噪比。
44.(4)本发明的激光水平仪结构简单，光路简洁，易集成，利于工程实现，性价比高。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明实施例的系统结构示意图；
47.1-上位机、2-信号处理卡、3-图像传感器、4-偏振分光镜、5-四分之一波片、6-液体、7-一体化底座、8-液体容器、9-光纤准直器、10-单模保偏光纤、11-单频激光器。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
50.实施例一
51.如图1所示的基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪，包括上位机1、信号处理卡2、图像传感器3、偏振分光镜4、四分之一波片5、液体6、一体化底座7、液体容器8、光纤准直器9、单模保偏光纤10和单频激光器11；其中，光纤准直器9、偏振分光镜4、四分之一波片5、液体容器8和图像传感器3均固定在一体化底座7上；
52.所述液体6，其黏度值在百cs量级，反射率大于1％，折射率大于1，液面高度在毫米量级，是水平倾角的参考基准面。
53.所述液体容器8，其底面为斜坡，斜坡的x方向和y方向倾角均为毫弧度量级；斜坡表面镀部分反射膜，其反射率在所用激光波段与液体反射率相当，致使第一信号光与第二信号光的光轴指向产生微小的角度偏差，形成倾斜的条纹状干涉信号，并被图像传感器有
效探测；液体容器8为透明材质，表面涂有吸光材料；
54.进一步优化方案，所述液体6为硅油，其黏度为350cs，反射率约3％，折射率为1.4，液面高度为2mm，作为水平倾角的参考基准面。
55.所述液体容器8为直径大于30mm的圆形。其底面为斜坡，相对于一体化底座7在x方向和y方向的角度均为毫弧度量级，底面的反射镀膜对633nm波段激光反射率为3％。
56.如图1所示，本发明提供的一种基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪，包括：激光光源模块、一体化传感模块、信号处理模块；
57.所述激光光源模块包括单频激光器11、单模保偏光纤10，用于产生偏振态为s的输入激光信号；
58.所述一体化传感模块包括一体化底座7、光纤准直器9、偏振分光镜4、四分之一波片5、液体容器8、液体6、图像传感器3；输入激光信号经光纤准直器9准直后，被偏振分光镜4反射并经过四分之一波片5，随后变为圆偏振光并射向液体6，在液面处被分为液面反射光和液面折射光；液面反射光再次经过四分之一波片5，其偏振态变为p，经偏振分光镜4透射后成为第一信号光并射向图像传感器3；液面折射光经液体容器8底面反射后，再次经过液面折射并经过四分之一波片5，其偏振态变为p，经偏振分光镜4透射后成为第二信号光并射向图像传感器3；第一信号光与第二信号光在图像传感器3的探测面发生干涉，形成空间干涉条纹信号。
59.所述信号处理模块包括上位机1、信号处理卡2；
60.所述信号处理卡2用于通过双轴水平倾角解耦算法，对空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算，并将运算结果上传至上位机1；
61.所述上位机1用于接收、显示和存储水平倾角测量的运算结果。
62.进一步优化方法，本发明还提供一种基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪的测量方法，基于该激光水平仪的测量过程如下：本实施例的单频激光器11采用633nm的单频氦氖激光器，用于提供稳频激光信号，且该激光信号为线偏振光，经单模保偏光纤10传导至光纤准直器9，光纤准直器9输出偏振态为s的准直激光；偏振态为s的准直激光经过偏振分光镜4后被反射，经过四分之一波片5后射向液体容器8，其偏振态变为圆偏振并在液体6的表面被分为第一反射光与第一折射光两束；其中，第一反射光被液面直接反射，反向经过四分之一波片5后偏振态变为p，并经过偏振分光镜4透射成为第一信号光；同时，第一折射光被液体容器8的底面反射，经过液面再次折射后反向经过四分之一波片5，其偏振态变为p，再经过偏振分光镜4透射成为第二信号光；液体容器8的斜坡反射底面在x方向和y方向的倾角均为毫弧度量级，致使第一信号光与第二信号光的光轴指向产生微小的角度偏差，从而在图像传感器3的探测表面形成空间干涉条纹信号，并由图像传感器3进行探测；空间干涉条纹信号以数字量的形式发送至信号处理卡2，信号处理卡2中集成了双轴水平倾角解耦算法，对空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算，并将运算结果上传至上位机1；所述的激光水平仪，其双轴水平倾角解耦算法可对空间干涉条纹信号进行高精度解耦运算，将水平倾角测量溯源至激光波长。
63.其中，双轴水平倾角解耦算法将水平倾角测量溯源至激光波长的过程包括：
64.步骤一，将空间干涉条纹信号转换为二维灰度矩阵，对该矩阵进行基于蝶形运算的二维离散傅里叶变换，获得其频率空间矩阵，在其频谱的幅度空间计算其不同空间频率
成分；
65.步骤二，在空间干涉条纹信号二维频谱的幅度空间求得幅值最大值点及其在频率空间矩阵中对应的位置，利用幅值最大值点与邻近矩阵点的幅值信息进行二维曲线峰值拟合，得到拟合后的精确频率坐标；
66.步骤三，液面相对于反射镜的角度与空间干涉条纹信号的频率呈线性关系，根据拟合得到的精确频率坐标的x分量和y分量，依据公式1和公式2可以分别求得液面相对于反射镜在x方向和y方向上的夹角。
[0067][0068][0069]
式中，θ
x
和θy分别为x和y方向的水平倾角，f
x
和fy分别为空间干涉条纹信号频率的x和y分量，λ为激光波长，n
liquid
为液体折射率。由于液面永远垂直于重力方向，本方法可以实时计算和监测所处平面的双轴水平倾角。
[0070]
本发明提供的一种基于干涉条纹解耦的高精度双轴激光水平仪及测量方法，以水平面为参考基准面，借助液面对激光的反射和折射效应，以及液体容器底部的斜坡反射，将待测水平倾角转化为线偏振激光的空间干涉条纹，并对该条纹进行高精度解耦计算，最终实现对水平倾角的高精度双轴测量。此外，借助激光偏振态的转换，以及液面反射率和液体容器底面反射率的匹配，保证了空间干涉条纹信号的对比度与信噪比。本发明的激光水平仪完全基于激光干涉测量原理，测量分辨力高，且测量结果可直接溯源至激光波长，同时具有结构简单、光路简洁、易集成、利于工程实现、性价比高等优势，满足了高端装备对超精密水平仪的需求。
[0071]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。