[发明专利]一种三维角度测量系统

说明书

本发明提供的三维角度测量系统，包括：测量端和目标端，所述目标端包括直角棱镜，所述测量端包括白光光源、聚光镜、分划板、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、准直物镜、第一面阵探测器及第二面阵探测器，本发明利用直角棱镜的不同反射面，斜面表征方位及俯仰角变化，两直角面表征横滚转角变化，可实现三维角度同时测量，具有较高的测角精度，结构简单紧凑，成本低廉，免维护、使用便捷，系统具有良好的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及现代高精度测量的技术领域，特别涉及一种三维角度测量系统。

背景技术

角度是用以度量角的单位，角度计量是几何量计量的重要组成部分。随着生产和高科技的发展，对角度计量的要求日益增多，测角技术及其测量精确度也在不断的提高。现阶段测角方法主要分为机械测量、电子测量、电磁测量及光电测量。其中光电测量利用光信号转化为电信号，通过计算机接收信息并进行数据处理，完成在线和自动测量，该方法具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点。此外，稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光电测角法的应用越来越广泛，成为现代高精度测量的主要手段之一。

在工程应用中，一些精密的测量设备或基准设备的空间位置不同，并且连接这些设备也不可能是绝对的刚体，即使在制造时能将坐标基准匹配到一定精度，在实际应用中，环境的不稳定性和人为因素会导致结构变形，各设备之间存在着三维的小角度变化。以航天测量船为例，主要光测设备、雷达等，均需要以惯导平台挺的地平真北的大地坐标作为基准，当在海上工作时，由于外界扰动的存在(如风浪、温度、时间老化等)，船体将会产生三维变形角(纵向挠曲、横向挠曲、扭转角)。这三个变形角使测量设备在直接使用惯性导航系统输出的基准时会产生测量误差，为了进行误差修正，获得精确的测量结果，需要对船体的三维角度变形进行实时测量。

自准直仪是一种通用角度测量仪器，系统简单、测量精度高、技术成熟，广泛应用于各工业部门和科研工作。然而自准直仪只能得到方位和俯仰角，无法实现扭转角测量，因此如何高精度测量扭转角，并可以实现三维变形角度同时测量是一个焦点。目前国内外提出的扭转角测量的方法有很多，可以归纳为干涉法、偏振法和几何光学法等几类。

当前工程应用中针对一条直线上的多个基座间相对变形角测量代表性的方案是航天测量船上的船体变形测量系统，其通过准直方法实现了方位和俯仰角的测量，通过大钢管法实现了横扭角的测量。该方法测量精度高，但系统复杂，占用空间大，还给安装维护带来了许多不便，不具有一般应用型。而针对两基座的三维姿态角同时测量系统目前则未见有成熟的解决方案。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种测角精度高且结构简单紧凑的三维角度测量系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种三维角度测量系统，包括：测量端和目标端，所述目标端包括直角棱镜，所述测量端包括白光光源、聚光镜、分划板、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、准直物镜、第一面阵探测器及第二面阵探测器；所述直角棱镜的斜面对入射的短波段的绿光进行反射且对入射的长波段的红光进行透射，所述第二面阵探测器仅允许入射的红光透过，其中：

所述白光光源发出的光照亮位于所述聚光镜焦平面的分划板，再经所述准直物镜准直后成为平行光束，所述平行光束入射所述直角棱镜的斜面：

其中，短波段的绿光经所述直角棱镜的斜面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜及所述第一窄带滤光片后被所述第一面阵探测器接收并进行后续的图像处理，通过所述分划板像的位移变化得到相应的方位及俯仰角的信息；