本发明涉及一种大直径扭转振动激光测量方法及装置，属于光电测量。
背景技术：
1、物质处于永恒的运动之中，因而，运动参数的测量是人类社会生产实践活动中的基本需求之一，通常，其涉及速度、位移、加速度三个运动参量的测量，三者均属于运动参量的表征方式。它们之间既有区别，又有联系，位移量属于速度量的积分，加速度量则是速度量的微分。有了其中之一，就可以通过计算和初始条件限定，获得另外两者。
2、角运动中，也存在相同的状况，包括转动、摆动、扭动、进动、角振动等多种不同的运动形式，抽象出角速度(转速)、角位移、角加速度等量值参数，广泛存在于各类实用系统中。例如：(1)导弹、飞行器、潜艇的惯导系统；(2)各类电机、发动机等旋转机械的瞬态转动量测量；包括机械起停时的角速度和角加速度随时间的变化，以及在机械稳定转动时测量转动量的脉动情况；(3)其它角运动测试需求；包括飞机在飞行过程中，用于飞行器姿态控制的各种舵面的角位置的实时测量。弹射救生中测试模拟人体运动的角加速度；机器人用于感知其运动状况的角加速度、角速度；航天生物医学研究需要的宇航员对角加速度、角速度的反应情况等。
3、激光干涉测量转速，目前主要使用两种方法：1)双测振仪法；两个激光测振仪通过距离已知的平行光束方式对转动物体不同点间的振动独立测量，换算出待测物体的转速；2)光栅差动式激光测角仪法；通过在被测扭转物体上刻制光栅，以光轴中心精确地通过转轴中心的双光束差动测量方式获得被测扭转体的转速测量结果。
4、其中，双测振仪法成本高昂，且只适合周期性角运动测量，对于单次角运动的测量无法适用。而光栅差动式激光测角仪，虽然可获得很高的测量精度，但是仍存在几个问题：
5、(1)能够测量的角振动幅值很小，通常不超过±5°；
6、(2)虽然转轴半径可以精确计量，但如何使光轴中心精确地通过转轴中心一直是个难题，这必将带来测量误差，而对于现场角振动测量来说，转动半径往往无法精确获得；
7、(3)需要在被测目标表面上安装光栅，光栅属于精密元件，不耐脏，易受腐蚀，不能触摸，环境适应能力差，出现损伤后无法修复，又带来附加质量，破坏被测表面，因此光栅的使用不仅带来了附加的测量不确定度，限制了测量角度范围，而且也大大限制了激光干涉角运动测量系统的应用场合。
8、另外，目前大多数角运动激光测量仪器设备的测量镜头间距均不是很大，在对于大直径角运动测量时，存在使用不变、准确度受影响等问题。
9、因此，角运动测量成为运动测量中的一个难点问题。
技术实现思路
1、针对扭转振动中的角运动速度(即转速、角速度)测量中存在的问题，本发明的目的是提供一种大直径扭转振动激光测量方法及装置，使用同一波长的单色激光经过声光调制器后输出的两束存在频率差异的衍射激光，两束存在频率差异的衍射激光经平面反射镜变成平行光，平行照射扭转被测对象，利用扭转体对两束平行衍射激光产生的多普勒频移符号相反的特征，从扭转被测对象反射回来的两束含有扭转产生的多普勒频移的激光，再次通过声光调制器进行移频、合束、拍频干涉，提取多普勒频移并最终计算获得扭转被测对象的角速度量值，即实现大直径扭转振动激光测量。本发明无需聚焦透镜聚焦，具有结构简单的优点。
2、本发明通过下述技术方案实现。
3、本发明公开的一种大直径扭转振动激光测量装置，包括激光器、偏振分光镜、λ/2波片、声光调制器、平面反射镜、正弦信号源、光电探测器、数据采集系统、电子计算机、扭转被测对象。由激光器产生波长为λ、频率为f的激光，经过偏振分光镜、λ/2波片，到达声光调制器。使用正弦信号源对经过声光调制器的激光频率进行调制，产生衍射激光a和衍射激光b。衍射激光a、衍射激光b分别经过平面反射镜转变成两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象，利用扭转体对两束衍射激光产生的多普勒频移符号相反的特征，从扭转被测对象反射回来的两束含有扭转产生的多普勒频移的激光，再次通过声光调制器进行移频、合束、拍频干涉，提取多普勒频移并最终计算获得扭转被测对象的角速度量值，实现大直径扭转振动激光测量。
4、作为优选，经过平面反射镜转变成两光束光轴间距为d的平行光，经平面反射镜平行照射扭转被测对象，利用扭转体对两束衍射激光产生的多普勒频移符号相反的特征，从扭转被测对象反射回来的两束含有扭转产生的多普勒频移的激光的拍频，包括两种实现方式：
5、方式一：双衍射激光方式；衍射激光a、衍射激光b分别经过第一平面反射镜和第二平面反射镜，转变成两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象。衍射激光a经被测对象反射回来后，反射光频率变为fad，再次通过第一平面反射镜、声光调制器，光频率变为fad+2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光b的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号。衍射激光b经被测对象反射回来后，反射光频率变为fbd，再次通过第二平面反射镜、声光调制器，光频率变为fbd-2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光a的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号频率为fp。
6、方式二：单衍射激光方式；衍射激光a经过第一平面反射镜，转变成与0级衍射(直通光、无衍射)激光b平行且两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象。衍射激光a经被测对象反射回来后，反射光频率变为fad，再次通过第一平面反射镜、声光调制器，光频率变为fad+2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路0级衍射激光b的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号。0级衍射激光b经被测对象反射回来后，反射光频率变为fbd，再次通过声光调制器，光频率仍为fbd，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光a的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号频率为fp。
7、本发明还公开一种大直径扭转振动激光测量方法，基于所述一种大直径扭转振动激光测量装置实现。本发明公开的一种大直径扭转振动激光测量方法，包括如下步骤：
8、步骤一：频率分别为fa、fb的测量光a、测量光b两束测量激光互相平行，两光束光轴之间的距离为d，分别入射到转子转轴的两侧，转子转动的角速度为ω，扭转轴心为o。测量光a的波长为λa、测量光b的波长为λb。
9、光束a照射点a处的扭转线速度为vta，扭转半径oa为ra，在光束a方向的线速度分量为va；线速度vta与光束a光轴之间的夹角为α；线速度vta的方向与oa垂直。
10、光束b照射点b处的扭转线速度为vtb，扭转半径ob为rb，在光束b方向的线速度分量为vb；线速度vtb与光束b光轴之间的夹角β；线速度vtb的方向与ob垂直。
11、则测量光a、测量光b满足如式(1)(2)所述关系式：
12、va＝vta cosα＝ωra cosα (1)
13、vb＝vtb cosβ＝ωrb cosβ (2)
14、由于实际激光频率在几百特赫兹以上，而相比之下，两束同源激光a、b之间的频率差值fa-fb在几百兆赫兹以下，两束同源激光a、b之间的频率差值fa-fb相对实际激光频率简化为能够忽略的小量，则测量光a的波长λa、测量光b的波长λb和激光器产生的波长λ近似相等：
15、λa≈λb≈λ(3)
16、定义两束激光a和激光b测量所获得的线速度分别为va和vb，其对应的多普勒频移分别为fda和fdb。根据多普勒原理有
17、fda＝2va/λa＝2(ωra cosα)/λa
18、≈2va/λ＝2(ωra c o sα)/λ (4)
19、fdb＝2vb/λb＝2(ωrb cosβ)/λb
20、≈2vb/λ＝2(ωrb cosβ)/λ (5)根据几何关系得
21、d＝ra cosα+rb cosβ (6)
22、激光a包含多普勒频移的反射光频率fad为
23、fad＝fa-fda (7)
24、激光b包含多普勒频移的反射光频率fbd为
25、fbd＝fb+fdb (8)
26、由激光a的反射光频fad和激光b的反射光频fad和进行合束拍频得拍频频率fp
27、fp＝fad-fbd＝(fa-fb)-(fda+fdb)＝(fa-fb)-fd (9)
28、其中，fa-fb为已知的入射激光a与入射激光b的频率差，fd为扭转产生的多普勒频移测量值，当其值为负时表示为顺时针扭转，其值为正时表示为逆时针扭转。
29、根据式(1)～(9)得出
30、fd＝(fa-fb)-fp＝-(fda+fdb)＝-2dω/λ (10)
31、即
32、
33、对于方式一，步骤二：由激光器产生波长为λ、频率为f的激光，经过偏振分光镜、λ/2波片，到达声光调制器。使用正弦信号源的频率δf，对经过声光调制器的激光频率进行调制，产生+2级衍射激光a、-2级衍射激光b，其衍射激光a的频率fa、衍射激光b的频率fb分别为
34、fa＝f+2δf (12)
35、fb＝f-2δf (13)
36、其中，δf为每个衍射级产生的频率偏移。
37、衍射激光a、衍射激光b分别经过第一平面反射镜和第二平面反射镜，转变成两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象。
38、衍射激光a经被测对象反射回来后，反射光频率变为fad，再次通过第一平面反射镜、声光调制器，光频率变为fad+2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光b的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号。
39、衍射激光b经被测对象反射回来后，反射光频率变为fbd，再次通过第二平面反射镜、声光调制器，光频率变为fbd-2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光a的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号频率为fp。
40、在光电探测器处的衍射激光a的频率为
41、fad8＝f+4δf-fda (14)
42、在光电探测器处的衍射激光b的频率为
43、fbd8＝f-4δf+fdb (15)
44、fp＝fad8-fbd8＝8δf-fd (16)
45、fd＝8δf-(fad8-fbd8)＝8δf-fp (17)
46、光电探测器输出的是载波频率为8δf的fm信号，经过数据采集系统执行波形采集，使用电子计算机进行fm信号解调运算，按式(17)获得多普勒频移fd的测量结果，通过激光器的激光波长和两束衍射激光光轴之间的距离为d，使用式(11)计算获得扭转被测对象的角速度ω，实现大直径扭转振动激光测量。
47、对于方式二，步骤二：由激光器产生波长为λ(频率为f)的激光，经过偏振分光镜2、λ/2波片，到达声光调制器。使用正弦信号源的频率δf，对经过声光调制器的激光频率进行调制，产生+2级衍射激光a、0级衍射激光b，其衍射激光a的频率fa、衍射激光b的频率fb分别为
48、fa＝f+2δf (18)
49、fb＝f (19)
50、其中，δf为每个衍射级产生的频率偏移。
51、衍射激光a、经过第一平面反射镜，转变成与衍射激光b平行且两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象。
52、衍射激光a经被测对象反射回来后，反射光频率变为fad，通过第一平面反射镜、声光调制器，光频率变为fad+2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光b的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号。
53、衍射激光b经被测对象反射回来后，反射光频率变为fbd，再次通过声光调制器，光频率仍为fbd，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光a的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号频率为fp。
54、在光电探测器处的衍射激光a的频率为
55、fad8＝f+4δf-fda (20)
56、在光电探测器处的衍射激光b的频率为
57、fbd8＝f +fdb (21)
58、fp＝fad8-fbd8＝4δf-fd (22)
59、fd＝4δf-(fad8-fbd8)＝4δf-fp (23)
60、光电探测器输出的是载波频率为4δf的fm信号，经过数据采集系统执行波形采集，使用电子计算机进行fm信号解调运算，按式(23)获得多普勒频移fd的测量结果，通过激光器的激光波长和两束衍射激光光轴之间的距离为d，使用式(11)计算获得扭转被测对象的角速度ω，实现大直径扭转振动激光测量。
61、作为优选，使用声光调制器将单波长激光转变成两束不同频率的相干测量激光，并以原路返回方式用声光调制器形成合束差分拍频，最终提取出含有转动角速度信息的激光多普勒频率，经计算获得角速度瞬时值。
62、作为优选，通过获得的角速度量值的符号判断其扭转方向，当角速度ω值为负时表示为顺时针扭转，角速度ω值为正时表示为逆时针扭转。
63、作为优选，使用间距可调的双镜头测量方式满足大直径扭转对象的测量需求。
64、有益效果：
65、1、本发明公开的一种大直径扭转振动激光测量方法及装置，使用同一波长的单色激光经过声光调制器后输出的两束存在频率差异的衍射激光，两束存在频率差异的衍射激光经平面反射镜反射后平行照射扭转被测对象，利用扭转体对两束平行衍射激光产生的多普勒频移符号相反的特征，从扭转被测对象反射回来的两束含有扭转产生的多普勒频移的激光的拍频中，提取多普勒频移并最终计算获得扭转被测对象的角速度量值，即实现大直径扭转振动激光测量；与其它测量方案相比，本发明仅用一个声光调制器件、利用光路可逆性原理同时完成移频、分光、合束干涉等三个核心功能，使本发明具有光路极为简洁、稳定、可靠，所用光学元器件少、成本低廉、容易实现等优点。此外，本发明无需聚焦透镜聚焦，无需光栅安装，也无需测量光轴对准扭转体的轴心，对于角运动幅度范围没有限制，既能够用于周期性运动的测量，也能适用于单次运动的测量。
66、2、本发明公开的一种大直径扭转振动激光测量方法及装置，使用声光调制器将单波长激光转变成两束不同频率的相干测量激光，并以原路返回方式用声光调制器形成合束差分拍频，根据光路几何关系、多普勒频移等构建用于获得扭转被测对象的角速度量值的系列关系式组，能够实时提取出含有转动角速度信息的激光多普勒频率，经计算获得瞬变角速度的瞬时值，实现直径扭转振动激光测量。与其它测量方法相比，本发明仅仅需要被测扭转体的轴心在两束平行测量光线之间，对其位置是否在测量光轴正中、扭转体的形状是否规则、转速是否均匀等均无限制，具有使用方便可靠、适应性极为优良、便于推广应用的特点。
67、3、本发明公开的一种大直径扭转振动激光测量方法及装置，使用间距可调的双光束测量方式实现转动对象的角速度测量，从原理上能够适应于任意大直径扭转对象角速度的精确测量，是一种大直径扭转体转速测量的优良解决方案。
1.一种大直径扭转振动激光测量装置，其特征在于：包括激光器、偏振分光镜、λ/2波片、声光调制器、平面反射镜、正弦信号源、光电探测器、数据采集系统、电子计算机、扭转被测对象；由激光器产生波长为λ、频率为f的激光，经过偏振分光镜、λ/2波片，到达声光调制器；使用正弦信号源对经过声光调制器的激光频率进行调制、分光，产生衍射激光a和衍射激光b；衍射激光a、衍射激光b分别经过平面反射镜转变成两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象，利用扭转体对两束平行衍射激光产生的多普勒频移符号相反的特征，从扭转被测对象反射回来的两束含有扭转产生的多普勒频移的激光，再次通过声光调制器进行移频、合束、拍频干涉，提取多普勒频移并最终计算获得扭转被测对象的角速度量值，实现大直径扭转振动激光测量。
2.如权利要求1所述的一种大直径扭转振动激光测量装置，其特征在于：衍射激光a、衍射激光b分别经过第一平面反射镜和第二平面反射镜，转变成两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象；衍射激光a经被测对象反射回来后，反射光频率变为fad，再次通过第一平面反射镜、声光调制器，光频率变为fad+2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光b的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号；衍射激光b经被测对象反射回来后，反射光频率变为fbd，再次通过第二平面反射镜、声光调制器，光频率变为fbd-2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光a的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号频率为fp。
3.如权利要求1所述的一种大直径扭转振动激光测量装置，其特征在于：衍射激光a经过第一平面反射镜，转变成与衍射激光b平行且两光束光轴间距为d的平行光，照射到扭转被测对象；衍射激光a经被测对象反射回来后，反射光频率变为fad，通过第一平面反射镜、声光调制器，光频率变为fad+2δf，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路0级衍射激光b的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号；0级衍射激光b经被测对象反射回来后，反射光频率变为fbd，通过声光调制器，光频率仍然为fbd，然后穿过λ/2波片，被偏振分光镜反射后与另一路衍射激光a的反射光合束产生拍频干涉，被光电探测器接收输出光电探测拍频信号频率为fp。
4.一种大直径扭转振动激光测量方法，基于如权利要求2所述的一种大直径扭转振动激光测量装置实现，其特征在于：包括如下步骤，
5.一种大直径扭转振动激光测量方法，基于如权利要求3所述的一种大直径扭转振动激光测量装置实现，其特征在于：包括如下步骤，
6.如权利要求4或5所述的一种大直径扭转振动激光测量方法，其特征在于：使用一个声光调制器件、利用光路可逆性原理同时完成移频、分光、合束干涉三个核心功能；用声光调制器将单波长激光转变成两束不同频率的相干测量激光，并以原路返回方式用声光调制器形成合束差分拍频，最终提取出含有转动角速度信息的激光多普勒频率，经计算获得角速度瞬时值。
7.如权利要求4或5所述的一种大直径扭转振动激光测量方法，其特征在于：通过获得的角速度量值的符号判断其扭转方向，当角速度ω值为负时表示为顺时针扭转，角速度ω值为正时表示为逆时针扭转。
8.如权利要求4或5所述的一种大直径扭转振动激光测量方法，其特征在于：使用间距可调的双光束测量方式满足大直径扭转对象的测量需求，能够适应于任意大直径扭转对象角速度的精确测量。
