CN111024001B - 滚转角测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种滚转角测量方法及装置。所述方法包括：采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化；根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角。本公开可以有效提高滚转角的测量速度，并且由于剪切散斑干涉法在一定程度上放松了严格的机械和热稳定性要求，使得该方法可以适应非实验环境下的滚转角测量。

Description

滚转角测量方法及装置

技术领域

本公开涉及全场光测量技术领域，尤其涉及一种滚转角测量方法及装置。

背景技术

刚体自由度的测量具有显著的工程意义，它在姿态控制、精密加工等方面有重要的作用。例如，在飞行器姿态控制、机床加工刀具精确定位等方面都获得了广泛的应用。

滚转角是刚体六个自由度之一，对它的精密测量可以作为角位移定位的基础，也可以作为有效控制滚转角误差的依据。目前，已经提出了基于数字散斑干涉技术进行滚转角测量的方法，可以实现全场、非接触、高精度测量。但是，基于数字散斑干涉技术进行滚转角测量的测量实时性较差，无法满足工程应用中对滚转角测量的时效要求。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种滚转角测量方法及装置。

根据本公开的一方面，提供了一种滚转角测量方法，包括：

采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化；

根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角。

在一种可能的实现方式中，采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，包括：

在所述物面滚转前，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第一相位分布信息；

在所述物面滚转后，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第二相位分布信息；

根据所述第一相位分布信息和所述第二相位分布信息，确定所述物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角，包括：

根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度；

根据所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，确定所述物面的滚转角。

在一种可能的实现方式中，采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，包括：

在所述物面滚转的过程中，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面在预设时长内的相位分布信息；

根据所述物面在所述预设时长内的相位分布信息，确定所述物面上的目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角，包括：

根据所述目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面在所述预设时长内各个测量时刻的滚转角。

根据本公开的另一方面，提供了一种滚转角测量装置，包括：

剪切散斑干涉测量模块，用于采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化；

滚转角测量模块，用于根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角。

在一种可能的实现方式中，所述剪切散斑干涉测量模块，包括：

第一测量子模块，用于在所述物面滚转前，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第一相位分布信息；

第二测量子模块，用于在所述物面滚转后，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第二相位分布信息；

确定子模块，用于根据所述第一相位分布信息和所述第二相位分布信息，确定所述物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，所述滚转角测量模块具体用于：

根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度；

根据所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，确定所述物面的滚转角。

在一种可能的实现方式中，所述剪切散斑干涉测量模块，包括：

第三测量子模块，用于在所述物面滚转的过程中，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面在预设时长内的相位分布信息；

第二确定子模块，用于根据所述物面在所述预设时长内的相位分布信息，确定所述物面上的目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，所述滚转角测量模块具体用于：

根据所述目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面在所述预设时长内各个测量时刻的滚转角。

通过采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，进而根据物面滚转所引起的相位变化确定物面的滚转角，可以有效提高滚转角的测量速度，并且由于剪切散斑干涉法在一定程度上放松了严格的机械和热稳定性要求，使得该方法可以适应非实验环境下的滚转角测量。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出本公开实施例的一种滚转角测量方法的流程图；

图2示出本公开实施例的一种基于剪切散斑干涉测量法测量滚转角的示意图；

图3示出本公开实施例的一种滚转角测量装置的框图；

图4示出本公开实施例的一种测量***的框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

通常来说，物面滚转(滚转所围绕的滚转轴垂直于物面)导致的物面变形很小，但是会导致较大的相位变化。本公开首次将能够测量形变与应变(形变的空间梯度)的剪切散斑干涉技术引入滚转角测量，提供了一种滚转角测量的全新方案，下面结合附图详细说明本公开实施例的技术方案。

图1示出本公开实施例的一种滚转角测量方法的流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤S11，采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化。

步骤S12，根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面的滚转角。

剪切散斑干涉技术是一种非接触、全场测量的光学技术，其结构简单、隔振要求不高、可靠性强、分辨率高。剪切散斑干涉技术是一种变形敏感技术，通常用来测量形变以及与形变相关的量，例如，应变和振动，在无损检测方面应用较为广泛，但是在滚转角等角度测量方面没有应用。

在一种可能的实现方式中，采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，包括：在物面滚转前，采用剪切散斑干涉法测量物面的第一相位分布信息；在物面滚转后，采用剪切散斑干涉法测量物面的第二相位分布信息；根据第一相位分布信息和第二相位分布信息，确定物面滚转所引起的相位变化。

根据物面滚转前后进入图像传感器的光线分别在图像传感器上形成的剪切散斑干涉信息，即可获取物面滚转所引起的相位变化。

图2示出本公开实施例的一种基于剪切散斑干涉测量法测量滚转角的示意图。如图2所示，剪切散斑干涉测量光路具有双光束照明的光路结构，从激光器201出射的光被第一分光棱镜202分成两路：第一路光和第二路光。第一路光经过第一反射镜203和第一扩束镜204后入射到物面(即被测物体的表面)，第一路光的入射角为α，即第一路光与滚转轴z轴的夹角为α。第二路光经过第二反射镜205、第三反射镜206和第二扩束镜207后入射到物面，第二路光的入射角为β。经过物面漫反射后的第一路光和第二路光经过剪切装置后在图像传感器208上发生剪切干涉，其中，剪切装置由第二分光棱镜209、第四反射镜210和第五反射镜211构成，第五反射镜211的背面设置有压电陶瓷管212，通过控制压电陶瓷管212的伸长量，以在其中一路光中引入多次附加光程(每一次附加光程的具体值取决于所采用的时间相移算法，可以是四分之一光波长或其它值)。其中，z轴为物面的滚转轴，入射到物面的两路光均位于xoz平面，图像传感器设置于滚转轴线(平行于z轴)上。

需要说明的是，剪切散斑干涉测量光路除了可以采用图2的光路形式之外，其它能够进行剪切散斑干涉的光路变形、元器件替换也均落在本公开的保护范围内。为了简化计算过程，可采用对称照明的光路结构，即入射到物面的两路光相对于滚转轴对称分布，即入射角α和入射角β大小相等。以下均以入射角α和入射角β大小相等来进行具体描述。

在物面滚转前采集剪切散斑干涉图可以确定物面滚转前的第一相位分布信息，在物面滚转后采集剪切散斑干涉图可以确定物面滚转后的第二相位分布信息，根据第一相位分布信息和第二相位分布信息的差值，可以确定物面滚转所引起的相位变化，该相位变化中包括物面上任一点(x,y,z)由物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面的滚转角，包括：根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度；根据物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，确定物面的滚转角。

仍以上述图2为例，采用图2所示剪切散斑干涉测量光路，当剪切方向在x方向时，根据测量得到的物面滚转所引起的相位变化，可以确定物面内任一点由物面滚转所引起的面内形变u在剪切方向上的空间梯度为：

其中，λ为剪切散斑干涉法所采用的入射光的波长，即激光波长；

为物面滚转所引起的相位变化。

同理，当剪切方向在y方向时，可以确定物面内任一点由物面滚转所引起的面内形变u在剪切方向上的空间梯度为：

当物面绕滚转轴旋转了Δθ后，物面内所有的点都产生了形变。以物面中心为原点在物面内建立极坐标系，物面绕滚转轴旋转前，物面中任一点的极坐标为(r,θ)，其直角坐标为(rcosθ,rsinθ)；物面绕滚转轴旋转后，物面中任一点的极坐标为(r,θ+Δθ)，其直角坐标为(rcos(θ+Δθ),rsin(θ+Δθ))，该点由物面滚转所引起的形变在x方向的分量为：

在y方向上的分量为：

可见，物面上任一点由物面滚转引起的形变类似于物面的面内形变(u,v)，因此，根据(3)、(4)，得到：

根据公式(5)和(6)可以确定面内形变与滚转角Δθ之间的关系，因此，测得面内形变，即可以得到滚转角。

仍以上述图2为例，入射到物面的两路光均位于xoz平面，对上述公式(5)求导，得到面内形变u在x方向和y方向的偏导数(空间梯度)分别为：

根据公式(7)和(8)可以确定面内形变在x方向和y方向的空间梯度是滚转角的函数。数字散斑干涉法需要根据测量得到的物面滚转所引起的相位变化进行全场相位处理(例如，滤波、解包裹等操作)，才能确定物面滚转所引起的物面形变以及物面形变的空间梯度，进而确定物面的滚转角，使得降低了滚转角测量速度。由于根据剪切散斑干涉法测量得到的物面滚转所引起的相位变化，可以直接确定物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，因此，可以直接基于该空间梯度确定物面的滚转角，有效提高了滚转角测量速度，使得可以满足工程应用中对滚转角测量的时效要求。

在一种可能的实现方式中，根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面的滚转角，包括：根据物面滚转所引起的相位变化、剪切散斑干涉法所采用的入射光的波长、照射到物面上的入射光的照明角度，确定物面的滚转角。

根据公式(2)和(8)可以确定，物面的滚转角Δθ为：

当滚转角较小时，根据公式(7)和(8)可以确定：

根据公式(2)和(11)可以确定，物面的滚转角为：

同理，当入射到物面的两路光均位于yoz平面，也可以采用上述方法确定物面的滚转角，这里不再赘述。

在一种可能的实现方式中，采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，包括：在物面滚转的过程中，采用剪切散斑干涉法测量物面在预设时长内的相位分布信息；根据物面在预设时长内的相位分布信息，确定物面上的目标观测点在预设时长内由物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面的滚转角，包括：根据目标观测点在预设时长内由物面滚转所引起的相位变化，确定物面在预设时长内各个测量时刻的滚转角。

由于根据剪切散斑干涉法可以直接得到物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，且物面上任意一点对应的形变在剪切方向的空间梯度是相同的，因此，在物面滚转过程中，可以根据图像传感器在预设时长内连续采集剪切散斑干涉法测量光路中的剪切散斑干涉图像，得到物面在预设时长内的相位分布信息，进而仅关注物面上的目标观测点(可以为物面上的任意一点)，确定目标观测点在预设时长内由物面滚转所引起的相位变化，进而仅根据时间轴上追踪目标观测点的相位变化，可以确定物面在预设时长内各个测量时刻的滚转角，从而有效实现对物面滚转角的长时间监测，满足工程应用中对滚转角测量的时效要求。

通过采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，进而根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面的滚转角，从而可以实现对物面的滚转角的非接触式测量，有效减小测量误差，并且由于剪切散斑干涉法在一定程度上放松了严格的机械和热稳定性要求，使得该方法可以适应非实验环境下的滚转角测量。

可以理解，本公开提及的上述各个方法实施例，在不违背原理逻辑的情况下，均可以彼此相互结合形成结合后的实施例，限于篇幅，本公开不再赘述。本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。

此外，本公开还提供了滚转角测量装置、电子设备、计算机可读存储介质、程序，上述均可用来实现本公开提供的任一种滚转角测量方法，相应技术方案和描述和参见方法部分的相应记载，不再赘述。

图3示出本公开实施例的一种滚转角测量装置的框图。如图3所示，装置30包括：

剪切散斑干涉测量模块31，用于采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化；

滚转角测量模块32，用于根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面的滚转角。

在一种可能的实现方式中，剪切散斑干涉测量模块31，包括：

第一测量子模块，用于在物面滚转前，采用剪切散斑干涉法测量物面的第一相位分布信息；

第二测量子模块，用于在物面滚转后，采用剪切散斑干涉法测量物面的第二相位分布信息；

第一确定子模块，用于根据第一相位分布信息和第二相位分布信息，确定物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，滚转角测量模块32具体用于：

根据物面滚转所引起的相位变化，确定物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度；

根据物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，确定物面的滚转角。

在一种可能的实现方式中，剪切散斑干涉测量模块，包括：

第三测量子模块，用于在物面滚转的过程中，采用剪切散斑干涉法测量物面在预设时长内的相位分布信息；

第二确定子模块，用于根据物面在预设时长内的相位分布信息，确定物面上的目标观测点在预设时长内由物面滚转所引起的相位变化。

在一种可能的实现方式中，滚转角测量模块具体用于：

根据所述目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面在所述预设时长内各个测量时刻的滚转角。

在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。

本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。计算机可读存储介质可以是非易失性计算机可读存储介质。

本公开实施例还提出一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行上述方法。

本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，当计算机可读代码在设备上运行时，设备中的处理器执行用于实现如上任一实施例提供的滚转角测量方法的指令。

本公开实施例还提供了另一种计算机程序产品，用于存储计算机可读指令，指令被执行时使得计算机执行上述任一实施例提供的滚转角测量方法的操作。

图4示出本公开实施例的一种测量***的框图。如图4所示，本公开实施例提供的测量***包括：剪切散斑干涉测量子***401、处理器402和存储器403；处理器402分别与剪切散斑干涉测量子***401和存储器403连接，可选地，处理器402可经总线和通信接口与剪切散斑干涉测量子***401通信连接，处理器402和存储器403可经总线通信连接。

处理器402用于执行程序，具体可以执行上述滚转角测量方法实施例中的相关步骤；例如，程序可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。存储器403用于存放至少一指令，存放的指令使处理器402执行以下操作：控制剪切散斑干涉测量子***401测量物面滚转所引起的相位变化，根据该相位变化确定物面的滚转角。

处理器402可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或者是被配置成实施本公开实施例的一个或多个集成电路。

存储器403可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(Non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

处理器所执行的程序中各步骤的具体实现可以参见上述实施例中的相应步骤、模块、子模块、单元中对应的描述，在此不再赘述。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的设备和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程描述，在此不再赘述。

在本公开上述各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。有关装置、设备或***实施例的实施原理或过程的相关描述，可参见相应方法实施例的记载，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本公开的装置、方法、***等实施例中，显然，各部件(***、子***、模块、子模块、单元、子单元等)或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。同时，在上面对本公开具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种滚转角测量方法，其特征在于，包括：

采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，其中，所述相位变化中包括物面上任一点由物面滚转所引起的相位变化，所述相位变化是滚转角的函数；

根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角；

采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，包括：

在所述物面滚转的过程中，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面在预设时长内的相位分布信息；

根据所述物面在所述预设时长内的相位分布信息，确定所述物面上的目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，包括：

在所述物面滚转前，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第一相位分布信息；

在所述物面滚转后，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第二相位分布信息；

根据所述第一相位分布信息和所述第二相位分布信息，确定所述物面滚转所引起的相位变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角，包括：

根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度；

根据所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，确定所述物面的滚转角。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角，包括：

根据所述目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面在所述预设时长内各个测量时刻的滚转角。

5.一种滚转角测量装置，其特征在于，包括：

剪切散斑干涉测量模块，用于采用剪切散斑干涉法测量物面滚转所引起的相位变化，其中，所述相位变化中包括物面上任一点由物面滚转所引起的相位变化，所述相位变化是滚转角的函数；

滚转角测量模块，用于根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面的滚转角；

所述剪切散斑干涉测量模块，包括：

第三测量子模块，用于在所述物面滚转的过程中，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面在预设时长内的相位分布信息；

第二确定子模块，用于根据所述物面在所述预设时长内的相位分布信息，确定所述物面上的目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述剪切散斑干涉测量模块，包括：

第一测量子模块，用于在所述物面滚转前，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第一相位分布信息；

第二测量子模块，用于在所述物面滚转后，采用所述剪切散斑干涉法测量所述物面的第二相位分布信息；

第一确定子模块，用于根据所述第一相位分布信息和所述第二相位分布信息，确定所述物面滚转所引起的相位变化。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述滚转角测量模块具体用于：

根据所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度；

根据所述物面滚转所引起的物面形变在剪切方向的空间梯度，确定所述物面的滚转角。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述滚转角测量模块具体用于：

根据所述目标观测点在所述预设时长内由所述物面滚转所引起的相位变化，确定所述物面在所述预设时长内各个测量时刻的滚转角。

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