本发明涉及扭转角测量装置及方法，具体涉及一种基于直角棱镜像旋的轻小型扭转角高精度测量装置及方法。
背景技术：
1、在大型系统装备装配、结构变形监测、航天器对接等工况下，对目标空间姿态进行高精度测量具有重要意义。特别是在航天等光热条件严酷的环境下，对卫星天线、光学载荷等器件的外形或姿态变化进行轻小型化精密测量，不仅对理论研究有重要价值，也具有显著的工程应用价值。空间三维姿态角包括俯仰角(pitch angle)、偏航角(yaw angle)和扭转角(torsion angle)，其中俯仰角和偏航角可通过二维自准直仪进行高精度测量，测量精度可达到亚角秒级，该技术已经相当成熟。
2、相比之下，扭转角的测量因合作目标架设的原因，测量难度较大。当前，常用的测量方法有偏振光法、莫尔条纹法、双角锥棱镜准直法等，并在不同场合均有应用。然而，这些方法在空间环境下的应用存在体积、重量和功率等方面的问题。例如：
3、(1)偏振光法：系统组成复杂，需要通过磁光调制进行扭转角测量，导致设备体积和复杂性增加；
4、(2)莫尔条纹法：需要有光栅对，算法处理复杂，量程较小(一般在3°以内)，作用距离近(2m以内)，限制了该方法在实际应用中的适用性；
5、(3)双角锥棱镜准直法：需要两个成像系统，存在体积大、功耗高的缺点，难以满足轻小型化的要求。
6、因此，开发能够在严酷环境下使用，满足体积、重量和功率严格要求的高精度扭转角测量技术，成为当前研究和应用中的一个重要方向。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有扭转角的测量方法无法满足空间环境下的体积、重量和功率等方面要求的不足之处，而提供一种扭转角高精度测量装置及方法。
2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
3、一种扭转角高精度测量装置，其特殊之处在于：包括照明光源，以及沿照明光源的出射光路依次设置的圆点阵列、分光棱镜、准直物镜前正组、直角棱镜，以及成像芯片和与成像芯片连接的数据处理单元；
4、所述照明光源用于产生信号光；信号光依次经过圆点阵列调制、分光棱镜反射、准直物镜前正组准直后输出至直角棱镜；
5、所述直角棱镜用于设置在被测对象上，以接收信号光并将其反射回准直物镜前正组；所述直角棱镜的反射光依次经过准直物镜前正组准直、分光棱镜透射后输出至成像芯片，形成圆点阵列图像；
6、所述成像芯片用于捕捉圆点阵列图像并发送至数据处理单元；
7、所述数据处理单元用于由圆点阵列图像提取出圆点阵列的位置信息，计算被测对象的扭转角度。
8、进一步地，还包括匀光元件、反射镜、发射场镜和透镜组件；
9、所述匀光元件位于照明光源与圆点阵列之间，用于对信号光进行匀光处理；
10、所述反射镜、发射场镜沿光路依次设置在圆点阵列与分光棱镜之间，分别用于折转光路、平行准直；
11、所述照明光源、匀光元件、圆点阵列、反射镜、发射场镜、分光棱镜、准直物镜前正组构成发射光学模块；
12、所述透镜组件位于分光棱镜与成像芯片之间，且与分光棱镜、准直物镜前组构成接收光学模块，用于聚焦成像。
13、进一步地，所述发射光学模块的焦距等于接收光学模块的焦距，所述圆点阵列、成像芯片分别位于发射光学模块、接收光学模块的焦平面。
14、进一步地，所述圆点阵列采用由两个圆点组成的阵列，两个圆点之间的距离与成像芯片的大小相匹配。
15、进一步地，所述数据处理单元包括输出输入依次连接的数据处理芯片、图像处理电路、角度解算电路和上位机；所述数据处理芯片的输入端通过高速数据接口连接成像芯片，数据处理芯片用于对圆点阵列图像进行图像预处理，并输出处理后数据至图像处理电路，图像处理电路用于提取出圆点阵列的位置信息，并输出至角度解算电路；角度解算电路用于计算扭转角度，并输出至上位机进行显示和记录。
16、一种扭转角高精度测量方法，采用上述扭转角高精度测量装置，其特殊之处在于，包括如下步骤：
17、步骤1、启动光源，产生信号光，通过圆点阵列对信号光进行调制，再依次经过分光棱镜、准直物镜前正组输出至直角棱镜，然后通过直角棱镜反射回准直物镜前正组，通过分光棱镜输出至成像芯片上，形成圆点阵列图像；
18、步骤2、通过成像芯片捕获圆点阵列图像输出至数据处理单元，通过数据处理单元提取出圆点阵列的位置信息，并计算被测对象的扭转角度，完成扭转角高精度测量。
19、进一步地，所述步骤1具体为：
20、启动光源，产生信号光，通过匀光元件对信号光进行匀光处理，输出至圆点阵列进行调制，输出调制后光束，再依次经过反射镜、发射场镜、分光棱镜、准直物镜前正组输出至直角棱镜，然后通过直角棱镜的直角反射面反射返回准直物镜前正组，依次经过分光棱镜、透镜组件聚焦到成像芯片上，形成圆点阵列图像。
21、进一步地，所述步骤2具体为：
22、步骤2.1、成像芯片将捕获的圆点阵列图像通过高速数据接口传输到数据处理芯片，数据处理芯片完成初步的图像预处理后，输出处理后数据至图像处理电路；图像处理电路提取出圆点阵列的位置信息，并输出至角度解算电路；
23、步骤2.2、角度解算电路根据圆点阵列的位置信息计算出被测对象的扭转角度；
24、步骤2.3、角度解算电路将被测对象的扭转角度输出至上位机进行显示和记录，完成扭转角高精度测量。
25、进一步地，步骤2.1中，所述圆点阵列采用由两个圆点组成的阵列，圆点阵列的位置信息为两个圆点的质心像素坐标c(x1，z1)和c(x2，z2)；
26、步骤2.2中，所述被测对象的扭转角度为
27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28、(1)本发明一种扭转角高精度测量装置，包括照明光源、圆点阵列、分光棱镜、准直物镜前正组、直角棱镜、成像芯片和数据处理单元；本发明采用准直光学原理和直角棱镜的像旋特性，对照明光源通过圆点阵列进行调制，照射到直角棱镜上，再接收反射光，进行清晰成像后，处理解算圆点阵列的扭转角，可以高精度测量直角棱镜的扭转角，即得到被测对象的扭转角度，测量精度可以达到3″以内。
29、(2)本发明采用准直物镜前正组，发射光学模块与接收光学模块共用部分光路(分光棱镜、准直物镜前正组)，具有组成简单，体积小、重量轻，适用性强的优点，特别适用于航空航天飞行器等对载荷体积重量轻小型化要求高的环境。
30、(3)本发明选用圆点阵列对信号光进行调制，其具有加工工艺要求低，成像后圆点质心像素坐标提取算法简单、精度高的优点，圆点阵列可以根据需要进行多点设置，保证扭转角的测量精度，便于实现扭转角的高精度测量。
31、(4)本发明所设计光学系统的发射光学模块与接收光学模块焦距相等，且圆点阵列位置与成像芯片位置共轭，有利于进一步减小装置体积，并提高扭转角的测量精度。
32、(5)本发明在被测对象上设置直角棱镜，其加工精度高、体积小，便于安装，可以对扭转角进行两倍放大，通过合理的选用光机材料，具有非常好的温度适应性。
33、(6)本发明一种扭转角高精度测量方法，主要依赖于直角棱镜、分光棱镜和成像芯片，相较于偏振光法和双角锥棱镜准直法，整体系统更加紧凑，便于集成和安装，并且整体重量较轻，适合在对重量有严格要求的空间环境中应用；此外，相较于莫尔条纹法需要复杂的光栅对和处理算法，本发明方法的计算过程较为简单，主要通过提取圆点阵列的质心像素坐标计算旋转角度，降低了算法复杂性，且没有像莫尔条纹法那样严格的量程限制，适用于更广范围的角度测量需求，能够满足多种应用场合。
1.一种扭转角高精度测量装置，其特征在于：包括照明光源(1)，以及沿照明光源(1)的出射光路依次设置的圆点阵列(3)、分光棱镜(6)、准直物镜前正组(7)、直角棱镜(8)，以及成像芯片(10)和与成像芯片(10)连接的数据处理单元(11)；
2.根据权利要求1所述的一种扭转角高精度测量装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种扭转角高精度测量装置，其特征在于：
4.根据权利要求2或3所述的一种扭转角高精度测量装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种扭转角高精度测量装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的一种扭转角高精度测量装置，其特征在于：
7.一种扭转角高精度测量方法，采用权利要求1所述的扭转角高精度测量装置，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种扭转角高精度测量方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
9.根据权利要求7或8所述的一种扭转角高精度测量方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
10.根据权利要求9所述的一种扭转角高精度测量方法，其特征在于：
