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摘要：本发明公开了一种基于旋转双棱镜的光线接收系统，包括光线的接收、双棱镜结构设计以及对接收光束的偏转。系统主体结构由两个楔形棱镜同轴相对放置组成，用于对入射光线实现偏转，形成水平出射的光线。使用位置探测器来获取从棱镜出射的光线的坐标信息。使用透镜对从棱镜结构出射的光线进行汇聚，使平行光线汇聚至焦点上。在透镜焦点处放置光电探测器，使用光电探测器接收光信号。系统工作流程包括光线方向估计、棱镜旋转角度的计算以及光线汇聚三个阶段。在光束方向估计阶段，利用位置探测器上的坐标点结合迭代算法来确定入射光线的方向。该系统的优点是：算法简单、重量轻、结构紧凑、精度高。

主权项：1.一种基于旋转双棱镜的光线接收系统，其特征在于，包括双棱镜结构、分束器3、位置探测器4、凸透镜5以及光电探测器6；所述双棱镜结构包括第一棱镜1和第二棱镜2，用于对光束进行偏转；第一棱镜1和第二棱镜2沿同一光轴垂直平行放置；第一楔形棱镜1和第二楔形棱镜2组成的双棱镜结构宽为D1；建立坐标系，以第一棱镜1的第一个平面中心点所在位置为坐标原点，记为0,0,0，z轴为第一棱镜1光轴，x轴垂直朝上，y轴垂直朝外；第一棱镜1和第二棱镜2绕逆时针旋转为正方向；在双棱镜结构后方利用分束器3，将一部分光束引导到位置探测器4上；所述分束器3位于双棱镜结构后方D2距离处；所述位置探测器4设置在分束器3侧方，其所获信息用于估计入射光线方向；在分束器3后方放置凸透镜5，凸透镜5焦距为f0；所述凸透镜5位于分束器3后方D3距离处，用来对光线进行汇聚；所述光电探测器6设置在凸透镜5后方f0处，用于接收光线；设置第一棱镜1和第二棱镜2的初始旋转角度，记录位置探测器4上的坐标点，利用迭代算法得到入射光线的方向向量；根据得到的入射光线的方向向量，利用两步法推算出使入射光线水平出射的棱镜旋转角度以作为最优化模型的初始解；根据该初始解来调整棱镜后出射光线的出射方向与水平方向的差距的在1°以内；再利用最优化模型将初始解进一步迭代收缩，根据优化以后的结果来调整棱镜的旋转角度使误差降低至0.2°以内；通过凸透镜5将水平光线汇聚至光电探测器6，完成接收端的光线接收工作；所述迭代算法包括如下步骤：步骤1，在初始状态下第一棱镜1的旋转角度为θ10，第二棱镜2的旋转角度为θ20，根据入射光线a0通过双棱镜结构后在位置探测器4上反馈信息，计算出光线在位置D2处的坐标，记录下坐标值为Pr＝xpr,ypr,zpr；步骤2，已知入射光线a0在第一棱镜1平面上的入射点为P0x0,y0,0，假设出射光线a4从第二棱镜2出射时的出射点在第二棱镜2平面上，与入射点水平，坐标为Ex0,y0,-D1；得到近似的出射光线方向表示为：a4i＝Pr-E＝[xpr-x0,ypr-y0,zpr+D1]步骤3，已知双棱镜结构从左至右各个表面的法向量分别为：第一棱镜1的第一个面：n11＝[0,0,1]第一棱镜1的第二个面：n12＝[-cosθ1*sinα1,-sinθ1*sinα1,cosα1]第二棱镜2的第一个面：n21＝[cosθ2*sinα2,sinθ2*sinα2,cosα2]第二棱镜2的第二个面：n22＝[0,0,1]其中，θ1代表第一棱镜1的旋转角度，θ2代表第二棱镜2的旋转角度；α1代表第一棱镜1的顶角，α2代表第二棱镜2的顶角；因此根据光路可逆的原理，利用折射定律计算得到入射光线的方向：a4＝a4i 其中，N1表示第一棱镜1表面的折射率，N2表示第二棱镜2表面的折射率，a1-a4表示光线在双棱镜结构中的折射过程中轨迹向量；a0表示入射光线的方向矢量；步骤3，利用步骤1第一棱镜1初始的旋转角度θ10和第二棱镜2初始的旋转角度θ20以及步骤2中推导得到的入射光线a0，正向推导出射光线的方向以及出射点、位置探测器4上坐标点的坐标值；步骤4，比较步骤3得到的位置探测器4坐标点的坐标值和实际位置探测器4上坐标点Pr的值，计算两者差值若两者差值小于0.001，得到入射光线的方向，结束算法；否则，将出射点的坐标更新为步骤3推导出来的出射点的坐标值，重新返回步骤2；所述两步法具体包括以下步骤：步骤a，利用已知的入射光线方向向量，推导出第一棱镜1和第二棱镜2的旋转角度差Δθr，保持第一棱镜1的旋转角度为0°，第二棱镜2的旋转角度为Δθr：利用折射定律计算出此时水平入射的光线通过第二棱镜2以后的出射光线的方位角步骤b，在步骤a的基础上对第一棱镜1和第二棱镜2再旋转相同的角度值经过步骤a和步骤b得到第一棱镜1和第二棱镜2的旋转角度为： 其中，为入射光线的方位角；出射光线和光轴的夹角定义为出射光线的俯仰角，可知当出射光线俯仰角为0时，出射方向达到水平；建立最优化模型，优化目标函数为： 其中，a4为出射光线方向向量，z为与光轴方向平行的方向向量；将初始解设定为步骤b得到的解，利用最优化算法求解优化目标函数。

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百度查询： 东南大学 一种基于旋转双棱镜的光线接收系统