一种拉曼位移晶体绝对式编码器及解码方法与流程

本发明涉及绝对式编码器，具体为一种拉曼位移晶体绝对式编码器及解码方法。

背景技术：

1、绝对式编码器主要用于获取旋转部件相对于预定基准位置的绝对角位置信息，广泛应用于精密角位移测量、光电传感和运动控制领域。随着机器人关节、伺服驱动及特殊环境执行机构向小型化、高分辨率和高可靠性方向发展，编码器不仅需要满足绝对位置读取要求，还需要适应振动、温度变化及电磁干扰条件；因此，在旋转侧不设置供电及信号处理电路，并由固定侧以非接触方式完成高分辨率绝对位置读取，成为绝对式编码器的重要技术方向。

2、现有无源光学绝对式编码器通常在随被测轴转动的码盘上设置透光、遮光、反射、滤光或光栅编码区域，并由固定侧光源和探测器根据光强变化、通断状态、几何图案或有限光谱通道关系识别绝对位置，该类编码方式的码字形成较多依赖码盘几何结构、光强状态以及码盘与固定侧光学系统之间的相对位置关系，在振动、温度变化造成光学间隙、焦点状态、结构尺寸或相对位置发生变化时，所获取的编码响应容易产生变化；同时，对于采用光栅码轨形成绝对位置编码的方案，提高位置分辨能力通常需要提高编码图案密度、增加编码轨道或者提高光学成像及对准精度，使高分辨率与码盘尺寸、码轨数量及读取精度之间形成进一步的设计约束，导致现有无源光学绝对式编码器在环境扰动条件下的编码信息稳定性以及高分辨率小型化能力受到限制。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种拉曼位移晶体绝对式编码器及解码方法，解决现有无源光学绝对式编码器以几何结构或光强状态形成位置编码时，编码信息在环境扰动条件下的稳定性以及高分辨率条件下的空间编码能力受到限制的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种拉曼位移晶体绝对式编码器，包括：

3、拉曼编码载体，与被测轴连接并随所述被测轴转动，所述拉曼编码载体沿运动方向设置多个拉曼编码单元，各所述拉曼编码单元包括由拉曼位移晶体形成的拉曼活性区，并具有与绝对位置对应且彼此可区分的拉曼谱指纹；

4、固定侧光学读出组件，与所述拉曼编码载体间隔设置，用于向处于读取位置的所述拉曼编码单元发射泵浦光，并接收所述拉曼编码单元产生的拉曼散射光；

5、光谱检测组件，与所述固定侧光学读出组件连接，用于获取所述拉曼散射光对应的光谱数据；

6、角度解码组件，与所述光谱检测组件连接，用于根据所述光谱数据生成拉曼频移特征和拉曼谱指纹特征，并将所述拉曼谱指纹特征与预存位置码本进行匹配，根据匹配结果确定所述被测轴的绝对角位置，所述预存位置码本包括所述拉曼编码单元对应的拉曼谱指纹特征与绝对角位置之间的映射关系。

7、通过采用上述技术方案，通过在随被测轴转动的拉曼编码载体上设置多个由拉曼位移晶体形成的拉曼编码单元，利用所述拉曼位移晶体的材料相关振动模式形成包含拉曼频移特征的拉曼谱指纹，并由固定侧光学读出组件完成泵浦和拉曼散射光读取，再由光谱检测组件和角度解码组件完成拉曼谱指纹提取及位置码本匹配，从而使绝对位置码字不再仅由码盘几何明暗状态或绝对光强状态表征，而能够由拉曼位移晶体对应的多维光谱特征表征，降低绝对位置识别对单一光强状态及几何编码状态的依赖，实现旋转侧无源条件下被测轴绝对角位置的非接触识别与输出，并为环境扰动条件下的稳定读取以及高分辨率小型化提供技术基础。

8、优选的，所述拉曼编码载体包括承载基底和设置于所述承载基底上的拉曼活性区，多个所述拉曼编码单元由所述拉曼活性区沿周向分区形成，各所述拉曼编码单元通过材料组成、晶向、掺杂状态、固溶状态、同位素组成、局部应力和模式选择结构中的至少一种形成不同的拉曼谱指纹。

9、优选的，所述拉曼编码单元沿周向构成粗码轨，所述拉曼编码载体还包括与所述粗码轨对应设置的细分码轨，所述粗码轨用于提供与绝对角位置对应的拉曼谱指纹，所述细分码轨用于提供所述拉曼编码单元对应角度范围内连续变化的细分光谱响应，所述角度解码组件根据所述粗码轨确定粗绝对角位置，并根据所述细分光谱响应生成位置细分数据和单圈绝对角位置。

10、优选的，所述固定侧光学读出组件包括泵浦光源、收发分离组件和光学头，所述泵浦光源输出的泵浦光经所述收发分离组件传输至所述光学头，并由所述光学头照射所述拉曼编码单元，所述光学头收集所述拉曼散射光并经所述收发分离组件将所述拉曼散射光引导至所述光谱检测组件。

11、优选的，所述光谱检测组件包括滤光组件和光谱探测器，所述滤光组件用于抑制所述拉曼散射光中的残余泵浦光，所述光谱探测器用于形成所述光谱数据，所述角度解码组件用于对所述光谱数据进行背景抑制、拉曼峰识别和峰形拟合，获得斯托克斯峰波长信息、拉曼峰强度信息、拉曼峰宽信息和偏振响应信息，并根据多个拉曼峰的强度信息形成归一化峰强比特征。

12、优选的，还包括校准与自适应组件，所述拉曼编码载体设有参考区，所述校准与自适应组件用于获取所述参考区的参考光谱数据，根据所述参考光谱数据与预存参考谱特征的偏差生成光谱补偿参数，并根据所述光谱补偿参数校正所述拉曼频移特征和拉曼谱指纹特征，在所述偏差超出预设偏差范围时生成用于调节泵浦能量、泵浦偏振、焦点位置或积分时间中的至少一种读出参数的调节指令。

13、优选的，所述固定侧光学读出组件用于在所述拉曼编码载体的周向形成相互间隔的第一读取光斑和第二读取光斑，所述光谱检测组件用于分别获取所述第一读取光斑和所述第二读取光斑对应的第一拉曼光谱数据和第二拉曼光谱数据，所述角度解码组件用于根据所述第一拉曼光谱数据和第二拉曼光谱数据识别相邻拉曼编码单元的边界状态，并根据所述相邻拉曼编码单元的连续光谱响应生成位置细分数据。

14、优选的，还包括无源计圈组件，所述无源计圈组件包括辅助拉曼编码载体和无接触状态转换组件，所述无接触状态转换组件耦合于所述被测轴与所述辅助拉曼编码载体之间，用于将所述被测轴的累计转动状态转换并保持为所述辅助拉曼编码载体的机械相位或轴向位置，所述固定侧光学读出组件还用于读取所述辅助拉曼编码载体产生的辅助拉曼散射光，所述光谱检测组件和角度解码组件基于所述辅助拉曼散射光形成辅助拉曼谱指纹特征，所述角度解码组件根据所述单圈绝对角位置和辅助拉曼谱指纹特征确定累计圈数并生成多圈绝对角位置。

15、优选的，所述无接触状态转换组件包括磁谐波传动机构，所述磁谐波传动机构包括与所述被测轴同步转动的输入磁转子、与所述辅助拉曼编码载体连接的输出磁转子以及固定磁调制环，所述输入磁转子与所述输出磁转子具有不同的磁极对数，使所述辅助拉曼编码载体的机械相位在预定多圈量程内不随所述被测轴的单圈转动周期复位，所述角度解码组件根据所述单圈绝对角位置和所述辅助拉曼谱指纹特征确定累计圈数。

16、一种拉曼位移晶体绝对式编码器的解码方法，包括以下步骤：

17、向拉曼编码载体上处于读取位置的拉曼编码单元发射泵浦光，获取所述拉曼编码单元产生的拉曼散射光，对所述拉曼散射光进行光谱检测，获得泵浦波长信息和当前位置光谱数据；

18、对所述当前位置光谱数据进行背景抑制、泵浦泄漏抑制、拉曼峰识别和峰形拟合，获得斯托克斯峰波长信息以及拉曼峰强度特征、峰宽特征和偏振响应特征中的至少一种；

19、根据所述泵浦波长信息和斯托克斯峰波长信息获得拉曼频移特征，将所述拉曼频移特征与所述拉曼峰强度特征、峰宽特征和偏振响应特征中的至少一种组合形成当前位置的拉曼谱指纹特征；

20、将所述拉曼谱指纹特征与预存位置码本中的标定拉曼谱指纹特征进行匹配，确定目标拉曼编码单元；

21、根据所述目标拉曼编码单元与绝对角位置之间的对应关系生成所述被测轴的单圈绝对角位置。

22、本发明提供了一种拉曼位移晶体绝对式编码器及解码方法。具备以下有益效果：

23、1、本发明通过在随被测轴转动的拉曼编码载体上设置多个由拉曼位移晶体形成且具有不同拉曼谱指纹的拉曼编码单元，利用拉曼位移晶体的材料相关振动模式形成拉曼频移、峰组合及其他谱特征，并由固定侧完成泵浦、光谱读取以及谱指纹与位置码本的匹配，从而使绝对位置编码由主要依赖几何明暗状态或绝对光强状态的编码方式转变为以材料相关拉曼谱特征为基础的多维光谱编码，降低位置码字对单一光强变化及几何编码状态变化的依赖，提高不同绝对位置编码信息的稳定性和可区分性，并有利于提高振动、光路微小偏移及其他外部扰动条件下绝对位置读取的适应能力。

24、2、本发明通过粗码轨提供与绝对角位置对应的拉曼谱指纹，并通过细分码轨或相邻拉曼编码单元的连续光谱响应提供编码区间内部的位置细分信息，使粗码轨的编码单元数量与最终位置分辨率相互解耦，在提高角位置分辨能力时无需对应增加多条绝对几何码轨，能够减少高分辨率绝对位置编码对码轨数量、码盘径向空间及高密度几何图案的依赖，从而有利于在有限安装空间内兼顾绝对位置唯一性和高分辨率读取，提高高精度编码器的小型化设计潜力。

25、3、本发明通过在拉曼编码载体上设置参考区，由校准与自适应组件获取参考光谱数据，并将参考光谱数据与预存参考谱特征进行比对，根据产生的偏差对拉曼频移特征和拉曼谱指纹特征进行校正，同时在偏差超出预设范围时对泵浦能量、泵浦偏振、焦点位置或积分时间进行调节，从而能够对温度变化导致的谱特征漂移以及振动、安装偏移造成的光斑位置变化、耦合效率变化和光路衰减进行识别与补偿，使实际读取的拉曼谱指纹保持与预存位置码本相适配，提高编码器在温度变化、机械扰动及恶劣工作环境下的绝对角位置读取稳定性。

26、4、本发明通过无接触状态转换组件将被测轴的累计转动状态转换并保持为辅助拉曼编码载体的机械相位或轴向位置，并通过固定侧读取辅助拉曼编码载体产生的辅助拉曼谱指纹确定累计圈数；在采用磁谐波传动机构时，通过具有不同磁极对数的输入磁转子和输出磁转子，使辅助拉曼编码载体在预定多圈量程内形成不随被测轴单圈转动周期复位的机械状态，从而无需在旋转侧设置用于保持累计圈数的电池、电子计数器或电子存储器即可保存并读取多圈状态，实现被测轴多圈绝对角位置的无源非接触测量。