專利名稱：基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，屬于精密測量
技術領域。
2.
背景技術：
激光干涉測量技術廣泛應用于高精度測量領域，通過光束分離器把一束光分成兩 束， 一路通過已知的距離形成參考光束， 一路入射到測量目標反射后形成測量光束，干涉后 通過探測器探測兩束光干涉強度，干涉強度里面包含了與光程差相關的相位信息，通過測 量相位就可以得到目標的距離信息，如果采用單個波長，只能測量微小位移的變化。絕對距 離干涉測量系統(tǒng)需要使用多個波長，然后分析各自的相位差，提取與光程有關的相位信息。 由于使用多個激光器比較復雜和頻率復用難以實現(xiàn)，加上頻率可調激光器的發(fā)展，出現(xiàn)了 頻率掃描干涉測量方法。 基于頻率掃描干涉的測量方法在絕對距離測量方面具有顯著的優(yōu)點，通過頻率可 調半導體激光器在無跳模范圍內連續(xù)調節(jié)，探測器檢測干涉相位的變化，利用時間對相位 解纏可以完整恢復纏繞相位，根據(jù)相位和目標距離的線性關系，可以直接得到目標的絕對 距離，它克服了其他干涉測量方法測量距離短、只能測量相對距離的缺點，彌補了飛行時間 法等方法測量精度不高的不足之處，可以實現(xiàn)長距離絕對距離測量，但由于運動誤差和相 位周期性非線性，以及頻率穩(wěn)定的影響，限制了其應用領域。 專利號為CN98101034. 2的專利中提出了一種絕對距離測量的波長掃描干涉系統(tǒng) 及其信號處理方法，采用單模光纖連成一體的掃描光源，進行掃描，由參考干涉計和測量干 涉計組成測量光路，整個光路采用光纖連接具有體積小、抗干擾的優(yōu)點。由于系統(tǒng)采用數(shù)據(jù) 處理的方法確定波長掃描范圍，因此掃描范圍不能精確測定，這直接影響到絕對距離的測 量精度，并且測量干涉計由自聚焦透鏡和測量物體表面組成，使得測量范圍有限，只適合短 距離絕對距離測量或物體表面平整度測量等領域。 專利號為US5781295的專利中提出了一種雙激光器絕對距離干涉測量系統(tǒng)，其中 至少一個激光器頻率可調，采用單個聲光調制器進行頻移產(chǎn)生外差信號，利用可變式合成 波長干涉的方法進行絕對距離測量，在激光器、聲光調制器和光束分離器之間采用光波導 連接，使得系統(tǒng)結構簡單，并降低了環(huán)境因素對相位分辨率的影響。同時該方法降低了對激 光無跳模的要求，激光器不必連續(xù)掃描。但是，該系統(tǒng)需要采用兩個激光器，要想實現(xiàn)長距 離測量，激光器波長變化范圍要求較大，難以實現(xiàn)，而且合成波長依賴于激光器掃描的初始 頻率和終止頻率，如果不加以穩(wěn)頻，很難精確測量激光器兩端的頻率，因此較難實現(xiàn)高精度 專利號為US7292347B2的專利，提出了 一種雙激光器絕對距離干涉測量系統(tǒng)，其 中至少一個激光器頻率可調，集合了低、中、高三種分辨率測量技術，先采用較大的合成波 長，進行粗測，然后采用中等和較小的合成波長，逐步提高絕對距離測量的分辨率，可以測 量稍大范圍的距離，但是過程比較復雜，并且存在和專利US578125同樣的缺點，合成波長
3與激光器掃描的起止頻率和步長有關，要想實現(xiàn)高精度的測量還需要穩(wěn)頻裝置，因此具有 大范圍測量精度不高的缺點。 由于應用領域不同，上述專利各有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，根據(jù)目前長距離絕 對測距的的需求，結合以上絕對干涉測距方法的優(yōu)點和不足之處，提出了一種新的絕對距 離測量系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)高精度、大范圍絕對距離測量。
3.

發(fā)明內容
本發(fā)明是針對長距離、高精度絕對距離測量領域的應用，提出的一種新的測量系 統(tǒng)，采用了激光穩(wěn)頻技術、頻率監(jiān)視技術、實時折射率測量技術、運動誤差補償技術，正交探 測和外差探測技術，并且利用數(shù)字信號處理的方法消除周期性相位非線性誤差的方法，采 用高速DSP處理器控制激光器的穩(wěn)頻及掃描，因此，該系統(tǒng)具有測量精度高、測量范圍大、 測量速度快的優(yōu)點。 本發(fā)明提出的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，包括頻率可調光 源、穩(wěn)頻單元、頻率監(jiān)視單元、折射率實時測量電路、測量干涉光路，信號接收和處理單元， 以及核心控制單元，其特征在于，所述的測量系統(tǒng)各模塊自成體系，通過單模保偏光纖或者 數(shù)據(jù)線連接，統(tǒng)一由DSP控制系統(tǒng)和電腦控制，光源發(fā)出的光由光束分離器進入穩(wěn)頻單元、 頻率監(jiān)視單元和測量干涉光路，其中穩(wěn)頻單元和頻率監(jiān)視單元的信息反饋至激光器，調節(jié)
激光器的波長，控制激光器頻率調節(jié)的范圍。 其中，所述光源部分包括頻率可調外腔式半導體激光器、隔離器、光束整形器、擴 束望遠鏡，其特征在于，所用的外腔式半導體激光器具有無跳模、掃描范圍大的特點，這樣 可以增加測量距離的長度，同時保證在激光器頻率調節(jié)的同時輸出光功率盡量保持恒定， 隔離器用來阻止后向反射光進入激光器影響激光器輸出的穩(wěn)定性，由于半導體激光器輸出 光的形狀為扁圓形，采用光束整形器把其光斑整形為圓形，同時通過望遠鏡調整光斑大小， 得到所需大小的光斑。 其中，所述的穩(wěn)頻單元包括電光調制器、探測器(包括直流型和交流型)、移相器、 混頻器、比例積分微分電路、法布里-珀羅腔(或光纖環(huán)形腔)和伺服反饋電路組成，其特 征在于，采用高精度的諧振腔進行穩(wěn)頻，用于記錄頻率掃描的起止點，確定激光器的掃描范 圍。 其中，所述的頻率的穩(wěn)定和鎖頻分四部分完成，(1)通過控制激光器的壓電體使激 光器頻率快速掃描，并通過頻率監(jiān)視部分監(jiān)視頻率的變化；(2)根據(jù)諧振腔透射光強值，當 頻率接近諧振腔的透射頻率時，放慢掃描速度，搜索與諧振腔透射頻率相近的頻率；(3)當 諧振腔內透射光功率超過門限時，記錄下此時的壓電值或相應的頻率變化量，該值作為參 考值來進行初始穩(wěn)頻；(4)根據(jù)穩(wěn)頻產(chǎn)生的誤差信號反饋至激光器，通過控制電流找到諧 振腔精確的透射頻率進行穩(wěn)定。 其中，所述的頻率監(jiān)視部分采用一路非對稱的馬赫-曾德爾干涉計，采用正交探 測的方式消除由偏振分光棱鏡和普通分光棱鏡引起的相位非線性誤差，在干涉計光程差 已知情況下，利用正交探測技術，計算出干涉計的相位差，根據(jù)的光程差和相位差之間的關 系，從而得出激光器的頻率，探測器的輸出實時反饋至激光器，以確保激光頻率變化的線 性。
其中，所述的折射率測量模塊主要由溫度、濕度和大氣壓傳感器組成，采用單片機 或DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，根據(jù)修正Edlen公式求得空氣的折射率，同時把折射率信 息實時傳送至總控制系統(tǒng)，根據(jù)光程差和實際距離之間的關系就可以計算出目標的實際距 離。 其中，所述的測量干涉光路采用外差探測方式，首先把光束分成兩路，一路經(jīng)過聲 光調制器產(chǎn)生一定的頻差，兩束光經(jīng)過空間濾波后，進入兩路平行的馬赫-曾德爾干涉計 形成參考光路和測量光路，為了消除周期性相位非線性的影響，所有的分光棱鏡均采用非 偏振分光棱鏡，為了消除"鬼影"反射的影響所有的光學元件均傾斜一定的角度，為了消除 空氣振動對測量精度的影響，測量應采取一定的保護措施，如增加屏蔽裝置或加防護罩等。
其中，所述的信號接收和處理以及控制單元均采用高速DSP和計算機實現(xiàn)，完成 頻率監(jiān)視單元的相位解纏、測量干涉計相位計算、運動誤差補償、周期性相位非線性誤差消
除，以及整個系統(tǒng)的同步。 其中，所述的頻率監(jiān)視單元的相位解纏采用正交探測的方法獲取周期性纏繞相 位，在滿足奈奎斯特采樣定理的情況下，通過對時間積分的方法，在噪聲很小的情況下可以 恢復完整的相位差。 其中，所述的測量干涉計相位計算分兩步實現(xiàn)，采用5個計數(shù)器，其中兩個計數(shù)器 用于相位粗測，得到相位的整數(shù)部分，兩個用于相位精測，得到相位的小數(shù)部分，1個計數(shù)器 用來同步計算器和DSP控制系統(tǒng)，記錄激光器鎖頻和解鎖的時間。 其中，所述的總體控制單元采用高速DSP單板機和計算機，實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間
的同步、信號的反饋控制、相位的解纏，及運動誤差補償?shù)?，是整個測量系統(tǒng)的核心。
本發(fā)明的主要特色 本發(fā)明提出的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，結合了激光器穩(wěn) 頻技術、折射率測量技術、相位解纏技術、干涉測量技術，以及DSP信號處理和控制技術， 克服了傳統(tǒng)干涉測量存在相位纏繞，不能測量目標絕對距離，只能測量相對距離或增量測 量，以及測量距離短的缺點；采用模塊化的設計方案，各部分相互獨立，中間采用單模保偏 光纖或數(shù)據(jù)線連接使系統(tǒng)便于調試和集成；采用了運動誤差補償算法和周期性相位非線性 誤差的糾正算法，提高了相位測量的準確性；采用多步相位計算的方法，提高了相位計算的 精度；采用了實時折射率測量方案，克服了環(huán)境折射率對測量精度的影響，增加了其應用領 域。
4.


圖1是基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)總體框圖；
圖2是相位解纏流程圖； 圖3是纏繞相位"o"和解纏后相位"+ "仿真結果；
圖4是折射率測量示意圖；
圖5是周期性相位非線性誤差修正流程圖；
圖6是正交探測周期性相位非線性修正仿真結果；
圖7是修正前"+ "后"0"仿真結果對比圖。5.
具體實施例方式
圖1所示為系統(tǒng)總體框圖，激光器101發(fā)出的光經(jīng)過隔離器、l/2波片進入光束整 形器，把激光器光斑調整圓形，經(jīng)過擴束望遠鏡調整光斑大小，通過兩個偏振分光棱鏡把光 分成三部分，分別進入穩(wěn)頻單元102、頻率監(jiān)視單元103和測量光路105。采用偏振分光棱 鏡分光之前需采用波片，調整光波在水平和垂直方向的光強，保證分束后光強相同。
穩(wěn)頻部分102采用基于諧振腔的穩(wěn)頻方法，為提高頻率穩(wěn)定的精度，諧振腔可以 采用高精細度的法布里_珀羅腔或光纖環(huán)形腔，置于真空裝置，克服外界條件的影響，穩(wěn)頻 產(chǎn)生的誤差信號通過DSP控制系統(tǒng)104反饋至激光器，控制激光器的電流，調整激光器的頻 率與諧振腔的透射頻率一致。 頻率監(jiān)視部分103采用非平衡的馬赫_曾德爾干涉計，光程差已知，采用正交探測 的方法得到纏繞的相位，然后通過時間積分的方法恢復完整的相位差，具體的做法就是從 一個已知真實相位值的抽樣點開始，對其領域點進行差值的累加，這個差值等于纏繞相位 的差值，這樣不斷的擴張直到所有像素點都被解纏。圖2給出了相位解纏的流程圖，圖3為 根據(jù)該算法仿真得到的纏繞相位"o"和恢復后的連續(xù)相位"+ "，根據(jù)相位信息計算出激光 器的頻率，同時通過DSP控制系統(tǒng)104反饋至激光器，通過控制激光器的壓電控制器調節(jié)激 光器的頻率。 測量光路105采用外差干涉測量的方式， 一路通過聲光調制器產(chǎn)生適合干涉的頻 移，通過分束器分為參考干涉光路和測量干涉光路，光電探測器探測到的干涉強度信息通 過數(shù)據(jù)采集卡106輸入電腦107，根據(jù)粗測和精測的原理，計算相位的整數(shù)部分和小數(shù)部 分。 由于根據(jù)相位差求得的光程差與空氣的折射率有關，因此，需采用折射率實時測 量模塊108，實時測量空氣的折射率，由光程差計算出目標的絕對距離，圖4為折射率測量 示意圖，大氣壓傳感器201，溫度和濕度傳感器202實時測量大氣壓、溫度和濕度，通過單片 機203采集數(shù)據(jù)，送至計算機204進行處理，根據(jù)修正的Edlen公式 = 2 87774x 10-9p,1 + 10 10尸》(60.1 — 0.972) — 2 58 x俳—0.0590 +1
1+ 0.00366 lf 式中n為待求折射率，P為大氣壓，t為溫度，RH為相對濕度計算出大氣的折射率， 上位機利用Labview實現(xiàn)，通過顯示器205顯示。 光程差為L時，理想情況下所測量到得相位應為小=2 Ji LM 。但是相位測量過 程中存在著誤差，其中一類誤差通常是由器件之間的非理想排列以及器件本身的非理想特 性導致的。這類誤差在干涉法中經(jīng)常出現(xiàn)并且會影響到最終的測量精度。導致這類誤差的 原因，常見的有"鬼影"，它可以產(chǎn)生標準具效應；還有偏振器件對偏振光操作過程中所產(chǎn)生 的誤差等等，比如偏振分光器的非理想特性。另一類導致這種誤差的原因是電子器件的串 擾。這些原因綜合在一起，會導致測量到的相位和小=2^1 L/A不同，通常相位誤差會隨 著相位的變化呈現(xiàn)出周期性。頻率監(jiān)視單元和測量干涉光路求得的相位信息存在周期性相 位非線性的誤差，需要加以修正，修正算法流程圖如圖5所示，圖6給出了正交探測時周期 性相位非線性修正仿真結果圖，圖7為修正前相位"+ "和修正后相位"o"結果對比。以上 運算和誤差修正均有計算機107實現(xiàn)，最后結果通過109顯示。最后，運動誤差補償可以采 用在相同的時間間隔、頻率間隔內進行多點平均實現(xiàn)。
權利要求
一種基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)，包括頻率可調光源、穩(wěn)頻單元、頻率監(jiān)視單元、折射率實時測量電路、測量干涉光路，信號接收和處理單元，以及總體控制單元，其特征在于所述的測量系統(tǒng)各模塊自成體系，通過單模保偏光纖或者數(shù)據(jù)線連接，統(tǒng)一由DSP控制系統(tǒng)和電腦控制，光源發(fā)出的光由光束分離器進入穩(wěn)頻單元、頻率監(jiān)視單元和測量干涉光路，其中穩(wěn)頻單元和頻率監(jiān)視單元的信息反饋至激光器，調節(jié)激光器的波長，控制激光器頻率調節(jié)的范圍。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)，其特征在于激光器 采用無跳模頻率可調半導體激光器，激光器發(fā)出的光經(jīng)過隔離器阻止后向散射光反射至激 光器影響激光器穩(wěn)定性，采用光束整形器調整光斑形狀，采用望遠鏡調節(jié)光斑大小。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)，其特征在于激光器 發(fā)出的光經(jīng)過諧振腔穩(wěn)頻技術穩(wěn)頻，并通過判斷諧振腔經(jīng)過自由光譜區(qū)的個數(shù)來計算頻率 掃描范圍。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)，其特征在于頻率監(jiān) 視單元采用非對稱的馬赫-曾德爾干涉計，探測器的輸出反饋至激光器，控制激光器壓電 體，保證激光器變化的線性。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)，其特征在于折射率 實時測量電路采用溫度、濕度和大氣壓傳感器，實時采集數(shù)據(jù)，并通過單片機或DSP傳送至計算機，根據(jù)Edlen公式計算出空氣的折射率，用以從光程差提取目標的絕對距離。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)，其特征在于測量光路采用外差探測的方式，所有分光棱鏡均采用非偏振分光棱鏡，所有光學元件均傾斜一定 角度，采用屏蔽裝置消除環(huán)境因素的影響。
7. 根據(jù)權利要求1所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于信號的接收和處理采用高速DSP和計算機實現(xiàn)，完成頻率監(jiān)視單元的相位解纏、測量干涉計相位計算、運動誤差補償、周期性相位非線性誤差消除，以及整個系統(tǒng)的同步。
8. 根據(jù)權利要求7所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量的相位解纏及周期性相位誤差消除方法，其特征在于在滿足奈奎斯特采樣定理的情況下，通過對時間積分的方法恢復完整的相位差，在系統(tǒng)掃描的同時，根據(jù)所得到的相位差信息，通過數(shù)據(jù)擬合，采用主動 補償算法對信號進行修正。
9. 根據(jù)權利要求7所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量的測量干涉計相位計算方法，其特征在于采用5個計數(shù)器，兩個計數(shù)器用于相位粗測，得到相位的整數(shù)部分，兩個用于相位精測，得到相位的小數(shù)部分，1個計數(shù)器用來實現(xiàn)所有計數(shù)器的同步。
10. 根據(jù)權利要求7所述的基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量的運動誤差補償方法，其特征在于在相同的時間間隔、頻率間隔內進行多點平均實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于諧振腔穩(wěn)頻的絕對距離測量系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，屬于精密測量技術領域。該系統(tǒng)結合了激光器穩(wěn)頻技術、折射率測量技術、相位解纏技術、干涉測量技術，以及DSP信號處理和控制技術，采用模塊化的設計方案，各部分相互獨立，中間采用單模保偏光纖或數(shù)據(jù)線連接；根據(jù)誤差來源設計了周期性相位非線性誤差糾正和運動誤差補償算法，提高相位測量的準確性；采用多步相位計算的方法，提高相位計算的精度；采用實時折射率測量方案，克服空氣折射率變化對測量精度的影響，增加了其應用領域。
文檔編號G01B11/02GK101738167SQ201010101590
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2010年1月26日
發(fā)明者張緒國, 李志棟, 桑峰, 江月松, 王林春, 辛遙, 鄧士光 申請人:北京航空航天大學