專利名稱：干涉相位比較法絕對距離測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于干涉相位比較法的絕對距離測量系統(tǒng)，主要是使用掃頻光源配 合光外差干涉相位探測技術(shù)，通過對兩路干涉臂的干涉相位漂移量進(jìn)行比較來獲得絕對距 離。屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域。可應(yīng)用于形貌測量，三維跟蹤控制以及長距離應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光干涉測量法可分為兩大類位移干涉測量法和絕對距離干涉測量法，位移干涉 測量法測量得到是相對位移，實施時，必須使用軌道和移動臺使得干涉臂長度連續(xù)變化，在 過程中光束不能被遮斷。相反，絕對距離干涉測量法測量得到的是絕對距離，測量時，干涉 臂長度保持不變，所以又稱作是無軌道干涉法，與位移干涉測量法比較，絕對距離干涉測量 法除了省去了導(dǎo)軌的架設(shè)，又省去了累計平臺移動時所產(chǎn)生的干涉條紋數(shù)變化的時間，且 具有測量時間快速的優(yōu)點。從70年代后絕對距離測量法已經(jīng)得到極大發(fā)展并且有著廣泛的應(yīng)用。在形貌測 量，三維跟蹤控制，空間任務(wù)，以及長距離應(yīng)用領(lǐng)域中均扮演重要角色。絕對測量的方法也 有很多，主要的方法有飛行時間法，單波長干涉法，多波長干涉法，頻率掃描干涉法等。飛行時間法也稱為非相干測量法，主要有脈沖測距法和相位差測距法，它們的最 大分辨率分別取決于時間分辨率和對應(yīng)于最高調(diào)制頻率的相位分辨率，但是測量精度受時 鐘穩(wěn)定性和脈沖速度(在空氣中受限)的影響，一般測量分辨率在毫米量級該方法沒有使 用干涉技術(shù)，所以測量精度很難提高。單波長干涉法采用單穩(wěn)激光器作為光源，根據(jù)相位的變化測量距離，該方法測得 的相位存在2 Ji整數(shù)倍的不確定性，為了避免這種不確定性，測量范圍必須很小，適用于較 短距離的測量。多波長干涉法在小數(shù)重復(fù)合法的原理基礎(chǔ)上發(fā)展出了合成波長的概念。利用多個 激光器形成波長較大的合成波長來增加干涉測量中相位非模糊的范圍，增加了測量距離， 但是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。傳統(tǒng)的頻率掃描干涉法采用單個頻率可調(diào)諧激光器，在掃頻過程中同時記錄下頻 率掃描范圍和干涉相位的漂移量即可得到絕對距離，傳統(tǒng)的頻率掃描干涉法存在著以下不 足(1)對頻率掃描范圍要十分精確，因此在頻率掃描的開始和結(jié)束階段，需要對頻率可調(diào) 諧激光器進(jìn)行精確穩(wěn)頻，這就需要額外使用頻率標(biāo)定器件來標(biāo)定頻率掃描的起點和終點， 通常為原子吸收譜或法布里泊羅腔，增加了系統(tǒng)控制難度和復(fù)雜度，增加了測量時間。(2) 絕對距離測量過程中需要對空氣折射率進(jìn)行測量，空氣折射率的測量精度在很大程度上影 響了絕對距離測量精度。(3)常常通過使用零拍頻的馬赫曾德爾干涉儀對干涉相位進(jìn)行正 交探測，以此監(jiān)測頻率掃描過程，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，零拍頻的馬赫曾德爾干涉儀中使 用了偏振分光鏡，導(dǎo)致正交探測的非線性誤差，需要對其進(jìn)行算法補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
由于傳統(tǒng)的頻率掃描干涉法存在著諸多缺點，本發(fā)明全部使用光外差探測技術(shù)得 到干涉相位，采用一個長度經(jīng)過提前標(biāo)定的標(biāo)定干涉臂和測量干涉臂同時得到外差干涉信 號，配合相位測量比較系統(tǒng)同時測量標(biāo)定干涉臂和測量干涉臂的相位漂移量，以此得到待 測絕對距離；避免了使用零拍頻馬赫曾德爾干涉儀和頻率標(biāo)定器件，無需知道頻率掃描范 圍，省去了復(fù)雜的穩(wěn)頻系統(tǒng)，提高了測量速度，在測量過程中無需測量空氣折射率，建立起 了絕對距離測量的有效方案。本發(fā)明是傳統(tǒng)頻率掃描干涉法的改進(jìn)和提高，采用如下技術(shù)方案發(fā)明提出如圖1所示的干涉相位比較法絕對距離測量系統(tǒng)其基本思想是在激光 頻率掃描過程中同時測量兩路光程差近似相等的干涉臂上的相位漂移量來得到待測絕對 距離。該系統(tǒng)主要由單個頻率可調(diào)諧外腔激光器，三路光外差干涉儀，相位測量比較系統(tǒng)組 成。在本發(fā)明中，系統(tǒng)各個部分說明如下(1)頻率可調(diào)諧外腔激光器該激光器可以進(jìn)行大范圍無模跳頻率掃描，掃描頻 率為幾十GHz甚至上百GHz。掃頻激光入射到三路光外差干涉儀。(2)三路光外差干涉儀由聲光調(diào)制器，各種光學(xué)棱鏡，三路干涉臂，以及光電探 測器組成。使用聲光調(diào)制器對激光產(chǎn)生一定頻偏，利用兩路存在頻差的激光進(jìn)行干涉相位 的光外差探測，光電轉(zhuǎn)換器件為光電探測器。三路光外差干涉儀使用非偏振分光鏡對激光 進(jìn)行多次分束與合并后，可同時獲得三路干涉臂上的實時外差干涉信號；三路干涉臂中一 路干涉臂為參考干涉臂，其光程差約為零，干涉相位也約為零。另兩路干涉臂分別為測量干 涉臂和幾何長度經(jīng)過提前標(biāo)定的標(biāo)定干涉臂。此兩路干涉臂光程差近似相等。標(biāo)定干涉臂 中使用兩面熱膨脹系數(shù)極低材料制成的平面鏡對激光進(jìn)行多次反射來增加標(biāo)定干涉臂的 光程差，并防止溫度變化對標(biāo)定干涉臂幾何長度帶來的變化。三路干涉臂得到的外差干涉 信號同時輸入到相位測量比較系統(tǒng)進(jìn)行干涉相位漂移量的實時測量。(3)相位測量比較系統(tǒng)由3個LC帶通濾波器，3個模擬乘法器，一個高穩(wěn)定度晶 體振蕩器，3個有源低通濾波器，6個比較器，以及一個高速計數(shù)板卡組成。LC帶通濾波器 對三路外差干涉信號進(jìn)行帶通濾波，濾除直流成分以及其他頻率成分噪聲，之后通過比較 器輸入到高速計數(shù)板卡同時進(jìn)行測量干涉臂和標(biāo)定干涉臂上的干涉相位漂移量的粗測，得 到干涉相位漂移量的整數(shù)部分。乘法器，高穩(wěn)定度晶體振蕩器和低通濾波器組成了下變頻 器，使三路外差干涉信號從幾十兆赫茲的中頻信號變?yōu)閹浊Ш掌澋牡皖l信號，之后進(jìn)入比 較器，輸入到計數(shù)板卡，同時進(jìn)行測量干涉臂和標(biāo)定干涉臂上干涉相位漂移量的精確測量， 測得干涉相位的小數(shù)部分，小數(shù)部分存在相位纏繞，可以配合相位粗測對其進(jìn)行相位解纏， 獲得完整的高分辨率的干涉相位信號。本發(fā)明的主要特色利用干涉相位比較法進(jìn)行絕對距離測量；相當(dāng)于傳統(tǒng)頻率掃 描絕對距離測量系統(tǒng)的改進(jìn)，該系統(tǒng)由于采用了三路光外差干涉儀和相位比較測量系統(tǒng)， 和傳統(tǒng)頻率掃描絕對距離測量系統(tǒng)相比，無需測量空氣折射率，該系統(tǒng)可以克服頻率漂移， 且避免了測量激光頻率的掃描范圍，因此無需使用法布里泊羅腔等頻率標(biāo)定器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單。標(biāo)定干涉臂和測量干涉臂幾何長度相近，因此還可避免測量測量空氣折射率。本發(fā)明的效益與應(yīng)用前景本發(fā)明通過對頻率掃描絕對距離測量系統(tǒng)的研究，為 絕對距離測量法提供了一種新的有效方法，可應(yīng)用于以下領(lǐng)域(1)在形貌測量方面，該發(fā)明可測量物體間的絕對距離，提高測繪精確度；(2)在三維跟蹤控制領(lǐng)域可作為精密測距 儀使用；(3)在遠(yuǎn)距離應(yīng)用方面，還可用于衛(wèi)星編隊等空間任務(wù)。


圖1為干涉相位比較法絕對距離測量的系統(tǒng)圖
具體實施例方式圖1為干涉相位比較法絕對距離測量的系統(tǒng)圖。利用壓電控制端控制頻率可調(diào)諧 外腔激光器(1)的激光頻率。掃頻激光入射到三路光外差干涉儀，首先進(jìn)入非偏振分光鏡 (2-1)后分成兩束，一束經(jīng)過聲光調(diào)制器進(jìn)行聲光調(diào)制，使得激光頻率偏移幾十兆赫茲，然 后入射到非偏振分光鏡(5-1)，另一束經(jīng)過兩個直角棱鏡(4-2)，(4-3)反射后，入射到非偏 振分光鏡(5-1)；非偏振分光鏡(5-1)把兩束帶有頻差的激光分別分為兩部分，反射光入射 到參考干涉臂，透射光進(jìn)入非偏振分光鏡(5-2)；參考干涉臂由直角棱鏡(4-4)和非偏振分 光鏡(2-2)組成，未經(jīng)聲光調(diào)制的激光入射到直角棱鏡(4-4)，經(jīng)過聲光調(diào)制的激光入射到 非偏振分光鏡(2-2)，兩束帶有頻差的激光匯合后進(jìn)入光電探測器(9-1)，得到參考干涉比 的外差干涉信號。入射到非偏振分光鏡(5-2)的兩束帶有頻差的激光各自分為兩部分，透 射光進(jìn)入測量干涉臂，反射光經(jīng)直角棱鏡(6)反射后進(jìn)入標(biāo)定干涉臂。測量干涉臂由直角 棱鏡(4-6)和由尺寸一致的直角棱鏡和非偏振分光鏡組成的梯形棱鏡(7-2)組成。非偏振 分光鏡(5-2)的透射光中未經(jīng)過聲光調(diào)制的激光入射到直角棱鏡(4-6)后與經(jīng)過聲光調(diào)制 后的激光一同進(jìn)入到梯形棱鏡(7-2)后匯合進(jìn)入光電探測器(9-2)，得到測量外差干涉信 號。標(biāo)定干涉臂由平面鏡(8-2)，平面鏡(8-1)，梯形棱鏡(7-1)，直角棱鏡(4-5)組成。進(jìn) 入到標(biāo)定干涉臂的兩束帶有頻偏的激光中未經(jīng)聲光調(diào)制的激光入射到平面鏡(8-2)，激光 經(jīng)過平面鏡(8-1)和平面鏡(8-2)的多次反射后進(jìn)入直角棱鏡(4-5)進(jìn)行反射，反射光再 次進(jìn)入到平面鏡(8-1)，激光再次經(jīng)過平面鏡(8-1)和平面鏡(8-2)的多次反射后與經(jīng)過聲 光調(diào)制的激光一同進(jìn)入梯形棱鏡(7-1)，匯合后進(jìn)入光電探測器(9-3)得到標(biāo)定外差干涉 信號。參考外差干涉信號，標(biāo)定外差干涉信號和測量外差干涉信號同時進(jìn)入到相位測量 比較系統(tǒng)。參考外差干涉信號分別進(jìn)入到LC帶通濾波器(10-1)和乘法器(11-1)，測量外 差干涉信號分別進(jìn)入到LC帶通濾波器(10-2)和乘法器(11-2)，標(biāo)定外差干涉信號分別進(jìn) 入到LC帶通濾波器(10-3)和乘法器(11-3)，帶通濾波器對三路外差信號進(jìn)行帶通濾波，濾 除直流分量和其他頻率噪聲后分別進(jìn)入到三個高速比較器(14-1)，(14-2)，(14-3)。比較 器把簡諧信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枺筮M(jìn)入到高速計數(shù)板卡(15)的計數(shù)端口進(jìn)行計數(shù)，得到干 涉相位漂移量的整數(shù)部分。本地振蕩器(13)產(chǎn)生出與聲光調(diào)制頻率相差幾千赫茲的正弦 波信號，分別進(jìn)入到三個乘法器(11-1) (11-2) (11-3)，三個乘法器的輸出信號分別進(jìn)入三 個低通濾波器(12-1)，(12-2)，(12-3)后進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量和高頻噪聲，實現(xiàn)下 變頻。三個濾波器的輸出信號分別進(jìn)入到三個高速比較器(14-4)，(14-5)，(14-6)，比較器 的輸出方波信號進(jìn)入到高速計數(shù)板卡(15)的latch端，通過高速計數(shù)板卡(15)本身帶有 的高頻時鐘進(jìn)行干涉相位偏移量的小數(shù)部分的測量。利用干涉相位偏移量的整數(shù)部分對小 數(shù)部分進(jìn)行相位解纏，得到完整的相位漂移量。干涉臂的光程差和相位漂移量成正比，光程
5差等于干涉臂幾何長度乘以空氣折射率，其中標(biāo)定干涉臂幾何長度經(jīng)過提前標(biāo)定，標(biāo)定干 涉臂幾何長度和測量干涉臂幾何長度很接近，因此空氣折射率近似相等。標(biāo)定干涉臂和測 量干涉臂上的干涉相位漂 量之比等于標(biāo)定干涉臂幾何長度與測量干涉臂幾何長度漂移 量之比。因此通過比較干涉相位即可得到測量干涉臂的絕對距離。激光頻率的掃描通過調(diào) 制激光器的壓電輸入端實現(xiàn)，在掃頻的開始階段和起始階段，要盡量降低掃頻的速率，因為 相位測量比較系統(tǒng)測量得到測量干涉臂和標(biāo)定干涉臂的相位漂移量時有一定的時間差，可 以控制該時間差小于0. 1ms，在足夠低的掃頻速率下該時間差仍可滿足絕對距離測量的亞 毫米精度。
權(quán)利要求
一種基于干涉相位比較法的絕對距離測量系統(tǒng)，其特征在于使用相位比較法實現(xiàn)絕對距離測量。該系統(tǒng)由單個頻率可調(diào)諧外腔激光器，三路光外差干涉儀，相位測量比較系統(tǒng)組成。使用單個頻率可調(diào)諧外腔激光器進(jìn)行大范圍無模跳激光頻率掃描，掃描范圍在幾十GHz至上百GHz；頻率掃描過程中采用三路光外差干涉儀同時得到參考干涉臂，測量干涉臂，標(biāo)定干涉臂上的外差干涉信號，然后使用相位測量比較系統(tǒng)提取掃頻過程中的標(biāo)定干涉臂和測量干涉臂上的干涉相位漂移量，干涉相位漂移量和干涉臂的光程差成正比，因此可通過比較這兩路干涉臂上的干涉相位漂移量測得絕對距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述三路光外差干涉儀，其特征在于由聲光調(diào)制器，各種光學(xué)棱 鏡，三路干涉臂以及光電探測器組成。使用聲光調(diào)制器對激光產(chǎn)生一定頻偏，利用兩路存在 頻差的激光在三路干涉臂上進(jìn)行干涉相位的光外差探測，光電轉(zhuǎn)換器件為光電探測器。
3.對于權(quán)利要求2所述的三路干涉臂，其特征在于其中一路作為參考干涉臂，其光程 差約等于零，其干涉相位也約等于零。另兩路干涉臂幾何長度相近，使得兩干涉臂中空氣折 射率近似相等。一路為測量干涉臂，長度為待測絕對距離。另一路干涉臂幾何長度已知，經(jīng) 過提前標(biāo)定，作為標(biāo)定干涉臂。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述標(biāo)定干涉臂，其特征在于使用兩塊平面鏡對激光進(jìn)行多次反 射增加光程差，兩塊平面鏡采用熱膨脹系數(shù)極低的材料制成，以此防止溫度變化所導(dǎo)致的 標(biāo)定干涉臂幾何長度的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述相位測量比較系統(tǒng)，其特征在于同時接收參考干涉臂，測量干 涉臂，標(biāo)定干涉臂上的外差干涉信號。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可幾乎同時獲得在掃頻過程中測量 干涉臂和標(biāo)定干涉臂上的干涉相位漂移量。相位測量比較系統(tǒng)由相位整數(shù)測量系統(tǒng)和相位 小數(shù)測量系統(tǒng)以及一個高速計數(shù)板卡三部分組成，技術(shù)板卡存在計數(shù)端口和latch端口。 板卡內(nèi)部含有振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述相位整數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于由3個LC帶通濾波器，以及 三個比較器組成組成。LC帶通濾波器對三路外差干涉信號進(jìn)行帶通濾波，濾除直流成分以 及其他頻率成分噪聲，之后通過比較器輸入到高速計數(shù)板卡同時進(jìn)行測量干涉臂和標(biāo)定干 涉臂上的干涉相位漂移量的粗測，得到干涉相位漂移量的整數(shù)部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述相位小數(shù)測量系統(tǒng)，由，一個高穩(wěn)定度晶體振蕩器，3個低通濾 波器，3個比較器組成。3個模擬乘法器，一個高穩(wěn)定度晶體振蕩器和3個有源低通濾波器 分別對三路外差干涉信號進(jìn)行下變頻，使三路外差干涉信號從幾十兆赫茲的中頻信號變?yōu)?幾千赫茲的低頻信號，之后分別進(jìn)入3個比較器，輸入到計數(shù)板卡，同時進(jìn)行測量干涉臂和 標(biāo)定干涉臂上干涉相位漂移量的精確測量，測得干涉相位的小數(shù)部分，小數(shù)部分存在相位 纏繞，可以配合相位粗測對其進(jìn)行相位解纏，獲得完整的高分辨率的干涉相位信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于干涉相位比較法的高精度絕對距離測量系統(tǒng)，屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)相當(dāng)于傳統(tǒng)頻率掃描干涉法絕對距離測量系統(tǒng)的改進(jìn)，由單個頻率可調(diào)諧外腔激光器，三路光外差干涉儀，相位測量比較系統(tǒng)組成。使用單個頻率可調(diào)諧外腔激光器進(jìn)行激光頻率掃描，激光頻率掃描過程中采用三路光外差干涉儀同時得到參考干涉臂，測量干涉臂，標(biāo)定干涉臂上的外差干涉信號，然后使用相位測量比較系統(tǒng)提取掃頻過程中的標(biāo)定干涉臂和測量干涉臂上的干涉相位漂移量，干涉相位漂移量和干涉臂的光程差成正比，因此可通過比較這兩路干涉臂上的干涉相位漂移量測得絕對距離。該系統(tǒng)由于采用了三路光外差干涉儀和相位比較測量系統(tǒng)，和傳統(tǒng)頻率掃描絕對距離測量系統(tǒng)相比，無需測量空氣折射率，該系統(tǒng)可以克服頻率漂移，且避免了測量激光頻率的掃描范圍，因此無需使用法布里泊羅腔等頻率標(biāo)定器件；測量速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精度高，在幾十米范圍能達(dá)到亞毫米精度，適用于形貌測量，三維跟蹤控制以及長距離應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G01B11/24GK101825458SQ20101013918
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者李志棟, 桑峰, 江月松, 王林春, 辛遙, 鄧士光 申請人:北京航空航天大學(xué)