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基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置與方法與流程

文檔序號:12013703閱讀:來源:國知局
基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置與方法與流程

技術(shù)特征:
1.一種基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置,其特征在于:所述裝置由測尺生成單元(1)、激光移頻單元(2)、擴束準直鏡組(3)和測量光路及電路單元(4)組成,測尺生成單元(1)發(fā)出的激光輸出到激光移頻單元(2)的輸入端,激光移頻單元(2)輸出的一路激光通過擴束準直鏡組(3)輸出到測量光路及電路單元(4)的一個輸入端,激光移頻單元(2)輸出的另一路激光直接輸入到測量光路及電路單元(4)的另一個輸入端;所述測尺生成單元(1)的結(jié)構(gòu)是:頻率基準激光器(5)發(fā)射的激光束到達分光器(6)的輸入端,分光器(6)的第一輸出端連接一號分光鏡(7)的一個輸入端,一號分光鏡(7)的一個輸出端連接一號光電探測器(9)的輸入端,分光器(6)的第二輸出端連接二號分光鏡(8)的一個輸入端,二號分光鏡(8)的輸出端連接二號光電探測器(10)的輸入端,一號光電探測器(9)和二號光電探測器(10)的輸出端連接單片機(11)的輸入端,單片機(11)的兩個輸出端連接腔長調(diào)整執(zhí)行器(12)的兩個輸入端,腔長調(diào)整執(zhí)行器(12)的兩個輸出端分別連接一號雙縱模He-Ne激光器(13)和二號雙縱模He-Ne激光器(14)的輸入端,一號雙縱模He-Ne激光器(13)的一個輸出端連接一號分光鏡(7)的一個輸入端,一號雙縱模He-Ne激光器(13)的另一個輸出端連接三號反射鏡(16)的輸入端,三號反射鏡(16)的輸出端連接一號偏振片(17)的輸入端,二號雙縱模He-Ne激光器(14)的一個輸出端連接二號分光鏡(8)的一個輸入端,二號雙縱模He-Ne激光器(14)的另一個輸出端連接二號反射鏡(15)的輸入端;所述激光移頻單元(2)的結(jié)構(gòu)是:測尺生成單元(1)的一個輸出端連接九號反射鏡(35)的輸入端,九號反射鏡(35)的輸出端連接三號分光鏡(26)的一個輸入端,三號分光鏡(26)的輸出端連接四號分光鏡(36)的一個輸入端,測尺生成單元(1)的另一個輸出端連接一號偏振分光鏡(18)的輸入端,一號偏振分光鏡(18)的一個輸出端連接一號半波片(19)的輸入端,一號半波片(19)的輸出端連接二號偏振分光鏡(20)的輸入端,二號偏振分光鏡(20)的一個輸出端連接三號偏振分光鏡(25)的一個輸入端,二號偏振分光鏡(20)的另一個輸出端連接四號反射鏡(21)的輸入端,四號反射鏡(21)的輸出端連接一號激光移頻器(23)的一個輸入端,一號DDS信號源(22)的輸出端連接一號激光移頻器(23)的另一個輸入端,一號激光移頻器(23)的輸出端連接五號反射鏡(24)的輸入端,五號反射鏡(24)的輸出端連接三號偏振分光鏡(25)的另一個輸入端,三號偏振分光鏡(25)的輸出端連接三號分光鏡(26)的另一個輸入端,三號分光鏡(26)的輸出端連接四號分光鏡(36)一個輸入端,一號偏振分光鏡(18)的另一個輸出端連接六號反射鏡(27)的輸入端,六號反射鏡(27)的輸出端經(jīng)過二號半波片(28)連接四號偏振分光鏡(29)的輸入端,四號偏振分光鏡(29)的一個輸出端連接五號偏振分光鏡(34)的一個輸入端,四號偏振分光鏡(29)的另一個輸出端連接七號反射鏡(30)的輸入端,七號反射鏡(30)的輸出端連接二號激光移頻器(32)的一個輸入端,二號DDS信號源(31)的輸出端連接二號激光移頻器(32)的另一個輸入端,二號激光移頻器(32)的輸出端連接八號反射鏡(33)的輸入端,八號反射鏡(33)的輸出端連接五號偏振分光鏡(34)的另一個輸入端,五號偏振分光鏡(34)的輸出端連接四號分光鏡(36)的另一個輸入端;所述測量光路及電路單元(4)的結(jié)構(gòu)是:激光移頻單元(2)的一個輸出端連接十二號反射鏡(37)的輸入端,十二號反射鏡(37)的輸出端連接五號反射鏡(38)的輸入端,五號反射鏡(38)的一個輸出端通過二號偏振片(39)與三號光電探測器(40)的輸入端連通,三號光電探測器(40)的輸出端連接一號低通濾波器(41)的輸入端,一號低通濾波器(41)的輸出端連接一號混頻器(42)的一個輸入端,三號DDS信號源(43)的一個輸出端連接一號混頻器(42)的另一個輸入端,一號混頻器(42)的輸出端連接一號鑒相器(44)的一個輸入端,五號反射鏡(38)的另一個輸出端通過三號偏振片(45)與四號光電探測器(46)的輸入端連通,四號光電探測器(46)的輸出端連接二號低通濾波器(47)的輸入端,二號低通濾波器(47)的輸出端連接二號鑒相器(48)的一個輸入端,擴束準直鏡組(3)的輸出端連接六號偏振分光鏡(49)的一個輸入端,六號偏振分光鏡(49)的一個輸出端通過一號四分之一波片(50)與十號反射鏡(51)的輸入端連通,十號反射鏡(51)的輸出端通過一號四分之一波片(50)與六號偏振分光鏡(49)的一個輸入端連通,六號偏振分光鏡(49)的一個輸出端通過二號四分之一波片(52)與十一號反射鏡(53)的輸入端連通,十一號反射鏡(53)的輸出端通過二號四分之一波片(52)與六號偏振分光鏡(49)的另一個輸入端連通,六號偏振分光鏡(49)的另一個輸出端連接八號分光鏡(54)的一個輸入端,八號分光鏡(54)的一個輸出端通過四號偏振片(55)與五號光電探測器(56)的輸入端連通,五號光電探測器(56)的輸出端連接三號低通濾波器(57)的輸入端,三號低通濾波器(57)的輸出端連接三號混頻器(58)的一個輸入端,三號DDS信號源(43)的另一個輸出端連接三號混頻器(58)的另一個輸入端,三號混頻器(58)的輸出端連接一號鑒相器(44)的另一個輸入端,八號分光鏡(54)的另一個輸出端通過五號偏振片(59)與六號光電探測器(60)的輸入端連通,六號光電探測器(60)的輸出端連接四號低通濾波器(61)的輸入端,四號低通濾波器(61)的輸出端連接二號鑒相器(48)的另一個輸入端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置,其特征在于:所述激光移頻單元(2)的一號激光移頻器(23)和二號激光移頻器(32)均包括聲光移頻器、電光移頻器,且激光頻率可以調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置,其特征在于:所述測尺生成單元(1)中頻率基準激光器(5)包括碘穩(wěn)頻激光器、飛秒激光頻率梳激光器,且頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-12。4.一種如權(quán)利要求1所述的基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置的測距方法,其特征在于:具體步驟如下:步驟一、開啟頻率基準激光器(5)、一號雙縱模He-Ne激光器(13)、二號雙縱模He-Ne激光器(14),在經(jīng)過預(yù)熱和穩(wěn)頻之后,通過反饋控制,將一號雙縱模He-Ne激光器(13)和二號雙縱模He-Ne激光器(14)輸出頻率鎖定在頻率基準激光器(5)的一定頻率范圍之內(nèi),一號雙縱模He-Ne激光器(13)輸出頻率為v1和v4的雙頻激光,二號雙縱模He-Ne激光器(14)輸出頻率為v2和v3的雙頻激光,其中v1和v4的雙頻激光經(jīng)過一號偏振片(17),調(diào)整偏振角度使得只讓頻率為v1的激光通過;步驟二、由步驟一所形成的三種頻率的激光進入激光移頻單元(2),其中一束雙頻激光用一號偏振分光鏡(18)分出頻率為v2和v3兩束激光,頻率為v2的激光經(jīng)過一號半波片(19)后用二號偏振分光鏡(20)分出兩束偏振方向互相垂直的激光,其中一束經(jīng)過一號激光移頻器(23),由一號DDS信號源(22)驅(qū)動一號激光移頻器(23),移頻頻率為f1,頻率為v3的激光經(jīng)過二號半波片(28)后用四號偏振分光鏡(29)也分出兩束偏振方向互相垂直的激光,其中一束經(jīng)過二號激光移頻器(32),由二號DDS信號源(31)驅(qū)動二號激光移頻器(32),移頻頻率為f2,最后各種頻率的激光合并,其中共有五種頻率,分別為v1、v2、v3、v2+f1和v3+f2,這束激光入射到四號分光鏡(36)分為兩束光,一束作為參考激光束,另一束作為測量激光束出射到測量目標;步驟三、參考激光束經(jīng)五號分光鏡(38)分為兩束激光束,其中一束激光束經(jīng)偏振方向與v1相同的二號偏振片(39)后,頻率為v1、v2和v3的水平方向的偏振激光進入到三號光電探測器(40)進行轉(zhuǎn)換,其輸出電信號,其頻率為v1-v2,以此作為粗測尺,另一束激光經(jīng)偏振方向與v1成45度的三號偏振片(45)后入射到四號光電探測器(46),四號光電探測器(46)輸出的電信號經(jīng)過二號低通濾波器(47)濾除了高頻電信號,保留低頻電信號,其頻率為f1-f2,以此作為精測尺;步驟四、測量開始時,參考面十號反射鏡(51)固定不動,移動十一號反射鏡(53)至目標端,測量距離為L,測量光束經(jīng)測量反射鏡(53)反射后,與參考面反射回來的光束在六號偏振分光鏡(49)處匯聚,進入測量電路,測量激光束經(jīng)八號分光鏡(54)分為兩束激光束,一束激光束經(jīng)偏振方向與v1相同的四號偏振片(55)后,頻率為v1、v2和v3的水平方向的偏振激光進入到五號光電探測器(56)進行轉(zhuǎn)換,其輸出電信號,其頻率為v1-v2,以此作為粗測尺,測尺長為c/|v1-v2|,另一束激光經(jīng)偏振方向與v1成45度的五號偏振片(59)后入射到六號光電探測器(60),六號光電探測器(60)輸出的電信號經(jīng)過四號低通濾波器(61)濾除了高頻電信號,保留低頻電信號,其頻率為f1-f2,以此作為精測尺,測尺長為c/|v2-v3|;步驟五、由一號鑒相器(44)和二號鑒相器(48)分別得到頻率為v1-v2和f1-f2的兩路電信號的相位差φ1和φ2,根據(jù)公式求得粗測尺的距離測量值Lc,并將其代入公式求得精測尺的相位整數(shù)值其中floor(x)函數(shù)返回x值的整數(shù)部分,最后根據(jù)公式求得被測距離值:式中:c為光速,n為環(huán)境的空氣折射率。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置的測距方法,其特征在于:所述兩路電信號的相位差φ1與相位差φ2的測量在同一時刻進行。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于可溯源同步測尺的雙縱模激光測距裝置的測距方法,其特征在于:所用精測尺與粗測尺均可溯源。
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