CN101738167A - 基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法，属于精密测量技术领域。该系统结合了激光器稳频技术、折射率测量技术、相位解缠技术、干涉测量技术，以及DSP信号处理和控制技术，采用模块化的设计方案，各部分相互独立，中间采用单模保偏光纤或数据线连接；根据误差来源设计了周期性相位非线性误差纠正和运动误差补偿算法，提高相位测量的准确性；采用多步相位计算的方法，提高相位计算的精度；采用实时折射率测量方案，克服空气折射率变化对测量精度的影响，增加了其应用领域。

Description

基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法

1.技术领域

本发明涉及一种基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法，属于精密测量技术领域。

2.背景技术

激光干涉测量技术广泛应用于高精度测量领域，通过光束分离器把一束光分成两束，一路通过已知的距离形成参考光束，一路入射到测量目标反射后形成测量光束，干涉后通过探测器探测两束光干涉强度，干涉强度里面包含了与光程差相关的相位信息，通过测量相位就可以得到目标的距离信息，如果采用单个波长，只能测量微小位移的变化。绝对距离干涉测量系统需要使用多个波长，然后分析各自的相位差，提取与光程有关的相位信息。由于使用多个激光器比较复杂和频率复用难以实现，加上频率可调激光器的发展，出现了频率扫描干涉测量方法。

基于频率扫描干涉的测量方法在绝对距离测量方面具有显著的优点，通过频率可调半导体激光器在无跳模范围内连续调节，探测器检测干涉相位的变化，利用时间对相位解缠可以完整恢复缠绕相位，根据相位和目标距离的线性关系，可以直接得到目标的绝对距离，它克服了其他干涉测量方法测量距离短、只能测量相对距离的缺点，弥补了飞行时间法等方法测量精度不高的不足之处，可以实现长距离绝对距离测量，但由于运动误差和相位周期性非线性，以及频率稳定的影响，限制了其应用领域。

专利号为CN98101034.2的专利中提出了一种绝对距离测量的波长扫描干涉系统及其信号处理方法，采用单模光纤连成一体的扫描光源，进行扫描，由参考干涉计和测量干涉计组成测量光路，整个光路采用光纤连接具有体积小、抗干扰的优点。由于系统采用数据处理的方法确定波长扫描范围，因此扫描范围不能精确测定，这直接影响到绝对距离的测量精度，并且测量干涉计由自聚焦透镜和测量物体表面组成，使得测量范围有限，只适合短距离绝对距离测量或物体表面平整度测量等领域。

专利号为US5781295的专利中提出了一种双激光器绝对距离干涉测量系统，其中至少一个激光器频率可调，采用单个声光调制器进行频移产生外差信号，利用可变式合成波长干涉的方法进行绝对距离测量，在激光器、声光调制器和光束分离器之间采用光波导连接，使得系统结构简单，并降低了环境因素对相位分辨率的影响。同时该方法降低了对激光无跳模的要求，激光器不必连续扫描。但是，该系统需要采用两个激光器，要想实现长距离测量，激光器波长变化范围要求较大，难以实现，而且合成波长依赖于激光器扫描的初始频率和终止频率，如果不加以稳频，很难精确测量激光器两端的频率，因此较难实现高精度测量。

专利号为US7292347B2的专利，提出了一种双激光器绝对距离干涉测量系统，其中至少一个激光器频率可调，集合了低、中、高三种分辨率测量技术，先采用较大的合成波长，进行粗测，然后采用中等和较小的合成波长，逐步提高绝对距离测量的分辨率，可以测量稍大范围的距离，但是过程比较复杂，并且存在和专利US578125同样的缺点，合成波长与激光器扫描的起止频率和步长有关，要想实现高精度的测量还需要稳频装置，因此具有大范围测量精度不高的缺点。

由于应用领域不同，上述专利各有自己的优缺点和适用范围，根据目前长距离绝对测距的的需求，结合以上绝对干涉测距方法的优点和不足之处，提出了一种新的绝对距离测量系统，能够实现高精度、大范围绝对距离测量。

3.发明内容

本发明是针对长距离、高精度绝对距离测量领域的应用，提出的一种新的测量系统，采用了激光稳频技术、频率监视技术、实时折射率测量技术、运动误差补偿技术，正交探测和外差探测技术，并且利用数字信号处理的方法消除周期性相位非线性误差的方法，采用高速DSP处理器控制激光器的稳频及扫描，因此，该系统具有测量精度高、测量范围大、测量速度快的优点。

本发明提出的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法，包括频率可调光源、稳频单元、频率监视单元、折射率实时测量电路、测量干涉光路，信号接收和处理单元，以及核心控制单元，其特征在于，所述的测量系统各模块自成体系，通过单模保偏光纤或者数据线连接，统一由DSP控制系统和电脑控制，光源发出的光由光束分离器进入稳频单元、频率监视单元和测量干涉光路，其中稳频单元和频率监视单元的信息反馈至激光器，调节激光器的波长，控制激光器频率调节的范围。

其中，所述光源部分包括频率可调外腔式半导体激光器、隔离器、光束整形器、扩束望远镜，其特征在于，所用的外腔式半导体激光器具有无跳模、扫描范围大的特点，这样可以增加测量距离的长度，同时保证在激光器频率调节的同时输出光功率尽量保持恒定，隔离器用来阻止后向反射光进入激光器影响激光器输出的稳定性，由于半导体激光器输出光的形状为扁圆形，采用光束整形器把其光斑整形为圆形，同时通过望远镜调整光斑大小，得到所需大小的光斑。

其中，所述的稳频单元包括电光调制器、探测器(包括直流型和交流型)、移相器、混频器、比例积分微分电路、法布里-珀罗腔(或光纤环形腔)和伺服反馈电路组成，其特征在于，采用高精度的谐振腔进行稳频，用于记录频率扫描的起止点，确定激光器的扫描范围。

其中，所述的频率的稳定和锁频分四部分完成，(1)通过控制激光器的压电体使激光器频率快速扫描，并通过频率监视部分监视频率的变化；(2)根据谐振腔透射光强值，当频率接近谐振腔的透射频率时，放慢扫描速度，搜索与谐振腔透射频率相近的频率；(3)当谐振腔内透射光功率超过门限时，记录下此时的压电值或相应的频率变化量，该值作为参考值来进行初始稳频；(4)根据稳频产生的误差信号反馈至激光器，通过控制电流找到谐振腔精确的透射频率进行稳定。

其中，所述的频率监视部分采用一路非对称的马赫-曾德尔干涉计，采用正交探测的方式消除由偏振分光棱镜和普通分光棱镜引起的相位非线性误差，在干涉计光程差已知情况下，利用正交探测技术，计算出干涉计的相位差，根据的光程差和相位差之间的关系，从而得出激光器的频率，探测器的输出实时反馈至激光器，以确保激光频率变化的线性。

其中，所述的折射率测量模块主要由温度、湿度和大气压传感器组成，采用单片机或DSP实现数据的采集和处理，根据修正Edlen公式求得空气的折射率，同时把折射率信息实时传送至总控制系统，根据光程差和实际距离之间的关系就可以计算出目标的实际距离。

其中，所述的测量干涉光路采用外差探测方式，首先把光束分成两路，一路经过声光调制器产生一定的频差，两束光经过空间滤波后，进入两路平行的马赫-曾德尔干涉计形成参考光路和测量光路，为了消除周期性相位非线性的影响，所有的分光棱镜均采用非偏振分光棱镜，为了消除“鬼影”反射的影响所有的光学元件均倾斜一定的角度，为了消除空气振动对测量精度的影响，测量应采取一定的保护措施，如增加屏蔽装置或加防护罩等。

其中，所述的信号接收和处理以及控制单元均采用高速DSP和计算机实现，完成频率监视单元的相位解缠、测量干涉计相位计算、运动误差补偿、周期性相位非线性误差消除，以及整个系统的同步。

其中，所述的频率监视单元的相位解缠采用正交探测的方法获取周期性缠绕相位，在满足奈奎斯特采样定理的情况下，通过对时间积分的方法，在噪声很小的情况下可以恢复完整的相位差。

其中，所述的测量干涉计相位计算分两步实现，采用5个计数器，其中两个计数器用于相位粗测，得到相位的整数部分，两个用于相位精测，得到相位的小数部分，1个计数器用来同步计算器和DSP控制系统，记录激光器锁频和解锁的时间。

其中，所述的总体控制单元采用高速DSP单板机和计算机，实现系统各模块之间的同步、信号的反馈控制、相位的解缠，及运动误差补偿等，是整个测量系统的核心。

本发明的主要特色：

本发明提出的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法，结合了激光器稳频技术、折射率测量技术、相位解缠技术、干涉测量技术，以及DSP信号处理和控制技术，克服了传统干涉测量存在相位缠绕，不能测量目标绝对距离，只能测量相对距离或增量测量，以及测量距离短的缺点；采用模块化的设计方案，各部分相互独立，中间采用单模保偏光纤或数据线连接使系统便于调试和集成；采用了运动误差补偿算法和周期性相位非线性误差的纠正算法，提高了相位测量的准确性；采用多步相位计算的方法，提高了相位计算的精度；采用了实时折射率测量方案，克服了环境折射率对测量精度的影响，增加了其应用领域。

4.附图说明

图1是基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统总体框图；

图2是相位解缠流程图；

图3是缠绕相位“o”和解缠后相位“+”仿真结果；

图4是折射率测量示意图；

图5是周期性相位非线性误差修正流程图；

图6是正交探测周期性相位非线性修正仿真结果；

图7是修正前“+”后“o”仿真结果对比图。

5.具体实施方式

图1所示为系统总体框图，激光器101发出的光经过隔离器、1/2波片进入光束整形器，把激光器光斑调整圆形，经过扩束望远镜调整光斑大小，通过两个偏振分光棱镜把光分成三部分，分别进入稳频单元102、频率监视单元103和测量光路105。采用偏振分光棱镜分光之前需采用波片，调整光波在水平和垂直方向的光强，保证分束后光强相同。

稳频部分102采用基于谐振腔的稳频方法，为提高频率稳定的精度，谐振腔可以采用高精细度的法布里-珀罗腔或光纤环形腔，置于真空装置，克服外界条件的影响，稳频产生的误差信号通过DSP控制系统104反馈至激光器，控制激光器的电流，调整激光器的频率与谐振腔的透射频率一致。

频率监视部分103采用非平衡的马赫-曾德尔干涉计，光程差已知，采用正交探测的方法得到缠绕的相位，然后通过时间积分的方法恢复完整的相位差，具体的做法就是从一个已知真实相位值的抽样点开始，对其领域点进行差值的累加，这个差值等于缠绕相位的差值，这样不断的扩张直到所有像素点都被解缠。图2给出了相位解缠的流程图，图3为根据该算法仿真得到的缠绕相位“o”和恢复后的连续相位“+”，根据相位信息计算出激光器的频率，同时通过DSP控制系统104反馈至激光器，通过控制激光器的压电控制器调节激光器的频率。

测量光路105采用外差干涉测量的方式，一路通过声光调制器产生适合干涉的频移，通过分束器分为参考干涉光路和测量干涉光路，光电探测器探测到的干涉强度信息通过数据采集卡106输入电脑107，根据粗测和精测的原理，计算相位的整数部分和小数部分。

由于根据相位差求得的光程差与空气的折射率有关，因此，需采用折射率实时测量模块108，实时测量空气的折射率，由光程差计算出目标的绝对距离，图4为折射率测量示意图，大气压传感器201，温度和湿度传感器202实时测量大气压、温度和湿度，通过单片机203采集数据，送至计算机204进行处理，根据修正的Edlen公式

$n=2.87774\×{10}^{-9}P\·\frac{1+{10}^{-10}P\·(60.1-0.972)}{1+0.003661t}-2.58\×{10}^9\mathrm{RH}\·\exp \left(0.059t\right)+1$

式中n为待求折射率，P为大气压，t为温度，RH为相对湿度计算出大气的折射率，上位机利用Labview实现，通过显示器205显示。

光程差为L时，理想情况下所测量到得相位应为φ＝2πL/λ。但是相位测量过程中存在着误差，其中一类误差通常是由器件之间的非理想排列以及器件本身的非理想特性导致的。这类误差在干涉法中经常出现并且会影响到最终的测量精度。导致这类误差的原因，常见的有“鬼影”，它可以产生标准具效应；还有偏振器件对偏振光操作过程中所产生的误差等等，比如偏振分光器的非理想特性。另一类导致这种误差的原因是电子器件的串扰。这些原因综合在一起，会导致测量到的相位和φ＝2πL/λ不同，通常相位误差会随着相位的变化呈现出周期性。频率监视单元和测量干涉光路求得的相位信息存在周期性相位非线性的误差，需要加以修正，修正算法流程图如图5所示，图6给出了正交探测时周期性相位非线性修正仿真结果图，图7为修正前相位“+”和修正后相位“o”结果对比。以上运算和误差修正均有计算机107实现，最后结果通过109显示。最后，运动误差补偿可以采用在相同的时间间隔、频率间隔内进行多点平均实现。

Claims (10)

1.一种基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统，包括频率可调光源、稳频单元、频率监视单元、折射率实时测量电路、测量干涉光路，信号接收和处理单元，以及总体控制单元，其特征在于：所述的测量系统各模块自成体系，通过单模保偏光纤或者数据线连接，统一由DSP控制系统和电脑控制，光源发出的光由光束分离器进入稳频单元、频率监视单元和测量干涉光路，其中稳频单元和频率监视单元的信息反馈至激光器，调节激光器的波长，控制激光器频率调节的范围。

2.根据权利要求1所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统，其特征在于：激光器采用无跳模频率可调半导体激光器，激光器发出的光经过隔离器阻止后向散射光反射至激光器影响激光器稳定性，采用光束整形器调整光斑形状，采用望远镜调节光斑大小。

3.根据权利要求1所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统，其特征在于：激光器发出的光经过谐振腔稳频技术稳频，并通过判断谐振腔经过自由光谱区的个数来计算频率扫描范围。

4.根据权利要求1所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统，其特征在于：频率监视单元采用非对称的马赫-曾德尔干涉计，探测器的输出反馈至激光器，控制激光器压电体，保证激光器变化的线性。

5.根据权利要求1所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统，其特征在于：折射率实时测量电路采用温度、湿度和大气压传感器，实时采集数据，并通过单片机或DSP传送至计算机，根据Edlen公式计算出空气的折射率，用以从光程差提取目标的绝对距离。

6.根据权利要求1所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统，其特征在于：测量光路采用外差探测的方式，所有分光棱镜均采用非偏振分光棱镜，所有光学元件均倾斜一定角度，采用屏蔽装置消除环境因素的影响。

7.根据权利要求1所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统的实现方法，其特征在于：信号的接收和处理采用高速DSP和计算机实现，完成频率监视单元的相位解缠、测量干涉计相位计算、运动误差补偿、周期性相位非线性误差消除，以及整个系统的同步。

8.根据权利要求7所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量的相位解缠及周期性相位误差消除方法，其特征在于：在满足奈奎斯特采样定理的情况下，通过对时间积分的方法恢复完整的相位差，在系统扫描的同时，根据所得到的相位差信息，通过数据拟合，采用主动补偿算法对信号进行修正。

9.根据权利要求7所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量的测量干涉计相位计算方法，其特征在于：采用5个计数器，两个计数器用于相位粗测，得到相位的整数部分，两个用于相位精测，得到相位的小数部分，1个计数器用来实现所有计数器的同步。

10.根据权利要求7所述的基于谐振腔稳频的绝对距离测量的运动误差补偿方法，其特征在于：在相同的时间间隔、频率间隔内进行多点平均实现。

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