CN102564321A - 一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统，将压电陶瓷固定在被测目标上，双频激光器将输出的激光沿着激光轴线方向向分光镜和回馈镜传播；驱动电路将三角波电压信号发送到压电陶瓷，压电陶瓷在电压作用下做伸缩运动的同时推动回馈镜做往复运动；启动最小值查询单元在每个驱动周期内查找测量基准点，并将驱动周期内查找的最小值发送到位移显示器显示；稳频控制电路发送稳频信号控制电阻丝对激光增益管进行加热，双频激光器的腔长发生变化，使双频激光器处于稳频状态；测量位移前，对位移显示器进行清零操作；位移测量系统开始进行测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统将值发送到最小值查询单元，查找驱动周期内驱动电压为0的值并发送到位移显示器显示。本发明可以广泛应用于位移测量中。

Description

一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种激光回馈位移测量方法及系统，特别是关于一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统。

背景技术

激光回馈位移测量仪具有灵敏度高、自准直、结构简单和性价比高的优点，在精密机械加工、振动监测和成像等领域有广泛的应用。激光回馈位移测量仪的原理是激光回馈自混合干涉效应，激光经被测目标表面反射后，再次返回到激光谐振腔内部，对激光器内部的光场进行调制，使激光的幅度、相位和偏振态等发生改变，通过解调激光的变化得到被测目标的运动信息。

在激光回馈位移测量仪中采用反射率较高的回馈镜时，激光会在激光器输出镜与回馈镜之间多次往返，然后再进入到激光器的谐振腔内，形成高阶回馈，此时激光回馈位移测量仪具有很高的光学分辨率，一般为传统弱回馈的几十倍。由于高阶回馈光对环境的变化十分敏感，外界的微小振动都会引起回馈光场的剧烈扰动，使激光器内部光场受到不均匀调制，引起激光器的光强变化甚至偏振跳变，而偏振跳变几乎是瞬时发生，此时用光强差稳频的方法将无法对激光回馈位移测量仪进行稳频。为了保证激光回馈位移测量仪能够长期稳定工作，现有技术常常在测量中避免产生高阶回馈，采用光强衰减等方式将高阶回馈转化为弱回馈，然后进行测量，但是，此时激光回馈位移测量仪的分辨率会大大降低，从而影响其性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效消除外界环境变化对回馈外腔的影响，且能够提高激光回馈位移测量仪的稳频精度和抗干扰能力的基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，它包括以下步骤：1)设置一包括有双频激光器、位移测量系统、回馈外腔和外腔调制稳频系统的激光回馈位移测量系统；所述位移测量系统包括有信号处理系统和位移显示器，所述回馈外腔包括有凹面回馈镜，所述回馈镜的平面一侧固定连接压电陶瓷；所述外腔调制稳频系统包括有驱动电路、稳频控制电路、光电池、分光镜、沃拉斯顿棱镜、最小值查询单元和清零补偿单元，且在所述双频激光器的整个激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝；2)将所述压电陶瓷固定在被测目标上，所述双频激光器输出的激光沿着激光轴线方向分别向所述分光镜和回馈镜传播；3)所述驱动电路将周期性三角波电压信号发送到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷在电压信号作用下做伸缩运动的同时推动所述回馈镜做往复运动；4)启动所述最小值查询单元在三角波电压的每个驱动周期内查找测量基准点，并将每个驱动周期内查找得到的最小值发送到所述位移显示器进行显示；5)所述稳频控制电路发送稳频信号控制所述电阻丝对激光增益管进行间断性加热，使双频激光器的腔长发生变化，以调节双频激光器处于稳频状态；6)测量位移前，对所述位移显示器进行清零操作，具体操作为：①清零操作时，如果位移显示器显示的数值为0，则不需要进行补偿；②清零操作时，如果位移显示器显示的数值不为0，则启动清零补偿单元调用最小值查询单元进行清零补偿，将位移显示器显示的数值补偿为0；7)位移测量系统开始计数对被测目标进行位移测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统将测得的位移值发送到最小值查询单元，查找三角波电压驱动周期内驱动电压为0的位移值，并将此位移值发送到位移显示器中显示。

所述最小值查询单元的具体过程为：在所述压电陶瓷的三角波电压信号的一个驱动周期内，最小值查询单元等时间间隔采集位移测量数据L₁，L₂…L_n，并不断比较L₂和L₁的大小，若L₂大于L₁则记录L₁，若L₂小于L₁则记录L₂，依次将后续采集的位移数据与已记录的值进行比较，寻找一个驱动周期内的最小值；当被测目标没有发生位移时，所述压电陶瓷在每个驱动周期内最小值都为0，所以位移显示器显示的数值为0；当被测目标发生位移时，每个驱动周期内查找得到的最小值为位移变化的叠加值，则位移显示器显示的数值不断累加；当被测目标运动完成后，最小值查询单元在驱动周期内查找得到的最小值为消除了压电陶瓷附加位移后的被测目标的实际位移值，位移显示器显示实际位移值。

所述步骤5)的具体过程为：所述双频激光器发出的激光经所述分光镜后的反射光经所述沃拉斯顿棱镜后形成两路偏振方向垂直的光信号分别被光电池接收，两光电池将采集的光信号分别发送到稳频控制电路中，稳频控制电路对接收的两路光信号依次经光电转换及放大、RC滤波、电压比较后获得这两路光信号的差值信号，将此差值信号作为稳频信号发送到PWM调制换电路转换为一方波电压信号，稳频控制电路将方波电压信号作为通断信号控制电阻丝对激光增益管进行间断性加热，激光增益管受热膨胀，使双频激光器的凹面腔镜向左侧移动，双频激光器的腔长发生变化，当两个光电池采集的光信号经过稳频控制电路处理后得到的差值为0时，则双频激光器处于稳频状态。

所述步骤6)的②清零补偿单元的具体过程为：清零补偿单元调用最小值查询单元此时所记录的值X，根据X清零补偿单元计算所需要补偿值Y，使X加上Y的值为0，清零补偿单元将Y做取反运算得到-Y，将-Y发送最小值查询单元对显示结果进行补偿，经过补偿后的最小值查询单元再次进行最小值查找的结果则为0，并发送到位移显示器显示为0。

实现所述方法的基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量系统，它包括有一半外腔双频激光器、一位移测量系统和一回馈外腔；所述双频激光器包括有凹面腔镜、激光增益管、增透窗片、石英晶体片和平面腔镜；所述位移测量系统包括信号处理系统和位移显示器；所述回馈外腔包括设置在所述平面腔镜一侧的高反射率凹面回馈镜，所述回馈镜的凹面一侧镀有反射膜，所述回馈镜的另一侧固定连接一压电陶瓷，其特征在于：它还包括有一外腔调制稳频系统，所述外腔调制稳频系统包括一驱动电路、一稳频控制电路、两光电池、一分光镜、一沃拉斯顿棱镜、一最小值查询单元和一清零补偿单元，且在整个所述激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝，其中，所述驱动电路的输出端连接所述压电陶瓷，所述稳频控制电路的输入端分别连接两所述光电池的输出端，所述稳频控制电路的输出端连接所述电阻丝，所述最小值查询单元的输入端连接信号处理系统的输出端，所述最小值查询单元的输出端连接所述位移显示器的输入端，所述清零补偿单元双向连接所述最小值查询单元。

所述稳频控制电路包括有一光电转换及放大电路、一低通滤波电路、一电压比较电路和一PWM调制电路。

所述沃拉斯顿棱镜与激光传播的方向成45度角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用外腔调制稳频系统对双频激光器进行稳频时，在压电陶瓷上连接驱动电路，利用驱动电路提供周期性的三角波电压且采用稳频控制电路控制电阻丝对激光增益管进行间断性加热，使双频激光器的腔长发生变化，以使激光器处于稳频状态，因此与激光回馈位移测量仪结合测量位移时降低激光回馈位移测量仪对环境的敏感度，不仅有效解决了现在技术中无法对高阶回馈位移测量仪进行稳频的问题，同时避免外界的微小振动引起回馈光场的剧烈扰动，使激光器内部光场受到均匀调制不会引起偏振跳变，有效实现稳频的高分辨率位移测量。2、本发明由于设置最小值查询单元，因此可以方便地确定调制稳频时位移测量的基准点，保证测量结果中没有压电陶瓷调制运动产生的附加位移，有效地提高测量的精度。3、本发明由于设置有清零补偿单元，因此可以很好地解决调制稳频过程中位移显示器清零时不能显示0的问题，可以将清零时刻压电陶瓷的附加位移消除，保证在任何时刻对激光回馈位移测量仪进行清零操作时显示为0，使位移显示器显示的结果为实际被测目标的位移值。本发明可以广泛应用于位移测量中。

附图说明

图1是本发明激光回馈位移测量系统的结构示意图；

图2是本发明方法的框图；

图3是本发明稳频控制电路的框图；

图4是本发明外腔调制稳频的基准点示意图，横坐标T表示时间，纵坐标U表示电压；

图5是本发明外腔调制稳频的清零补偿示意图，横坐标T表示时间，纵坐标U表示电压；

图6是本发明外腔调制稳频的清零补偿算法框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的激光回馈位移测量系统包括一常规的激光回馈位移测量仪，激光回馈位移测量仪包括有一半外腔双频激光器1、一位移测量系统2和一回馈外腔3；双频激光器1包括有凹面腔镜11、激光增益管12、增透窗片13、石英晶体片14和平面腔镜15；位移测量系统2包括有沃拉斯顿棱镜21、第一光电探测器22、第二光电探测器23、信号处理系统24和液晶显示器25；回馈外腔3包括设置在平面腔镜15一侧的高反射率凹面回馈镜31，回馈镜31的凹面一侧镀有反射膜，回馈镜31的另一侧固定连接一压电陶瓷32的一端。

本发明的激光回馈位移测量系统的特点在于：它还包括有一外腔调制稳频系统4，外腔调制稳频系统4包括一驱动电路41、一稳频控制电路42、两光电池43、一分光镜44、一沃拉斯顿棱镜45、一最小值查询单元46和一清零补偿单元47，且在整个激光增益管12外表面周向缠绕有电阻丝48；其中，驱动电路41的输出端连接压电陶瓷32，稳频控制电路42的输入端分别连接两光电池44的输出端，稳频控制电路42的输出端连接电阻丝48，最小值查询单元46的输入端连接信号处理系统24的输出端，最小值查询单元46的输出端46连接位移显示器25的输入端，清零补偿单元47双向连接最小值查询单元46。

驱动电路41发送电压信号控制压电陶瓷32伸缩进而带动回馈镜31往复运动，双频激光器1输出的激光在分光镜44处分别发生透射和反射，其中透射光发射到位移测量系统中2，反射光经沃拉斯顿棱镜45将双频激光分成偏振方向垂直的两路激光经两光电池43接收并发送到稳频控制电路42，稳频控制电路42将两路信号处理后并将处理结果作为稳频信号控制电阻丝48对激光增益管12进行加热，从而对双频激光器1的输出频率进行调制，在调制的过程中，采用最小值查询单元46确定激光回馈测量仪的基准点，通过清零补偿单元47消除清零时刻压电陶瓷32的附加位移值，保证在任何时刻对激光回馈测量仪进行清零时位移显示器25显示为0。

如图3所示，上述实施例中，稳频控制电路42包括有一光电转换及放大电路421、一RC(低通)滤波电路422、一电压比较电路423和一PWM调制电路424。

上述各实施例中，分光镜44与从双频激光器1输出的激光传播方向成45度角，使从双频激光器1输出的激光分为传播方向垂直的透射光和反射光。

上述各实施例中，双频激光器1及其所有的光学器件在使用时均采用若干支架、夹具等进行固定。

如图2～6所示，本发明的激光回馈位移测量方法包括以下步骤：

1)将压电陶瓷32固定在被测目标上，打开激光回馈位移测量仪，双频激光器1输出的激光沿着激光轴线方向分别向分光镜44和回馈镜31传播。

2)驱动电路41将周期性三角波电压信号发送到压电陶瓷32，压电陶瓷32在三角波电压信号作用下做伸缩运动的同时推动回馈镜31做往复运动，由于回馈镜31的往复运动，因此在回馈外腔3中形成动态的、稳定的回馈光场。

3)启动最小值查询单元46在三角波电压的每个驱动周期内查找测量基准点即三角波电压为0的点，并将每个驱动周期内查找的最小值发送到位移显示器进行显示；

4)稳频控制电路42发送稳频信号控制电阻丝48对激光增益管12进行间断性加热，双频激光器1的腔长发生变化，使激光增益管12处于稳频状态，具体过程为：

双频激光器1发出的激光经分光镜44后的反射光经沃拉斯顿棱镜45后形成两路偏振方向垂直的光信号分别被光电池43接收，两光电池43将采集的光信号分别发送到稳频控制电路42中，稳频控制电路42对接收的两路光信号依次经光电转换及放大、RC滤波、电压比较后获得这两路光信号的差值信号，将此差值信号作为稳频信号发送到PWM调制换电路转换为一方波电压信号，稳频控制电路42将得到的方波电压信号作为通断信号控制电阻丝48对激光增益管12进行间断性加热，激光增益管12受热膨胀，使凹面腔镜11向左侧移动，使双频激光器1的腔长发生变化。当两个光电池43采集的光信号经过稳频控制电路42处理后得到的差值为0时，双频激光器为稳频状态。

5)测量位移前，为了保证位移显示器25能够显示被测目标的实际位移，对位移显示器25进行清零操作，具体操作为：

①清零操作时，如果位移显示器25显示的数值不为0，则启动清零补偿单元47调用最小值查询单元46进行清零补偿，将位移显示器25显示的数值补偿为0；

②清零操作时，如果位移显示器25显示的数值为0，则不需要进行补偿；

6)位移测量系统2开始计数对被测目标发生的位移进行测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统24将测得的位移数据发送到最小值查询单元46，查找三角波电压驱动周期内驱动电压为0的位移值，并将此值发送到位移显示器25显示。

如图4所示，上述实施例中，在整个位移测量过程中，回馈镜31一直处于运动状态，回馈镜31的周期性运动会使被测目标在实际位移的基础上产生附加位移，使得位移测量结果产生误差，位移显示器25应该显示被测目标的实际位移测量值，即显示三角波电压为0压电陶瓷32没有发生伸缩时的位移测量值，因此需要在三角波电压的驱动周期的上升和下降区间中查找三角波电压为0时的基准位置如A₀，A₁，A₂，A₃，在此基准位置处，压电陶瓷32的伸长量为零，此处不会产生附加位移，最小值查询单元46的处理过程为：在压电陶瓷32的三角波电压的每个驱动周期内，最小值查询单元46等时间间隔采集位移测量数据L₁，L₂…L_n，实时比较L₂和L₁的大小，若L₂大于L₁则记录L₁，若L₂小于L₁则记录L₂，依次将后续采集的位移数据与已记录的位移数据进行比较，以找到一个驱动周期内的位移的最小值，并将该最小值发送到位移显示器25显示，当被测目标没有发生位移时，压电陶瓷32在每个驱动周期内最小值都为0，所以位移显示器25显示的数值为0；当被测目标发生位移时，每个驱动周期内查找得到的最小值为位移变化的叠加值，则位移显示器25显示的数值不断累加；当被测目标运动完成后，最小值查询单元46在驱动周期内查找得到的最小值为消除了压电陶瓷32附加位移后的被测目标的实际位移值，位移显示器25显示的为被测目标的实际位移值。

如图5、图6所示，上述各实施例中，由于回馈镜31一直处于运动状态，由于不能确定清零时刻压电陶瓷32对应的运动位置，可能会出现位移显示器25显示数值不为0的情况，因此每次开始测量前必须进行清零操作时。清零时，如果位移显示器25显示的数值为0，此刻压电陶瓷32位于基准点位置B，则不需进行补偿；清零时，如果位移显示器25显示的数值不为0，此时压电陶瓷32位于在基准点B以外的位置A或A′，则需要进行补偿，补偿过程为：清零补偿单元47调用最小值查询单元46此时所记录的值X，根据X清零补偿单元47计算所需要补偿值Y，使X加上Y的值为0，清零补偿单元47将Y做取反运算得到-Y，将-Y发送最小值查询单元46对显示结果进行补偿，经过补偿后的最小值查询单元46再次进行最小值查找的结果则为0，并发送到位移显示器25显示为0。采用清零补偿可以将清零时刻压电陶瓷的附加位移消除，保证在任何时刻对激光回馈位移测量仪进行清零操作时显示为0。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法实施步骤的顺序及各光学器件的选择等可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，它包括以下步骤：

1)设置一包括有双频激光器、位移测量系统、回馈外腔和外腔调制稳频系统的激光回馈位移测量系统；所述位移测量系统包括有信号处理系统和位移显示器，所述回馈外腔包括有凹面回馈镜，所述回馈镜的平面一侧固定连接压电陶瓷；所述外腔调制稳频系统包括有驱动电路、稳频控制电路、光电池、分光镜、沃拉斯顿棱镜、最小值查询单元和清零补偿单元，且在所述双频激光器的整个激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝；

2)将所述压电陶瓷固定在被测目标上，所述双频激光器输出的激光沿着激光轴线方向分别向所述分光镜和回馈镜传播；

3)所述驱动电路将周期性三角波电压信号发送到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷在电压信号作用下做伸缩运动的同时推动所述回馈镜做往复运动；

4)启动所述最小值查询单元在三角波电压的每个驱动周期内查找测量基准点，并将每个驱动周期内查找得到的最小值发送到所述位移显示器进行显示；

5)所述稳频控制电路发送稳频信号控制所述电阻丝对激光增益管进行间断性加热，使双频激光器的腔长发生变化，以调节双频激光器处于稳频状态；

6)测量位移前，对所述位移显示器进行清零操作，具体操作为：

①清零操作时，如果位移显示器显示的数值为0，则不需要进行补偿；

②清零操作时，如果位移显示器显示的数值不为0，则启动清零补偿单元调用最小值查询单元进行清零补偿，将位移显示器显示的数值补偿为0；

7)位移测量系统开始计数对被测目标进行位移测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统将测得的位移值发送到最小值查询单元，查找三角波电压驱动周期内驱动电压为0的位移值，并将此位移值发送到位移显示器中显示。

2.如权利要求1所述的一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，其特征在于：所述最小值查询单元的具体过程为：在所述压电陶瓷的三角波电压信号的一个驱动周期内，最小值查询单元等时间间隔采集位移测量数据L₁，L₂…L_n，并不断比较L₂和L₁的大小，若L₂大于L₁则记录L₁，若L₂小于L₁则记录L₂，依次将后续采集的位移数据与已记录的值进行比较，寻找一个驱动周期内的最小值；当被测目标没有发生位移时，所述压电陶瓷在每个驱动周期内最小值都为0，所以位移显示器显示的数值为0；当被测目标发生位移时，每个驱动周期内查找得到的最小值为位移变化的叠加值，则位移显示器显示的数值不断累加；当被测目标运动完成后，最小值查询单元在驱动周期内查找得到的最小值为消除了压电陶瓷附加位移后的被测目标的实际位移值，位移显示器显示实际位移值。

3.如权利要求1所述的一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：所述双频激光器发出的激光经所述分光镜后的反射光经所述沃拉斯顿棱镜后形成两路偏振方向垂直的光信号分别被光电池接收，两光电池将采集的光信号分别发送到稳频控制电路中，稳频控制电路对接收的两路光信号依次经光电转换及放大、RC滤波、电压比较后获得这两路光信号的差值信号，将此差值信号作为稳频信号发送到PWM调制换电路转换为一方波电压信号，稳频控制电路将方波电压信号作为通断信号控制电阻丝对激光增益管进行间断性加热，激光增益管受热膨胀，使双频激光器的凹面腔镜向左侧移动，双频激光器的腔长发生变化，当两个光电池采集的光信号经过稳频控制电路处理后得到的差值为0时，则双频激光器处于稳频状态。

4.如权利要求2所述的一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：所述双频激光器发出的激光经所述分光镜后的反射光经所述沃拉斯顿棱镜后形成两路偏振方向垂直的光信号分别被光电池接收，两光电池将采集的光信号分别发送到稳频控制电路中，稳频控制电路对接收的两路光信号依次经光电转换及放大、RC滤波、电压比较后获得这两路光信号的差值信号，将此差值信号作为稳频信号发送到PWM调制换电路转换为一方波电压信号，稳频控制电路将方波电压信号作为通断信号控制电阻丝对激光增益管进行间断性加热，激光增益管受热膨胀，使双频激光器的凹面腔镜向左侧移动，双频激光器的腔长发生变化，当两个光电池采集的光信号经过稳频控制电路处理后得到的差值为0时，则双频激光器处于稳频状态。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，其特征在于：所述步骤6)的②清零补偿单元的具体过程为：清零补偿单元调用最小值查询单元此时所记录的值X，根据X清零补偿单元计算所需要补偿值Y，使X加上Y的值为0，清零补偿单元将Y做取反运算得到-Y，将-Y发送最小值查询单元对显示结果进行补偿，经过补偿后的最小值查询单元再次进行最小值查找的结果则为0，并发送到位移显示器显示为0。

6.实现如权利要求1～5任一项权利要求所述方法的基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量系统，它包括有一半外腔双频激光器、一位移测量系统和一回馈外腔；所述双频激光器包括有凹面腔镜、激光增益管、增透窗片、石英晶体片和平面腔镜；所述位移测量系统包括信号处理系统和位移显示器；所述回馈外腔包括设置在所述平面腔镜一侧的高反射率凹面回馈镜，所述回馈镜的凹面一侧镀有反射膜，所述回馈镜的另一侧固定连接一压电陶瓷，其特征在于：它还包括有一外腔调制稳频系统，所述外腔调制稳频系统包括一驱动电路、一稳频控制电路、两光电池、一分光镜、一沃拉斯顿棱镜、一最小值查询单元和一清零补偿单元，且在整个所述激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝，其中，所述驱动电路的输出端连接所述压电陶瓷，所述稳频控制电路的输入端分别连接两所述光电池的输出端，所述稳频控制电路的输出端连接所述电阻丝，所述最小值查询单元的输入端连接信号处理系统的输出端，所述最小值查询单元的输出端连接所述位移显示器的输入端，所述清零补偿单元双向连接所述最小值查询单元。

7.如权利要求6所述的一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量系统，其特征在于：所述稳频控制电路包括有一光电转换及放大电路、一低通滤波电路、一电压比较电路和一PWM调制电路。

8.如权利要求6或7所述的一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量系统，其特征在于：所述沃拉斯顿棱镜与激光传播的方向成45度角。

Images