CN103454903A - 一种基于光学倍程的时间间隔测量校准装置及其校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于时间测量领域，特别涉及一种高精度基于光学倍程的时间间隔测量的校准装置与校准方法。基于光学倍程的时间间隔测量校准装置，包括光源、分光棱镜、第一光电探测器、时间间隔测量系统、静止平台、运动平台、反光具组、位移测量系统、第二光电探测器及导轨，光源、分光棱镜、第一光电探测器、位移测量系统、第二光电探测器安放在静止平台上，静止平台和运动平台安装在导轨上。本发明结构紧凑，能够方便、准确地溯源，系统的不确定度更小，调整更方便简单，重复性好、稳定性高，有效增大了测量范围。

Description

一种基于光学倍程的时间间隔测量校准装置及其校准方法
技术领域
本发明属于时间测量领域，特别涉及一种高精度基于光学倍程的时间间隔测量的校准装置与校准方法。
背景技术
时间间隔测量被广泛应用于航空航天、雷达定位、激光测距、爆轰物理、冲击波物理以及核物理探测等应用领域，随着对时间间隔精度和测量范围的要求越来越高，如何对时间间隔测量系统校准成为一个难点问题。
目前国内外进行时间间隔校准主要采用现有设备与仪器来进行校准，而当时间间隔测量系统的精度和测量范围达到一定程度后，没有更好的测量系统来进行校准，长城无线电计量测试研究所采用高速脉冲发生器、宽度功分器、同轴空气延迟线等组成了一套校准装置，实现10ps-1ns的测量范围，步进长度1ps的时间间隔校准方法(杨志强，宋跃.一种高精度时间间隔计数器的校准方法.国外电子测量技术，2009，28（5）：21-24)。该方法具有校准分辨率高，精度高的优点，但该方法的可变延迟线在使用前需要定标，同轴空气延迟线需要特殊设计，同时因为采用示波器进行校准，存在使用不方便等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对大量程的时间间隔测量系统，提供一种通过测量光信号传播的距离得到其飞行时间来对时间间隔测量系统进行校准，以达到校准大量程时间间隔测量系统目的的基于光学倍程的大量程时间间隔测量校准装置，本发明的目的还在于提供一种大量程时间间隔测量校准方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于光学倍程的时间间隔测量校准装置，包括光源（1）、分光棱镜（2）、第一光电探测器（3）、时间间隔测量系统（4）、静止平台（5）、运动平台（6）、反光具组（7）、位移测量系统（8）、第二光电探测器（9）及导轨（10），光源、分光棱镜、第一光电探测器、位移测量系统、第二光电探测器安放在静止平台上，静止平台和运动平台安装在导轨上；反光具组一部分安装在运动平台上，另一部分安装在静止平台上，使光源入射在反光具组上的激光能够被第二光电探测器接收；光源发射的光信号经分光棱镜分成两束，其中一束激光直接被第一光电探测器接收，形成电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统；另一束激光经反光具组反射后，被第二光电探测器接收，形成电脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统；由位移测量系统测量导轨上的运动平台位移变化。
反光具组为反射镜组或角锥棱镜组。
位移测量系统是双频激光或光栅尺。
一种基于光学倍程的时间间隔测量校准方法：
（1）记录运动平台（6）在当前位置时时间间隔测量系统（4）测得的时间延迟T1；
（2）移动导轨上的运动平台，在位移测量系统（8）的测量下，测量出运动距离的变化量ΔS1，计算由运动平台位移变化引起的光信号传播时间的变化Δt1：
Δt1=nΔS1/v，
n为倍程次数光在空气中的传播速度v可以通过Edlen公式修正后获取；
（3）记录时间间隔测量系统测得的时间间隔T2，得到由时间间隔测量系统（4）测得的时间间隔增量ΔT1=T2-T1；
（4）重复执行（2）至（3）p次，测得距离变化量ΔSp，计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化Δtp=nΔSp/v，记录时间间隔测量系统测得的时间间隔Tp+1，得到此时的时间间隔增量ΔTp=Tp+1-T1；
（5）对ΔTp与Δtp进行对比，确定校准参数。
本发明的有益效果在于：
1.利用光在两探测器之间光程的改变来实现时间间隔变化量的标定与校准，结构紧凑，能够方便、准确地溯源；
2.改变运动平台之间的距离，能够更有效地扩展校准时间的范围，系统的不确定度更小；
3.两个探测器在静止平台上，系统调整更方便简单，重复性好、稳定性高；
4.采用光路多次反射的方式，有效的增大了测量范围。
附图说明
图1为基于光路多次反射延迟的时间间隔测量校准装置示意图；
图2为n倍程角锥棱镜组装置示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。
图1中件号说明：1光源、2分光棱镜、3第一光电探测器、4时间间隔测量系统、5静止平台、6运动平台、7角锥棱镜组、8位移测量系统、9第二光电探测器、10导轨。图2中件号说明：7-1～7-(n-1)为角锥棱镜。
基于光学倍程的时间间隔测量校准方法，包括：
①、首先，检测前调整整个系统，打开光源，以一定频率射出的光脉冲信号经过分光棱镜后分成两束，其中一束直接输出给第一光电探测器，产生电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统；另一束激光通过空间自由传播后,被角锥棱镜组反射后在第二光电探测器上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统；
②、测量时，首先记录下运动平台在当前位置时时间间隔测量系统测得的时间延迟T1；
③、接着，移动导轨上的运动平台，使运动平台运动一段距离，在位移测量系统的测量下，测量出运动距离的变化量ΔS1，并根据以下公式计算由运动平台位移变化引起的光信号传播时间的变化Δt1：
Δt1=nΔS1/v  （1）
其中，光在空气中的传播速度v可以通过Edlen公式修正后获取；
④、稳定一段时间后，记录下时间间隔测量系统测得的时间间隔T2，从而得到由时间间隔测量系统测得的时间间隔增量ΔT1=T2-T1；
⑤、然后，继续移动运动平台，使其位移进一步变化，测得此时的距离变化量ΔS2，并计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化Δt2=nΔS2/v；等待一段时间后，记录下时间间隔测量系统测得的时间间隔T3，得到此时的时间间隔增量ΔT2=T3-T1；
⑥、依此类推，进行多点测量，绘制表格来比对ΔT与Δt之间的关系，并通过相互之间的关系，来对时间间隔测量系统进行校准。
基于光学倍程的时间间隔测量校准装置，包括光源、分光棱镜、第一光电探测器、时间间隔测量系统、静止平台、运动平台、角锥棱镜组、位移测量系统、第二光电探测器及导轨；其中静止平台和运动平台安装在导轨上；光源、分光棱镜、第一光电探测器、位移测量系统、第二光电探测器及部分角锥棱镜安放在静止平台上；运动平台的距离变化由位移测量系统测量获得，则光程变化量根据倍程次数n乘以位移量获取。
位移测量系统可以是双频激光也可以是光栅尺，还可以是别的长度测量工具。
角锥棱镜组可以由反射镜组来替代。
本发明的装置包括：光源1、分光棱镜2、第一光电探测器3、时间间隔测量系统4、静止平台5、运动平台6、角锥棱镜组7、位移测量系统8、第二光电探测器9、导轨10，其中光源1采用脉冲调制半导体光源，波长为1550nm；光源1、分光棱镜2、第一光电探测器3、第二光电探测器9以及角锥棱镜7-2、7-4等安放在静止平台5上，角锥棱镜7-1、7-3等安放在运动平台6上；运动平台6的距离变化由位移测量系统8测量获得。该装置光的运行路径为：光源1发射的光信号经分光棱镜分成两束，其中一束激光直接被第一光电探测器3接收，形成电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统4；另一束激光经角锥棱镜组7多次反射后，被第二光电探测器9接收，形成电脉冲，作为停止信号给时间间隔测量系统4；当导轨10上的运动平台6位移发生改变时，由位移测量系统8对其位移量变化进行测量。
利用上述的基于光路倍程的时间间隔测量校准装置，本发明校准方法的具体实施方式包括以下步骤：
①、首先，检测前调整整个系统，打开光源1，以一定频率射出的光脉冲信号经过分光棱镜2后分成两束，其中一束直接输出给第一光电探测器3，产生电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统4；另一束激光通过空间自由传播后,被角锥棱镜组7反射后在第二光电探测器9上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统4；
②、测量时，首先记录下运动平台6在当前位置时时间间隔测量系统4测得的时间延迟T1；
③、接着，移动导轨10上的运动平台6，使运动平台6运动一段距离，在位移测量系统8的测量下，测量出运动距离的变化量ΔS1，并根据以下公式计算由运动平台6位移变化引起的光信号传播时间的变化Δt1：
Δt1=nΔS1/v  （1）
其中，光在空气中的传播速度v可以通过Edlen公式修正后获取；
④、稳定一段时间后，记录下时间间隔测量系统4测得的时间间隔T2，从而得到由时间间隔测量系统4测得的时间间隔增量ΔT1=T2-T1；
⑤、然后，继续移动运动平台6，使其位移进一步变化，测得此时的距离变化量ΔS2，并计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化Δt2=nΔS2/v；等待一段时间后，记录下时间间隔测量系统4测得的时间间隔T3，得到此时的时间间隔增量ΔT2=T3-T1；
⑥、依此类推，进行多点测量，绘制表格来比对ΔT与Δt之间的关系，并通过相互之间的关系，来对时间间隔测量系统4进行校准。
此实施实例具有非常好的重复性和准确性，在测量中计算公式简单，处理速度快，溯源方便，测量精度高，测量范围大等优点。

Claims (4)

1.一种基于光学倍程的时间间隔测量校准装置，包括光源（1）、分光棱镜（2）、第一光电探测器（3）、时间间隔测量系统（4）、静止平台（5）、运动平台（6）、反光具组（7）、位移测量系统（8）、第二光电探测器（9）及导轨（10），光源、分光棱镜、第一光电探测器、位移测量系统、第二光电探测器安放在静止平台上，其特征在于：静止平台和运动平台安装在导轨上；反光具组一部分安装在运动平台上，另一部分安装在静止平台上，使光源入射在反光具组上的激光能够被第二光电探测器接收；光源发射的光信号经分光棱镜分成两束，其中一束激光直接被第一光电探测器接收，形成电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统；另一束激光经反光具组反射后，被第二光电探测器接收，形成电脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统；由位移测量系统测量导轨上的运动平台位移变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学倍程的时间间隔测量校准装置，其特征在于：所述的反光具组为反射镜组或角锥棱镜组。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光学倍程的时间间隔测量校准装置，其特征在于：所述的位移测量系统是双频激光或光栅尺。
4.一种基于光学倍程的时间间隔测量校准方法，其特征在于：
（1）记录运动平台（6）在当前位置时时间间隔测量系统（4）测得的时间延迟T1；
（2）移动导轨上的运动平台，在位移测量系统（8）的测量下，测量出运动距离的变化量ΔS1，计算由运动平台位移变化引起的光信号传播时间的变化Δt1：
Δt1=nΔS1/v，
n为倍程次数光在空气中的传播速度v可以通过Edlen公式修正后获取；
（3）记录时间间隔测量系统测得的时间间隔T2，得到由时间间隔测量系统（4）测得的时间间隔增量ΔT1=T2-T1；
（4）重复执行（2）至（3）p次，测得距离变化量ΔSp，计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化Δtp=nΔSp/v，记录时间间隔测量系统测得的时间间隔Tp+1，得到此时的时间间隔增量ΔTp=Tp+1-T1；
（5）对ΔTp与Δtp进行对比，确定校准参数。
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