CN104034264B - 基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法 - Google Patents
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Abstract
基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法属于相位激光测距技术，所述测距装置包括测尺生成单元、激光移频单元、扩束准直镜组、测量光路及电路单元；其测距方法包括步骤如下：步骤一、开启频率基准激光器和半导体激光器；步骤二、一束作为参考激光束，另一束作为测量激光；步骤三、以作为精测尺；步骤四、以作为粗测尺；步骤五、移动测量棱镜至目标端，分别得到精测尺与粗测尺的相位差Φ 1和Φ 2，最后通过公式得到被测距离值；本发明解决了相位激光测距技术中缺少一种能兼顾大功率、多测尺同步性与可溯源性的激光测距装置与方法的问题，具有测距灵活性高、测量效率和测量精度高、稳定性和实时性强的特点。
Description
技术领域
本发明属于相位激光测量技术，主要涉及一种相位激光测距装置与方法。
背景技术
大尺寸测量在发展大型精密机械制造、重大科技工程、航空航天工业、船舶工业和微电子装备业等大型光机电一体化装备加工制造中备受关注，其中几米至几百米范围的大尺寸测量是航空航天器及巨型船舶中的大型零部件加工和整体装配的重要基础，其测量方法与设备性能的优劣直接影响工件质量及装配精度，进而影响整套装备的运行质量、性能及寿命。多测尺相位测距方法利用一组从大到小的测尺波长对被测距离进行逐级精化测量，解决了测量范围和测量精度之间的相互矛盾，能在数百米超长作用距离内达到亚毫米至微米级的静态测量精度。
在多测尺相位激光测距技术中，尽管多测尺逐级测量的方式兼顾了测量范围与测量精度的需求，但由于光源技术的限制，粗测尺与精测尺不能够同时产生并进行相位测量，造成了测量时间过长，测量结果实时性差的问题，另一方面由于在多测尺相位激光测距技术中以测尺波长大小为基准进行测量，测尺波长的稳定性和准确性直接影响激光测距的精度，因此如何获得高稳定性可溯源的粗测尺与精测尺波长，并且使之同时参与测量是目前提高多测尺相位激光测距精度与实时性的主要问题。
在长距离甚至超长距离的测量背景下，光源的输出功率是重要的方面之一，通过对现有的激光光源分析可知，目前比较常用的光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器和染料激光器。其中气体激光器结构简单，光束质量好，但同时其输出功率有限，文献[曾明,丁金星,袁晓东.提高稳频He-Ne激光器输出功率的研究.光学学报.1996.1]提到常用的He-Ne激光器最大输出功率也只在5毫瓦以内，不能满足长距离测量的需要。而半导体激光器是一种高效率、宽波段、便于调制的激光器，其最大输出功率远远大于气体激光器，且结构简单，符合超长距离的测距的发展要求和趋势。
在绝对距离测量中另一关键点是测尺的稳定性与可溯源性，它与光源技术有关，通过对相位激光测距法激光的光源技术的分析可知，目前国内外相位法的调制手段有电流直接调制、光调制和模间拍频调制等。
直接电流调制法利用半导体激光器，光强随电流变化而变化的特点，来对半导体激光器的输出光强进行调制，具有简单易调制等优点。文献[Siyuan Liu,Jiubin Tan andBinke Hou.Multicycle Synchronous Digital Phase Measurement Used to FurtherImprove Phase-Shift Laser Range Finding.Meas.Sci.Technol.2007,18:1756–1762]与专利[多频同步调制的大量程高精度快速激光测距装置与方法,公开号：CN1825138]都阐述了一种基于半导体激光器的电流调制方法，其采用多频同步合成的复合信号对激光输出功率进行同步调制，实现了在同一时刻得到多频调制测距中各测尺频率针对被测距离的测量结果，但是为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流使其输出信号不失真，直流偏置的引入加大了功耗，在长时间工作时温度升高，会影响输出光功率的稳定性，导致调制波形变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，导致调制波形变形，不能进行高频调制，限制了精测尺波长的大小及稳定度；另一方面在大尺寸测量的实际应用过程中，激光在长距离传输过程中容易造成激光功率的损失，造成对调制波波形的影响，进而影响测尺的准确度及稳定度，其测尺的频率稳定度一般小于10-7。
利用光调制方法主要为声光调制法和电光调制法，其调制带宽受到激光光束直径等等多因素的影响，也会带来波形变形，特别是在高频(千兆赫兹)时就更为严重，因此它所形成大的测尺，测量精度由于受到最大测尺频率的限制而难以提高。
利用激光器不同模式输出所形成的拍频信号作为测尺的方法，称为模间调制。此方法的调制带宽与激光器的腔长相关，He-Ne激光器稳频技术成熟，它的频率稳定度高，由其所获得的测尺的稳定度高，专利[高精度多频同步相位激光测距装置与方法,公开号：CN102419166]和专利[基于双声光移频的多频同步相位激光测距装置与方法,公开号：CN102305591A]都利用了He-Ne激光器的模间调制并结合声光移频技术，获得了高精度的精测尺和粗测尺，但该方法所产生的测尺不具备可溯源性，其测量时绝对测尺长度需另一检测系统给出，增加了测量的复杂性；另一方面，这种利用外差法获得精测尺相位的方法，其处理信号的频率较高，会对后续的相位测量难度和测量精度造成一定的影响，假定测相精度为0.05°，距离测量精度要达到1um-10um，则信号频率至少为2GHz-20GHz,远远超出信号处理电路的带宽。
专利[超外差式接收装置以及接收方法、以及接收装置用半导体集成电路,公开号：CN102484492A]都介绍了一种超外差干涉信号处理技术，清华大学张存满[张存满等，超外差干涉绝对距离测量研究综述，光学技术1998，(1):7-9.]和日本Shuko Yokoyama教授[Shuko Yokoyama et al.Real-time and high-resolution absolute-distancemeasurement using a two-wavelength superheterodyneinterferometer.Meas.Sci.Technol.1999,10:1233-1239]都介绍了超外差的绝对距离测量方法，该方法降低了信号的处理频率，更容易达到较高的测量精度。但该技术一方面，只能得到一个测尺，且不具备可溯源性，不能进行多测尺测量，更谈不上多测尺的同步性；另一方面超外差得到测尺波长较小，一般在微米量级，只能用于表面微形状的测量。
为了提高激光器输出频率的稳定性，出现了以碘饱和吸收稳频激光器的输出激光频率作为稳频基准的稳频方法，利用碘的饱和吸收谱线对He-Ne激光器和半导体激光器进行偏频锁定控制。我国也进行了研究，例如专利ZL200910072518.5和专利ZL200910072519.X等都描述了一种利用碘饱和吸收He-Ne稳频激光器的偏频锁定装置，使偏频锁定后的激光输出频率具有很高的频率稳定度，具有输出频率可溯源的优点，但激光的输出频率达到1014Hz，所对应的测尺在400-700nm之间，测量范围在nm级别，不能用于远距离激光测距，亟需一种将高频率稳定度激光频率转换为可溯源的大范围激光测距测尺，并使之同步产生的技术。
综上所述，目前在相位激光测距技术中缺少一种能兼顾大功率、多测尺同步性与可溯源性的长距离高精度激光测距装置与方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有在相位激光测距技术中缺少一种能兼顾大功率、多测尺同步性与可溯源性的激光测距装置与方法的问题，提供一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法，达到增加测距灵活性、简化测距步骤、提高测量效率与精度及稳定度、实时性的目的。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，由测尺生成单元、激光移频单元、扩束准直镜组和测量光路及电路单元组成，其中测尺生成单元发出的激光输出到激光移频单元的输入端，激光移频单元中的七号分光镜输出的一路激光通过扩束准直镜组输出到测量光路及电路单元中的六号偏振分光镜的一个输入端，激光移频单元中的七号分光镜输出的另一路激光直接输入到测量光路及电路单元中的八号反射镜的输入端；
所述测尺生成单元的结构是：频率基准激光器发射的激光束到达分光器的输入端，分光器的第一个输出端连接一号分光镜的一个输入端,一号分光镜的一个输出端连接二号光电探测器的输入端，分光器的第二个输出端连接二号分光镜的一个输入端，二号分光镜的输出端连接一号光电探测器的输入端，一号光电探测器和二号光电探测器的输出端都连接单片机的输入端，单片机的两个输出端分别连接半导体稳频控制器的输入端，半导体稳频控制器的输出端分别连接二号半导体激光器和三号半导体激光器的输入端，一号半导体激光器的输出端连接半导体激光器稳频装置的输入端，半导体激光器稳频装置的输出端连接一号偏振片的输入端，二号半导体激光器的一个输出端连接四号分光镜的一个输入端，四号分光镜一个输出端连接二号分光镜的输入端，四号分光镜的另一个输出端连接二号偏振片的输入端，二号偏振片的输出端连接五号分光镜的一个输入端，三号半导体激光器的一个输出端连接三号分光镜的一个输入端，三号分光镜的一个输出端连接三号偏振片的输入端，三号分光镜的另一个输出端连接一号分光镜的另一个输入端，三号偏振片的输出端通过一号反射镜连接五号分光镜的另一个输入端；
所述激光移频单元的结构是：测尺生成单元中的一号偏振片的输出端连接七号反射镜的输入端，七号反射镜的输出端连接六号分光镜的一个输入端，六号分光镜的输出端连接七号分光镜的一个输入端，测尺生成单元1中的五号分光镜的输出端连接一号偏振分光镜的输入端，一号偏振分光镜的一个输出端连接一号半波片的输入端，一号半波片的输出端连接二号偏振分光镜的输入端，二号偏振分光镜的一个输出端连接三号偏振分光镜的一个输入端，二号偏振分光镜的另一个输出端连接二号反射镜的输入端，二号反射镜的输出端连接一号激光移频器的一个输入端，一号DDS信号源的输出端连接一号激光移频器的另一个输入端，一号激光移频器的输出端连接三号反射镜的输入端，三号反射镜的输出端连接三号偏振分光镜的另一个输入端，三号偏振分光镜的输出端连接六号分光镜的另一个输入端，六号分光镜的输出端连接七号分光镜的一个输入端，一号偏振分光镜的另一个输出端连接四号反射镜的输入端，四号反射镜的输出端经过二号半波片连接四号偏振分光镜的输入端，四号偏振分光镜的一个输出端连接五号偏振分光镜的一个输入端，四号偏振分光镜的另一个输出端连接五号反射镜的输入端，五号反射镜的输出端连接二号激光移频器的一个输入端，二号DDS信号源的输出端连接二号激光移频器的另一个输入端，二号激光移频器的输出端连接六号反射镜的输入端，六号反射镜的输出端连接五号偏振分光镜的另一个输入端，五号偏振分光镜的输出端连接七号分光镜的另一个输入端；
所述测量光路及电路单元的结构是：激光移频单元中的七号分光镜的一个输出端连接八号反射镜的输入端，八号反射镜的输出端连接八号分光镜的输入端，八号分光镜的一个输出端通过四号偏振片与三号光电探测器的输入端连通，三号光电探测器的输出端连接一号低通滤波器的输入端，一号低通滤波器的输出端连接一号混频器的一个输入端，三号DDS信号源的一个输出端连接一号混频器的另一个输入端，一号混频器的输出端连接一号鉴相器的一个输入端，八号分光镜的另一个输出端通过五号偏振片与四号光电探测器的输入端连通，四号光电探测器的输出端连接二号低通滤波器的输入端，二号低通滤波器的输出端连接二号鉴相器的一个输入端，扩束准直镜组的输出端连接六号偏振分光镜的一个输入端，六号偏振分光镜的一个输出端通过一号四分之一波片与九号反射镜的输入端连通，九号反射镜的输出端通过一号四分之一波片与六号偏振分光镜的一个输入端连通，六号偏振分光镜的另一个输出端通过二号四分之一波片与十号反射镜的输入端连通，十号反射镜的输出端通过二号四分之一波片与六号偏振分光镜的另一个输入端连通，六号偏振分光镜的另一个输出端连接九号分光镜的一个输入端，九号分光镜的一个输出端通过六号偏振片与五号光电探测器的输入端连通，五号光电探测器的输出端连接三号低通滤波器的输入端，三号低通滤波器的输出端连接三号混频器的一个输入端，三号DDS信号源的另一个输出端连接三号混频器的另一个输入端，三号混频器的输出端连接一号鉴相器的另一个输入端，九号分光镜的另一个输出端通过七号偏振片与六号光电探测器的输入端连通，六号光电探测器的输出端连接四号低通滤波器的输入端，四号低通滤波器的输出端连接二号鉴相器的另一个输入端。
一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距方法，其具体步骤如下：
步骤一、开启频率基准激光器、一号半导体激光器、二号半导体激光器和三号半导体激光器，一号半导体激光器经过半导体激光器稳频装置进行稳频，发出的激光经过一号偏振片后只剩频率为v1的激光，二号半导体激光器和三号半导体激光器在预热后，通过反馈控制将输出频率锁定在频率基准激光器的一定频率范围之内，从二号半导体激光器发出的激光经过二号偏振片后只剩频率为v2的激光，并通过五号分光镜与从三号半导体激光器发出经过三号偏振片后剩下的频率为v3的激光汇合；
步骤二、由步骤一所形成的三种频率的激光进入激光移频单元，其中一束双频激光用一号偏振分光镜分出频率为v2和v3两束激光，经过半波片之后再分别用二号偏振分光镜和四号偏振分光镜分出两束双频激光，其中一路经过激光移频器，由DDS信号源驱动激光移频器，频率分别为f1和f2，最后各种频率的激光汇总，其中共有五种频率，分别为v1、v2、v3、v2+f1和v3+f2，这束激光入射到七号分光镜分为两束光，一束作为参考激光束，另一束作为测量激光束出射到测量目标；
步骤三、参考激光束经八号分光镜分为两束激光，其中一束激光经偏振方向与v1相同的四号偏振片后，频率为v1、v2和v3的水平方向的偏振激光进入到三号光电探测器进行转换，得到包含粗测尺信号相位信息的电信号，其频率为v1-v2，另一束激光经偏振方向与v1成45度的五号偏振片后入射到四号光电探测器，四号光电探测器输出的电信号经过二号低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，其频率为f1-f2；
步骤四、测量开始时，参考面九号反射镜固定不动，移动十号反射镜至目标端，测量距离为L，测量光束经十号反射镜反射后，与参考面反射回来的光束在六号偏振分光镜处汇聚，进入测量电路，测量激光束经九号分光镜分为两束激光束，其中一束激光束经偏振方向与v1相同的六号偏振片后，频率为v1、v2和v3的水平方向的偏振激光进入到五号光电探测器进行转换，其输出电信号，其频率为v1-v2，相对应的粗测尺波长为c/|v1-v2|，另一束激光经偏振方向与v1成45度的七号偏振片后入射到六号光电探测器，五号光电探测器输出的电信号经过三号低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，其频率为f1-f2，相对应的精测尺波长为为c/|v2-v3|；
步骤五、由一号鉴相器和二号鉴相器分别得到频率为v1-v2和f1-f2的两路电信号的相位差φ1和φ2，根据公式求得粗测尺的距离测量值Lc，并将其代入公式求得精测尺的相位整数值其中floor(x)函数返回x值的整数部分，最后根据公式求得被测距离值：式中：c为光速，n为环境的空气折射率。
本发明的特点和有益效果是：
第一，本发明提出了一种基于半导体激光器的可溯源精测尺产生方法与装置，该装置与方法利用频率基准激光器对两台半导体激光器输出的激光进行偏频锁定控制，并利用稳频后的两个激光以超外差形式形成激光测距精测尺，使精测尺波长可直接溯源到频率/波长基准-频率基准激光器，并可根据实际需要调整稳频控制点，进而对精测尺波长进行调节，增加了测距的灵活性，克服了现有测距装置中测尺不可直接溯源的缺点，简化了一般测距装置在绝对测长时测尺波长需另一检测系统需给出的步骤，提高了测量效率与精度，这是本发明区别现有装置的创新点之一。
第二，本发明提出了一种基于外差与超外差结合的多测尺相位同步获取方法与装置。该装置与方法利用激光移频器对部分频率的激光进行移频，产生多种频率的激光，并同时利用外差方法和超外差方法分别获得粗测尺和精测尺，进而使之同时参与测量，实现了粗精测尺相位的同步测量，缩短了测量时间，提高了测量结果的实时性。通过外差与超外差相结合的激光干涉技术获得测试相位信号，消除了共模干扰，提高了测尺的稳定度，同时降低了相位测量电路接收信号的频率，降低电路设计的难度，这是本发明区别现有装置的创新点之二。
第三，本发明采用基于偏频锁定的半导体激光器作为测尺发生光源，使半导体激光频率锁定在碘稳频吸收峰上，具有频率稳定度高的优点，且半导体激光光源输出激光能量大，回光能量强，信噪比较高，更加有利于长距离的测量，在一定程度上克服了一般气体激光器由于输出光能量微弱而导致的回光能量微弱，信噪比低，甚至造成系统无法正常工作的问题。这是本发明区别现有装置的创新点之三。
附图说明
图1是本发明的激光测距装置的总体结构示意图；
图2是测尺生成单元的结构示意图；
图3是激光移频单元的结构示意图；
图4是测量光路及电路单元的结构示意图。
图中件号说明：1、测尺生成单元、2、激光移频单元、3、扩束准直镜组、4、测量光路及电路单元、5、频率基准激光器、6、分光器、7、一号分光镜、8、二号分光镜、9、三号分光镜、10、一号反射镜、11、一号光电探测器、12、二号光电探测器、13、半导体稳频控制器、14、单片机、15、一号半导体激光器、16、二号半导体激光器、17、三号半导体激光器、18、半导体激光器稳频装置、19、四号分光镜、20、五号分光镜、21、一号偏振片、22、二号偏振片、23、三号偏振片、24、一号偏振分光镜、25、一号半波片、26、二号偏振分光镜、27、二号反射镜、28、一号DDS信号源、29、一号激光移频器、30、三号反射镜、31、三号偏振分光镜、32、六号分光镜、33、四号反射镜、34、二号半波片、35、四号偏振分光镜、36、五号反射镜、37、二号DDS信号源、38、二号激光移频器、39、六号反射镜、40、五号偏振分光镜、41、七号反射镜、42、七号分光镜、43、八号反射镜、44、八号分光镜、45、四号偏振片、46、三号光电探测器、47、一号低通滤波器、48、一号混频器、49、三号DDS信号源、50、一号鉴相器、51、五号偏振片、52、四号光电探测器、53、二号低通滤波器、54、二号鉴相器、55、六号偏振分光镜、56、一号四分之一波片、57、九号反射镜、58、二号四分之一波片、59、十号反射镜、60、九号分光镜、61、六号偏振片、62、五号光电探测器、63、三号低通滤波器、64、三号混频器、65、七号偏振片、66、六号光电探测器、67、四号低通滤波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述：
一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，所述装置由测尺生成单元1、激光移频单元2、扩束准直镜组3和测量光路及电路单元4组成，其中测尺生成单元1发出的激光输出到激光移频单元2的输入端，激光移频单元2中的七号分光镜42输出的一路激光通过扩束准直镜组3输出到测量光路及电路单元4中的六号偏振分光镜55的一个输入端，激光移频单元2输出的另一路激光直接输入到测量光路及电路单元4中的八号反射镜43的输入端；
所述测尺生成单元1的结构是：频率基准激光器5发射的激光束到达分光器6的输入端，分光器6的第一个输出端连接一号分光镜7的一个输入端,一号分光镜7的一个输出端连接二号光电探测器12的输入端，分光器6的第二个输出端连接二号分光镜8的一个输入端，二号分光镜8的输出端连接一号光电探测器11的输入端，一号光电探测器11和二号光电探测器12的输出端都连接单片机14的输入端，单片机14的两个输出端分别连接半导体稳频控制器13的输入端，半导体稳频控制器13的输出端分别连接二号半导体激光器16和三号半导体激光器17的输入端，一号半导体激光器15的输出端连接半导体激光器稳频装置18的输入端，半导体激光器稳频装置18的输出端连接一号偏振片21的输入端，二号半导体激光器16的一个输出端连接四号分光镜19的一个输入端，四号分光镜19一个输出端连接二号分光镜8的输入端，四号分光镜19的另一个输出端连接二号偏振片22的输入端，二号偏振片22的输出端连接五号分光镜20的一个输入端，三号半导体激光器17的一个输出端连接三号分光镜9的一个输入端，三号分光镜9的一个输出端连接三号偏振片23的输入端，三号分光镜9的另一个输出端连接一号分光镜7的另一个输入端，三号偏振片23的输出端通过一号反射镜10连接五号分光镜20的另一个输入端；
所述激光移频单元2的结构是：测尺生成单元1中的一号偏振片21的输出端连接七号反射镜41的输入端，七号反射镜41的输出端连接六号分光镜32的一个输入端，六号分光镜32的输出端连接七号分光镜42的一个输入端，测尺生成单元1中的五号分光镜20的输出端连接一号偏振分光镜24的输入端，一号偏振分光镜24的一个输出端连接一号半波片25的输入端，一号半波片25的输出端连接二号偏振分光镜26的输入端，二号偏振分光镜26的一个输出端连接三号偏振分光镜31的一个输入端，二号偏振分光镜26的另一个输出端连接二号反射镜27的输入端，二号反射镜27的输出端连接一号激光移频器29的一个输入端，一号DDS信号源28的输出端连接一号激光移频器29的另一个输入端，一号激光移频器29的输出端连接三号反射镜30的输入端，三号反射镜30的输出端连接三号偏振分光镜31的另一个输入端，三号偏振分光镜31的输出端连接六号分光镜32的另一个输入端，六号分光镜32的输出端连接七号分光镜42的一个输入端，一号偏振分光镜24的另一个输出端连接四号反射镜33的输入端，四号反射镜33的输出端经过二号半波片34连接四号偏振分光镜35的输入端，四号偏振分光镜35的一个输出端连接五号偏振分光镜40的一个输入端，四号偏振分光镜35的另一个输出端连接五号反射镜36的输入端，五号反射镜36的输出端连接二号激光移频器38的一个输入端，二号DDS信号源37的输出端连接二号激光移频器38的另一个输入端，二号激光移频器38的输出端连接六号反射镜39的输入端，六号反射镜39的输出端连接五号偏振分光镜40的另一个输入端，五号偏振分光镜40的输出端连接七号分光镜42的另一个输入端；
所述测量光路及电路单元4的结构是：激光移频单元2中的七号分光镜42的一个输出端连接八号反射镜43的输入端，八号反射镜43的输出端连接八号分光镜44的输入端，八号分光镜44的一个输出端通过四号偏振片45与三号光电探测器46的输入端连通，三号光电探测器46的输出端连接一号低通滤波器47的输入端，一号低通滤波器47的输出端连接一号混频器48的一个输入端，三号DDS信号源49的一个输出端连接一号混频器48的另一个输入端，一号混频器48的输出端连接一号鉴相器50的一个输入端，八号分光镜44的另一个输出端通过五号偏振片51与四号光电探测器52的输入端连通，四号光电探测器52的输出端连接二号低通滤波器53的输入端，二号低通滤波器53的输出端连接二号鉴相器54的一个输入端，扩束准直镜组3的输出端连接六号偏振分光镜55的一个输入端，六号偏振分光镜55的一个输出端通过一号四分之一波片56与九号反射镜57的输入端连通，九号反射镜57的输出端通过一号四分之一波片56与六号偏振分光镜55的一个输入端连通，六号偏振分光镜55的另一个输出端通过二号四分之一波片58与十号反射镜59的输入端连通，十号反射镜59的输出端通过二号四分之一波片58与六号偏振分光镜55的另一个输入端连通，六号偏振分光镜55的另一个输出端连接九号分光镜60的一个输入端，九号分光镜60的一个输出端通过六号偏振片61与五号光电探测器62的输入端连通，五号光电探测器62的输出端连接三号低通滤波器63的输入端，三号低通滤波器63的输出端连接三号混频器64的一个输入端，三号DDS信号源49的另一个输出端连接三号混频器64的另一个输入端，三号混频器64的输出端连接一号鉴相器50的另一个输入端，九号分光镜60的另一个输出端通过七号偏振片65与六号光电探测器66的输入端连通，六号光电探测器66的输出端连接四号低通滤波器67的输入端，四号低通滤波器67的输出端连接二号鉴相器54的另一个输入端。
所述激光移频单元2的一号激光移频器29、二号激光移频器38包括声光移频器、电光移频器，且激光频率可以调节。
所述测尺生成单元1中的二号半导体激光器16、三号半导体激光器17为基于频率基准激光器的偏频锁定激光器，一号半导体激光器15为普通半导体稳频激光器。
所述测尺生成单元1中频率基准激光器5包括碘稳频激光器、飞秒激光频率梳激光器，且频率稳定度优于10-12。
一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距方法，具体步骤如下：
步骤一、开启频率基准激光器5、一号半导体激光器15、二号半导体激光器16和三号半导体激光器17，一号半导体激光器15经过半导体激光器稳频装置18进行稳频，发出的激光经过一号偏振片后只剩频率为v1的激光，二号半导体激光器16和三号半导体激光器17在预热后，通过反馈控制将输出频率锁定在频率基准激光器5的一定频率范围之内，从二号半导体激光器16发出的激光经过二号偏振片后只剩频率为v2的激光，并通过五号分光镜20与从三号半导体激光器17发出经过三号偏振片后剩下的频率为v3的激光汇合；
步骤二、由步骤一所形成的三种频率的激光进入激光移频单元2，其中一束双频激光用一号偏振分光镜24分出频率为v2和v3两束激光，经过半波片之后再分别用二号偏振分光镜26和四号偏振分光镜35分出两束双频激光，其中一路经过激光移频器，由DDS信号源驱动激光移频器，频率分别为f1和f2，最后各种频率的激光汇总，其中共有五种频率，分别为v1、v2、v3、v2+f1和v3+f2，这束激光入射到七号分光镜42分为两束光，一束作为参考激光束，另一束作为测量激光束出射到测量目标；
步骤三、参考激光束经八号分光镜44分为两束激光，其中一束激光经偏振方向与v1相同的四号偏振片45后，频率为v1、v2和v3的水平方向的偏振激光进入到三号光电探测器46进行转换，得到包含粗测尺信号相位信息的电信号，其频率为v1-v2，另一束激光经偏振方向与v1成45度的五号偏振片51后入射到四号光电探测器52，四号光电探测器52输出的电信号经过二号低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，其频率为f1-f2；
步骤四、测量开始时，参考面九号反射镜57固定不动，移动十号反射镜59至目标端，测量距离为L，测量光束经十号反射镜59反射后，与参考面反射回来的光束在六号偏振分光镜55处汇聚，进入测量电路，测量激光束经九号分光镜60分为两束激光束，其中一束激光束经偏振方向与v1相同的六号偏振片61后，频率为v1、v2和v3的水平方向的偏振激光进入到五号光电探测器62进行转换，其输出电信号，其频率为v1-v2，相对应的粗测尺波长为c/|v1-v2|，另一束激光经偏振方向与v1成45度的七号偏振片65后入射到六号光电探测器66，五号光电探测器62输出的电信号经过三号低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，其频率为f1-f2，相对应的精测尺波长为为c/|v2-v3|；
步骤五、由一号鉴相器50和二号鉴相器54分别得到频率为v1-v2和f1-f2的两路电信号的相位差φ1和φ2，根据公式求得粗测尺的距离测量值Lc，并将其代入公式求得精测尺的相位整数值其中floor(x)函数返回x值的整数部分，最后根据公式求得被测距离值：式中：c为光速，n为环境的空气折射率。
所述两路电信号相位差φ1与相位差φ2的测量在同一时刻进行。
激光频率v2和v3可溯源至频率基准激光器，所组成的精测尺c/|v2-v3|可溯源。
Claims (7)
1.一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，其特征在于：所述装置由测尺生成单元(1)、激光移频单元(2)、扩束准直镜组(3)和测量光路及电路单元(4)组成，其中测尺生成单元(1)发出的激光输出到激光移频单元(2)的输入端，激光移频单元(2)中的七号分光镜(42)输出的一路激光通过扩束准直镜组(3)输出到测量光路及电路单元(4)中的六号偏振分光镜(55)的一个输入端，激光移频单元(2)中的七号分光镜(42)输出的另一路激光直接输入到测量光路及电路单元(4)中的八号反射镜(43)的输入端；
所述测尺生成单元(1)的结构是：频率基准激光器(5)发射的激光束到达分光器(6)的输入端，分光器(6)的第一个输出端连接一号分光镜(7)的一个输入端,一号分光镜(7)的一个输出端连接二号光电探测器(12)的输入端，分光器(6)的第二个输出端连接二号分光镜(8)的一个输入端，二号分光镜(8)的输出端连接一号光电探测器(11)的输入端，一号光电探测器(11)和二号光电探测器(12)的输出端都连接单片机(14)的输入端，单片机(14)的两个输出端分别连接半导体稳频控制器(13)的输入端，半导体稳频控制器(13)的输出端分别连接二号半导体激光器(16)和三号半导体激光器(17)的输入端，一号半导体激光器(15)的输出端连接半导体激光器稳频装置(18)的输入端，半导体激光器稳频装置(18)的输出端连接一号偏振片(21)的输入端，二号半导体激光器(16)的一个输出端连接四号分光镜(19)的一个输入端，四号分光镜(19)一个输出端连接二号分光镜(8)的输入端，四号分光镜(19)的另一个输出端连接二号偏振片(22)的输入端，二号偏振片(22)的输出端连接五号分光镜(20)的一个输入端，三号半导体激光器(17)的一个输出端连接三号分光镜(9)的一个输入端，三号分光镜(9)的一个输出端连接三号偏振片(23)的输入端，三号分光镜(9)的另一个输出端连接一号分光镜(7)的另一个输入端，三号偏振片(23)的输出端通过一号反射镜(10)连接五号分光镜(20)的另一个输入端；
所述激光移频单元(2)的结构是：测尺生成单元(1)中的一号偏振片(21)的输出端连接七号反射镜(41)的输入端，七号反射镜(41)的输出端连接六号分光镜(32)的一个输入端，六号分光镜(32)的输出端连接七号分光镜(42)的一个输入端，测尺生成单元(1)中的五号分光镜(20)的输出端连接一号偏振分光镜(24)的输入端，一号偏振分光镜(24)的一个输出端连接一号半波片(25)的输入端，一号半波片(25)的输出端连接二号偏振分光镜(26)的输入端，二号偏振分光镜(26)的一个输出端连接三号偏振分光镜(31)的一个输入端，二号偏振分光镜(26)的另一个输出端连接二号反射镜(27)的输入端，二号反射镜(27)的输出端连接一号激光移频器(29)的一个输入端，一号DDS信号源(28)的输出端连接一号激光移频器(29)的另一个输入端，一号激光移频器(29)的输出端连接三号反射镜(30)的输入端，三号反射镜(30)的输出端连接三号偏振分光镜(31)的另一个输入端，三号偏振分光镜(31)的输出端连接六号分光镜(32)的另一个输入端，六号分光镜(32)的输出端连接七号分光镜(42)的一个输入端，一号偏振分光镜(24)的另一个输出端连接四号反射镜(33)的输入端，四号反射镜(33)的输出端经过二号半波片(34)连接四号偏振分光镜(35)的输入端，四号偏振分光镜(35)的一个输出端连接五号偏振分光镜(40)的一个输入端，四号偏振分光镜(35)的另一个输出端连接五号反射镜(36)的输入端，五号反射镜(36)的输出端连接二号激光移频器(38)的一个输入端，二号DDS信号源(37)的输出端连接二号激光移频器(38)的另一个输入端，二号激光移频器(38)的输出端连接六号反射镜(39)的输入端，六号反射镜(39)的输出端连接五号偏振分光镜(40)的另一个输入端，五号偏振分光镜(40)的输出端连接七号分光镜(42)的另一个输入端；
所述测量光路及电路单元(4)的结构是：激光移频单元(2)中的七号分光镜(42)的一个输出端连接八号反射镜(43)的输入端，八号反射镜(43)的输出端连接八号分光镜(44)的输入端，八号分光镜(44)的一个输出端通过四号偏振片(45)与三号光电探测器(46)的输入端连通，三号光电探测器(46)的输出端连接一号低通滤波器(47)的输入端，一号低通滤波器(47)的输出端连接一号混频器(48)的一个输入端，三号DDS信号源(49)的一个输出端连接一号混频器(48)的另一个输入端，一号混频器(48)的输出端连接一号鉴相器(50)的一个输入端，八号分光镜(44)的另一个输出端通过五号偏振片(51)与四号光电探测器(52)的输入端连通，四号光电探测器(52)的输出端连接二号低通滤波器(53)的输入端，二号低通滤波器(53)的输出端连接二号鉴相器(54)的一个输入端，扩束准直镜组(3)的输出端连接六号偏振分光镜(55)的一个输入端，六号偏振分光镜(55)的一个输出端通过一号四分之一波片(56)与九号反射镜(57)的输入端连通，九号反射镜(57)的输出端通过一号四分之一波片(56)与六号偏振分光镜(55)的一个输入端连通，六号偏振分光镜(55)的另一个输出端通过二号四分之一波片(58)与十号反射镜(59)的输入端连通，十号反射镜(59)的输出端通过二号四分之一波片(58)与六号偏振分光镜(55)的另一个输入端连通，六号偏振分光镜(55)的另一个输出端连接九号分光镜(60)的一个输入端，九号分光镜(60)的一个输出端通过六号偏振片(61)与五号光电探测器(62)的输入端连通，五号光电探测器(62)的输出端连接三号低通滤波器(63)的输入端，三号低通滤波器(63)的输出端连接三号混频器(64)的一个输入端，三号DDS信号源(49)的另一个输出端连接三号混频器(64)的另一个输入端，三号混频器(64)的输出端连接一号鉴相器(50)的另一个输入端，九号分光镜(60)的另一个输出端通过七号偏振片(65)与六号光电探测器(66)的输入端连通，六号光电探测器(66)的输出端连接四号低通滤波器(67)的输入端，四号低通滤波器(67)的输出端连接二号鉴相器(54)的另一个输入端。
2.根据权利要求1所述的基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，其特征在于：所述激光移频单元(2)的一号激光移频器(29)、二号激光移频器(38)包括声光移频器、电光移频器，且激光频率可以调节。
3.根据权利要求1所述的基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，其特征在于：所述测尺生成单元(1)中的二号半导体激光器(16)、三号半导体激光器(17)为基于频率基准激光器的偏频锁定激光器，一号半导体激光器(15)为普通半导体稳频激光器。
4.根据权利要求1所述的基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，其特征在于：所述测尺生成单元(1)中频率基准激光器(5)为碘稳频激光器或飞秒激光频率梳激光器，且频率稳定度优于10-12。
5.一种如权利要求1所述的基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置的测距方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、开启频率基准激光器(5)、一号半导体激光器(15)、二号半导体激光器(16)和三号半导体激光器(17)，一号半导体激光器(15)经过半导体激光器稳频装置(18)进行稳频，发出的激光经过一号偏振片后只剩频率为v1的激光，二号半导体激光器(16)和三号半导体激光器(17)在预热后，通过反馈控制将输出频率锁定在频率基准激光器(5)的一定频率范围之内，从二号半导体激光器(16)发出的激光经过二号偏振片后只剩频率为v2的激光，并通过五号分光镜(20)与从三号半导体激光器(17)发出经过三号偏振片后剩下的频率为v3的激光汇合；
步骤二、由步骤一所形成的三种频率的激光进入激光移频单元(2)，其中一束双频激光用一号偏振分光镜(24)分出频率为v2和v3两束激光，经过半波片之后再分别用二号偏振分光镜(26)和四号偏振分光镜(35)分出两束双频激光，其中一路经过激光移频器，由DDS信号源驱动激光移频器，频率分别为f1和f2，最后各种频率的激光汇总，其中共有五种频率，分别为v1、v2、v3、v2+f1和v3+f2，这束激光入射到七号分光镜(42)分为两束光，一束作为参考激光束，另一束作为测量激光束出射到测量目标；
步骤三、参考激光束经八号分光镜(44)分为两束激光，其中一束激光经偏振方向与v1相同的四号偏振片(45)后，频率为v1、v2和v3的水平方向的偏振激光进入到三号光电探测器(46)进行转换，得到包含粗测尺信号相位信息的电信号，其频率为v1-v2，另一束激光经偏振方向与v1成45度的五号偏振片(51)后入射到四号光电探测器(52)，四号光电探测器(52)输出的电信号经过二号低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，其频率为f1-f2；
步骤四、测量开始时，参考面九号反射镜(57)固定不动，移动十号反射镜(59)至目标端，测量距离为L，测量光束经十号反射镜(59)反射后，与参考面反射回来的光束在六号偏振分光镜(55)处汇聚，进入测量电路，测量激光束经九号分光镜(60)分为两束激光束，其中一束激光束经偏振方向与v1相同的六号偏振片(61)后，频率为v1、v2和v3的水平方向的偏振激光进入到五号光电探测器(62)进行转换，其输出电信号，其频率为v1-v2，相对应的粗测尺波长为c/|v1-v2|，另一束激光经偏振方向与v1成45度的七号偏振片(65)后入射到六号光电探测器(66)，五号光电探测器(62)输出的电信号经过三号低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，其频率为f1-f2，相对应的精测尺波长为为c/|v2-v3|；
步骤五、由一号鉴相器(50)和二号鉴相器(54)分别得到频率为v1-v2和f1-f2的两路电信号的相位差φ1和φ2，根据公式求得粗测尺的距离测量值Lc，并将其代入公式求得精测尺的相位整数值其中floor(x)函数返回x值的整数部分，最后根据公式求得被测距离值：式中：c为光速，n为环境的空气折射率。
6.根据权利要求5所述的基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置的测距方法，其特征在于：所述两路电信号相位差φ1与相位差φ2的测量在同一时刻进行。
7.根据权利要求5所述的基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置的测距方法，其特征在于：激光频率v2和v3可溯源至频率基准激光器，所组成的精测尺c/|v2-v3|可溯源。
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