CN104035086A - 混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置与方法 - Google Patents

Abstract

混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光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双纵模稳频He-Ne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、移动测量角椎棱镜至目标端，分别得到精测尺与粗测尺的相位差和，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多测尺的同步性和可溯源性的装置与方法的问题，具有测量效率高、测量精度高、稳定性和实时性强的特点。

Description

混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置与方法

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，测尺波长的稳定性直接影响激光测距的精度，因此如何获得高稳定性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。

测尺的稳定性与同步产生技术与光源技术有关，通过对相位激光测距法的激光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 and Binke Hou. Multicycle Synchronous Digital Phase Measurement Used to Further Improve 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：CN 102419166]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：CN 102305591A]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^o，距离测量精度要达到1 um-10 um，则信号频率至少为2GHz-20GHz,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.]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多测尺的同步性和可溯源性的装置与方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决在现有相位激光测距技术中缺少一种能兼顾多测尺的同步性和溯源性的装置与方法的问题，提供一种混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置与方法，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：

一种混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置，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的一个输入端，激光移频单元输出的另一路激光直接输入到测量光路及电路单元的另一个输入端；

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一个输入端,一号分光镜的一个输出端连接一号光电探测器的输入端，分光器的另一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二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微控制器的输入端，微控制器的两个输出端分别连接腔长调整执行器的两个输入端，腔长调整执行器的两个输出端分别连接一号双纵模He-Ne激光器和二号双纵模He-Ne激光器的输入端，热稳频He-Ne激光器的一个输出端连接一号偏振片的输入端，一号双纵模He-Ne激光器的一个输出端连接一号分光镜的一个输入端，一号双纵模He-Ne激光器的另一个输出端连接一号反射镜的输入端，一号反射镜的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三号分光镜的一个输入端，二号双纵模He-Ne激光器的一个输出端连接二号分光镜的一个输入端，二号双纵模He-Ne激光器的另一个输出端连接三号偏振片的输入端，三号偏振片的输出端连接三号分光镜的另一个输入端；

所述激光移频单元的结构是：测尺生成单元的一个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四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五号分光镜的一个输入端，测尺生成单元的一个输出端连接三号激光移频器的输入端，三号DDS信号源的输出端连接三号激光移频器的另一个输入端，三号激光移频器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四号分光镜的另一个输入端，四号分光镜的输出端连接五号分光镜的另一个输入端，五号分光镜的一个输出端连接扩束准直镜组的输入端。

所述测量光路及电路单元的结构是：激光移频单元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六号分光镜的输入端，六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，六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七号分光镜的一个输入端，七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，七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；

一种混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距方法，具体步骤如下：

步骤一、开启频率基准激光器、热稳频He-Ne激光器、一号双纵模He-Ne激光器和二号双纵模He-Ne激光器，在经过预热和稳频之后，热稳频He-Ne激光器输出频率稳定的激光，一号双纵模He-Ne激光器和二号双纵模He-Ne激光器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，从热稳频He-Ne激光器发出经过偏振片后只剩频率为v ₁的激光，从一号双纵模He-Ne激光器发出经过偏振片后只剩频率为v ₂的激光，并通过分光镜与从二号双纵模He-Ne激光器发出经过偏振片后剩下的频率为v ₃的激光汇合；

步骤二、由步骤一所形成的两束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v ₂和v ₃两束激光，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f ₁和f ₂，频率为v ₁的激光也经过激光移频器后得到频率为v ₄ = v ₁ + f ₄的激光，最后各种频率的激光汇总，其中共有五种频率，分别为v ₂、v ₃、v ₄、v ₂+ f ₁ 和v ₃+ f ₂，汇总后的激光入射到分光棱镜分为两束光，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、参考激光束经六号分光镜分为两束激光，其中一束激光经偏振方向与v ₄ 相同的四号偏振片后，频率为v ₄、v ₂ 和v ₃的水平方向的偏振激光进入到三号光电探测器进行转换，经过一号低频滤波器后，得到包含粗测尺信号相位信息的电信号，其频率为v ₄-v ₂，另一束激光经偏振方向与v ₄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低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，得到包含精测尺信号相位信息的电信号，其频率为f ₁-f ₂；

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，测量光束经测量反射镜反射后，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，测量激光束经分光棱镜分为两束激光束，其中一束激光束经偏振方向与v ₄相同的六号偏振片后，频率为v ₄、v ₂ 和v ₃的水平方向的偏振激光进入到五号光电探测器进行转换，其输出电信号的频率为v ₄-v ₂，相对应的测尺长为 ，另一束激光经偏振方向与v ₄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低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，得到包含精测尺信号相位信息的电信号，其频率为f ₁-f ₂，相对应的测尺长为；

步骤五、由一号鉴相器和二号鉴相器分别得到频率为v ₄ -v ₂ 和f ₁-f ₂的两路电信号的相位差和，根据公式求得粗测尺的距离测量值L，并将其代入公式求得精测尺的相位整数值；其中函数返回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He-Ne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He-Ne激光器的输出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。

附图说明

图1为本发明的激光测距装置的总体结构示意图；

图2为测尺生成单元的结构示意图；

图3为激光移频单元的结构示意图；

图4为测量光路及电路单元结构示意图；

图5为双纵模激光器其中一个纵模的短期频率漂移仿真曲线图；

图6为单声光移频器移频后短期频率漂移仿真曲线图；

图7为双声光移频器移频后短期频率漂移仿真曲线图；

图8为不同测尺产生方法的测尺波长稳定度比较图。

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、一号分光镜、7、二号分光镜、8、一号光电探测器、9、二号光电探测器、10、腔长调整执行器、11、微控制器、12、热稳频He-Ne激光器、13、一号双纵模He-Ne激光器、14、二号双纵模He-Ne激光器、15、一号反射镜、16、三号分光镜、17、一号偏振片、18、二号偏振片、19、三号偏振片、20、分光器、21、一号偏振分光镜、22、一号半波片、23、二号偏振分光镜、24、二号反射镜、25、一号DDS信号源、26、一号激光移频器、27、三号反射镜、28、三号偏振分光镜、29、四号分光镜、30、四号反射镜、31、二号半波片、32、四号偏振分光镜、33、五号反射镜、34、二号DDS信号源、35、二号激光移频器、36、六号反射镜、37、五号偏振分光镜、38、三号DDS信号源、39、三号激光移频器、40、七号反射镜、41、五号分光镜、42、八号反射镜、43、六号分光镜、44、四号偏振片、45、三号光电探测器、46、一号低通滤波器、47、一号混频器、48、三号DDS信号源、49、一号鉴相器、50、五号偏振片、51、四号光电探测器、52、二号低通滤波器、53、二号鉴相器、54、六号偏振分光镜、55、一号四分之一波片、56、九号反射镜、57、二号四分之一波片、58、十号反射镜、59、七号分光镜、60、六号偏振片、61、五号光电探测器、62、三号低通滤波器、63、三号混频器、64、七号偏振片、65、六号光电探测器、66、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。

一种混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置，包括扩束准直镜组3，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的另一个输入端；

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20的输入端，分光器的第一个输出端连接一号分光镜6一个输入端,一号分光镜6的一个输出端连接一号光电探测器8的输入端，分光器的另一个输出端连接二号分光镜7的一个输入端，二号分光镜7的输出端连接二号光电探测器9的输入端，一号光电探测器8和二号光电探测器9的输出端都连接微控制器11的输入端，微控制器11的两个输出端分别连接腔长调整执行器10的两个输入端，腔长调整执行器10的两个输出端分别连接一号双纵模He-Ne激光器13和二号双纵模He-Ne激光器14的输入端，热稳频He-Ne激光器12的一个输出端连接一号偏振片17的输入端，一号双纵模He-Ne激光器13的一个输出端连接一号分光镜6的一个输入端，一号双纵模He-Ne激光器13的另一个输出端连接一号反射镜15的输入端，一号反射镜15的输出端连接二号偏振片18的输入端，二号偏振片18的输出端连接三号分光镜16的一个输入端，二号双纵模He-Ne激光器14的一个输出端连接二号分光镜7的一个输入端，二号双纵模He-Ne激光器14的另一个输出端连接三号偏振片19的输入端，三号偏振片19的输出端连接三号分光镜16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的一个输出端连接一号偏振分光镜21的输入端，一号偏振分光镜21的一个输出端连接一号半波片22的输入端，一号半波片22的输出端连接二号偏振分光镜23的输入端，二号偏振分光镜23的一个输出端连接三号偏振分光镜28的一个输入端，二号偏振分光镜23的另一个输出端连接二号反射镜24的输入端，二号反射镜24的输出端连接一号激光移频器26的一个输入端，一号DDS信号源25的输出端连接一号激光移频器26的另一个输入端，一号激光移频器26的输出端连接三号反射镜27的输入端，三号反射镜27的输出端连接三号偏振分光镜28的另一个输入端，三号偏振分光镜28的输出端连接四号分光镜29的一个输入端，一号偏振分光镜21的另一个输出端连接四号反射镜30的输入端，四号反射镜30的输出端经过二号半波片31连接四号偏振分光镜32的输入端，四号偏振分光镜32的一个输出端连接五号偏振分光镜37的一个输入端，四号偏振分光镜32的另一个输出端连接五号反射镜33的输入端，五号反射镜33的输出端连接二号激光移频器35的一个输入端，二号DDS信号源34的输出端连接二号激光移频器35的另一个输入端，二号激光移频器35的输出端连接六号反射镜36的输入端，六号反射镜36的输出端连接五号偏振分光镜37的另一个输入端，五号偏振分光镜37的输出端连接五号分光镜41的一个输入端，测尺生成单元1的一个输出端连接三号激光移频器39的输入端，三号DDS信号源38的输出端连接三号激光移频器39的另一个输入端，三号激光移频器39的输出端连接七号反射镜40的输入端，七号反射镜40的输出端连接四号分光镜29的另一个输入端，四号分光镜29的输出端连接五号分光镜41的另一个输入端，五号分光镜41的一个输出端连接扩束准直镜组3的输入端；

所述测量光路及电路单元4的结构是：激光移频单元2的一个输出端连接八号反射镜42的输入端，八号反射镜42的输出端连接六号分光镜43的输入端，六号分光镜43的一个输出端通过四号偏振片44与三号光电探测器45的输入端连通，三号光电探测器45的输出端连接一号低通滤波器46的输入端，一号低通滤波器46的输出端连接一号混频器47的一个输入端，三号DDS信号源48的一个输出端连接一号混频器47的另一个输入端，一号混频器47的输出端连接一号鉴相器49的一个输入端，六号分光镜43的另一个输出端通过五号偏振片50与四号光电探测器51的输入端连通，四号光电探测器51的输出端连接二号低通滤波器52的输入端，二号低通滤波器52的输出端连接二号鉴相器53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54的一个输入端，六号偏振分光镜54的一个输出端通过一号四分之一波片55与九号反射镜56的输入端连通，九号反射镜56的输出端通过一号四分之一波片55与六号偏振分光镜54的一个输入端连通，六号偏振分光镜54的另一个输出端通过二号四分之一波片57与十号反射镜58的输入端连通，十号反射镜58的输出端通过二号四分之一波片57与六号偏振分光镜54的另一个输入端连通，六号偏振分光镜54的另一个输出端连接七号分光镜59的一个输入端，七号分光镜59的一个输出端通过六号偏振片60与五号光电探测器61的输入端连通，五号光电探测器61的输出端连接三号低通滤波器62的输入端，三号低通滤波器62的输出端连接三号混频器63的一个输入端，三号DDS信号源48的另一个输出端连接三号混频器63的另一个输入端，三号混频器63的输出端连接一号鉴相器49的另一个输入端，七号分光镜59的另一个输出端通过七号偏振片64与六号光电探测器65的输入端连通，六号光电探测器65的输出端连接四号低通滤波器66的输入端，四号低通滤波器66的输出端连接二号鉴相器53的另一个输入端；

所述激光移频单元2的一、二、三号激光移频器（26、35、39）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中一、二号He-Ne激光器13、14为基于频率基准激光器的偏频锁定激光器，热稳频He-Ne激光器12为普通稳频激光器。

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。

一种混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距方法，具体步骤如下：

步骤一、开启频率基准激光器5、热稳频He-Ne激光器12、一号双纵模He-Ne激光器13和二号双纵模He-Ne激光器14，在经过预热和稳频之后，热稳频He-Ne激光器12输出频率稳定的激光，一号双纵模He-Ne激光器13和二号双纵模He-Ne激光器14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，从热稳频He-Ne激光器12发出经过偏振片后只剩频率为v ₁的激光，从一号双纵模He-Ne激光器13发出经过偏振片后只剩频率为v ₂的激光，并通过分光镜与从二号双纵模He-Ne激光器14发出经过偏振片后剩下的频率为v ₃的激光汇合；

步骤二、由步骤一所形成的两束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21分出频率为v ₂和v ₃两束激光，经过半波片之后再分别用二号偏振分光镜23和四号偏振分光镜32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f ₁和f ₂，频率为v ₁的激光也经过激光移频器后得到频率为v ₄ = v ₁ + f ₄的激光，最后各种频率的激光汇总，其中共有五种频率，分别为v ₂、v ₃、v ₄、v ₂+ f ₁ 和v ₃+ f ₂，汇总后的激光入射到分光棱镜分为两束光，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、参考激光束经六号分光镜43分为两束激光，其中一束激光经偏振方向与v ₄ 相同的四号偏振片44后，频率为v ₄、v ₂ 和v ₃的水平方向的偏振激光进入到三号光电探测器45进行转换，经过一号低频滤波器45后，得到包含粗测尺信号相位信息的电信号，其频率为v ₄-v ₂，另一束激光经偏振方向与v ₄成45度的五号偏振片50后入射到四号光电探测器51，四号光电探测器51输出的电信号经过低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，得到包含精测尺信号相位信息的电信号，其频率为f ₁-f ₂；

步骤四、测量开始时，参考面九号反射镜56固定不动，移动十号反射镜58至目标端，测量距离为L，测量光束经测量反射镜59反射后，与参考面反射回来的光束在六号偏振分光镜54处汇聚，进入测量电路，测量激光束经分光棱镜分为两束激光束，其中一束激光束经偏振方向与v ₄相同的六号偏振片60后，频率为v ₄、v ₂ 和v ₃的水平方向的偏振激光进入到五号光电探测器61进行转换，其输出电信号的频率为v ₄-v ₂，相对应的测尺长为，另一束激光经偏振方向与v ₄成45度的七号偏振片64后入射到六号光电探测器65，五号光电探测器61输出的电信号经过低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，得到包含精测尺信号相位信息的电信号，其频率为f ₁-f ₂，相对应的测尺长为；

步骤五、由一号鉴相器和二号鉴相器分别得到频率为v ₄-v ₂和f ₁-f ₂的两路电信号的相位差和，根据公式求得粗测尺的距离测量值L，并将其代入公式求得精测尺的相位整数值；其中函数返回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与相位差的测量在同一时刻进行。

所述激光频率v ₂ 和v ₃可溯源至碘稳频频率基准源，所组成的精测尺可溯源。

图5为双纵模激光器其中一个纵模的短期频率漂移仿真曲线图，其中纵轴相对频率漂移定义为，其中，f为纵模频率，为基准频率（稳定度高比f两个数量级以上）, 为的算术平均值。从图中可以看出双纵模激光器其中一个纵模的频率总体上短期相对频率漂移为。

图6为单声光移频器移频后短期频率漂移仿真曲线图，以图5纵模激光为原对象，在进行移频后加入噪声后的频率仿真。其纵轴相对频率漂移定义为，其中，为移频后加入噪声的频率，, 为的算术平均值。从仿真结果可以看出，图6仿真曲线图的频率相对漂移小于，与图5相比频率相对漂移增大。

图7为双声光移频器移频后短期频率漂移仿真曲线图，以图5纵模激光为原对象，在对两个原频率进行移频后加入噪声后求差获得拍频频率。从仿真结果可以看出，图7的频率相对漂移优于图5与图6的仿真结果，证明本方法在测尺频率稳定度具有较高的优势。

图8为不同测尺产生方法的测尺波长稳定度比较图，通过对国内外研究现状的分析可知，以半导体电流调制产生的激光测尺，其测尺波长稳定度一般在10^-6量级，效果好的可达到10^-7量级；一般单声光调制方法产生的测尺，其测尺波长稳定度在10^-7量级；模间拍频得到的测尺波长稳定度较高，可达到量级，但其测尺波长不可调节，应用范围受到限制；本文所提出的激光测距方法，在双纵模激光器波长稳定度优于10^-8量级时，其所得到测尺波长的稳定度优于，因此本发明的方法与其他测尺产生方法相比在测尺波长稳定度方面具有明显的优势，减小了测尺波长的漂移引起的测距误差，提高了激光测距的精度。

Claims (7)

1.一种混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置，包括扩束准直镜组（3），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）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）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）的另一个输入端；

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（20）的输入端，分光器的第一个输出端连接一号分光镜（6）一个输入端,一号分光镜（6）的一个输出端连接一号光电探测器（8）的输入端，分光器的另一个输出端连接二号分光镜（7）的一个输入端，二号分光镜（7）的输出端连接二号光电探测器（9）的输入端，一号光电探测器（8）和二号光电探测器（9）的输出端都连接微控制器（11）的输入端，微控制器（11）的两个输出端分别连接腔长调整执行器（10）的两个输入端，腔长调整执行器（10）的两个输出端分别连接一号双纵模He-Ne激光器（13）和二号双纵模He-Ne激光器（14）的输入端，热稳频He-Ne激光器（12）的一个输出端连接一号偏振片（17）的输入端，一号双纵模He-Ne激光器（13）的一个输出端连接一号分光镜（6）的一个输入端，一号双纵模He-Ne激光器（13）的另一个输出端连接一号反射镜（15）的输入端，一号反射镜（15）的输出端连接二号偏振片（18）的输入端，二号偏振片（18）的输出端连接三号分光镜（16）的一个输入端，二号双纵模He-Ne激光器（14）的一个输出端连接二号分光镜（7）的一个输入端，二号双纵模He-Ne激光器（14）的另一个输出端连接三号偏振片（19）的输入端，三号偏振片（19）的输出端连接三号分光镜（16）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）的一个输出端连接一号偏振分光镜（21）的输入端，一号偏振分光镜（21）的一个输出端连接一号半波片（22）的输入端，一号半波片（22）的输出端连接二号偏振分光镜（23）的输入端，二号偏振分光镜（23）的一个输出端连接三号偏振分光镜（28）的一个输入端，二号偏振分光镜（23）的另一个输出端连接二号反射镜（24）的输入端，二号反射镜（24）的输出端连接一号激光移频器（26）的一个输入端，一号DDS信号源（25）的输出端连接一号激光移频器（26）的另一个输入端，一号激光移频器（26）的输出端连接三号反射镜（27）的输入端，三号反射镜（27）的输出端连接三号偏振分光镜（28）的另一个输入端，三号偏振分光镜（28）的输出端连接四号分光镜（29）的一个输入端，一号偏振分光镜（21）的另一个输出端连接四号反射镜（30）的输入端，四号反射镜（30）的输出端经过二号半波片（31）连接四号偏振分光镜（32）的输入端，四号偏振分光镜（32）的一个输出端连接五号偏振分光镜（37）的一个输入端，四号偏振分光镜（32）的另一个输出端连接五号反射镜（33）的输入端，五号反射镜（33）的输出端连接二号激光移频器（35）的一个输入端，二号DDS信号源（34）的输出端连接二号激光移频器（35）的另一个输入端，二号激光移频器（35）的输出端连接六号反射镜（36）的输入端，六号反射镜（36）的输出端连接五号偏振分光镜（37）的另一个输入端，五号偏振分光镜（37）的输出端连接五号分光镜（41）的一个输入端，测尺生成单元（1）的一个输出端连接三号激光移频器（39）的输入端，三号DDS信号源（38）的输出端连接三号激光移频器（39）的另一个输入端，三号激光移频器（39）的输出端连接七号反射镜（40）的输入端，七号反射镜（40）的输出端连接四号分光镜（29）的另一个输入端，四号分光镜（29）的输出端连接五号分光镜（41）的另一个输入端，五号分光镜（41）的一个输出端连接扩束准直镜组（3）的输入端；

所述测量光路及电路单元（4）的结构是：激光移频单元（2）的一个输出端连接八号反射镜（42）的输入端，八号反射镜（42）的输出端连接六号分光镜（43）的输入端，六号分光镜（43）的一个输出端通过四号偏振片（44）与三号光电探测器（45）的输入端连通，三号光电探测器（45）的输出端连接一号低通滤波器（46）的输入端，一号低通滤波器（46）的输出端连接一号混频器（47）的一个输入端，三号DDS信号源（48）的一个输出端连接一号混频器（47）的另一个输入端，一号混频器（47）的输出端连接一号鉴相器（49）的一个输入端，六号分光镜（43）的另一个输出端通过五号偏振片（50）与四号光电探测器（51）的输入端连通，四号光电探测器（51）的输出端连接二号低通滤波器（52）的输入端，二号低通滤波器（52）的输出端连接二号鉴相器（53）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（54）的一个输入端，六号偏振分光镜（54）的一个输出端通过一号四分之一波片（55）与九号反射镜（56）的输入端连通，九号反射镜（56）的输出端通过一号四分之一波片（55）与六号偏振分光镜（54）的一个输入端连通，六号偏振分光镜（54）的另一个输出端通过二号四分之一波片（57）与十号反射镜（58）的输入端连通，十号反射镜（58）的输出端通过二号四分之一波片（57）与六号偏振分光镜（54）的另一个输入端连通，六号偏振分光镜（54）的另一个输出端连接七号分光镜（59）的一个输入端，七号分光镜（59）的一个输出端通过六号偏振片（60）与五号光电探测器（61）的输入端连通，五号光电探测器（61）的输出端连接三号低通滤波器（62）的输入端，三号低通滤波器（62）的输出端连接三号混频器（63）的一个输入端，三号DDS信号源（48）的另一个输出端连接三号混频器（63）的另一个输入端，三号混频器（63）的输出端连接一号鉴相器（49）的另一个输入端，七号分光镜（59）的另一个输出端通过七号偏振片（64）与六号光电探测器（65）的输入端连通，六号光电探测器（65）的输出端连接四号低通滤波器（66）的输入端，四号低通滤波器（66）的输出端连接二号鉴相器（53）的另一个输入端。

2.根据权利要求1所述的混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置，其特征在于：所述激光移频单元（2）的一、二、三号激光移频器（26、35、39）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所述的混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置，其特征在于：所述测尺生成单元（1）中一、二号He-Ne激光器（13、14）为基于频率基准激光器的偏频锁定激光器，热稳频He-Ne激光器（12）为普通稳频激光器。

4.根据权利要求1所述混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距装置，其特征在于：所述测尺生成单元（1）中频率基准激光器（5）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。

5.一种如权利要求1所述混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、开启频率基准激光器（5）、热稳频He-Ne激光器（12）、一号双纵模He-Ne激光器（13）和二号双纵模He-Ne激光器（14），在经过预热和稳频之后，热稳频He-Ne激光器（12）输出频率稳定的激光，一号双纵模He-Ne激光器（13）和二号双纵模He-Ne激光器（14）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，从热稳频He-Ne激光器（12）发出经过偏振片后只剩频率为v ₁的激光，从一号双纵模He-Ne激光器（13）发出经过偏振片后只剩频率为v ₂的激光，并通过分光镜与从二号双纵模He-Ne激光器（14）发出经过偏振片后剩下的频率为v ₃的激光汇合；

步骤二、由步骤一所形成的两束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（21）分出频率为v ₂和v ₃两束激光，经过半波片之后再分别用二号偏振分光镜（23）和四号偏振分光镜（32）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f ₁和f ₂，频率为v ₁的激光也经过激光移频器后得到频率为v ₄ = v ₁ + f ₄的激光，最后各种频率的激光汇总，其中共有五种频率，分别为v ₂、v ₃、v ₄、v ₂+ f ₁ 和v ₃+ f ₂，汇总后的激光入射到分光棱镜分为两束光，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、参考激光束经六号分光镜（43）分为两束激光，其中一束激光经偏振方向与v ₄ 相同的四号偏振片（44）后，频率为v ₄、v ₂ 和v ₃的水平方向的偏振激光进入到三号光电探测器（45）进行转换，经过一号低频滤波器（45）后，得到包含粗测尺信号相位信息的电信号，其频率为v ₄-v ₂，另一束激光经偏振方向与v ₄成45度的五号偏振片（50）后入射到四号光电探测器（51），四号光电探测器（51）输出的电信号经过低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，得到包含精测尺信号相位信息的电信号，其频率为f ₁-f ₂；

步骤四、测量开始时，参考面九号反射镜（56）固定不动，移动十号反射镜（58）至目标端，测量距离为L，测量光束经测量反射镜（59）反射后，与参考面反射回来的光束在六号偏振分光镜（54）处汇聚，进入测量电路，测量激光束经分光棱镜分为两束激光束，其中一束激光束经偏振方向与v ₄相同的六号偏振片（60）后，频率为v ₄、v ₂ 和v ₃的水平方向的偏振激光进入到五号光电探测器（61）进行转换，其输出电信号的频率为v ₄-v ₂，相对应的测尺长为 ，另一束激光经偏振方向与v ₄成45度的七号偏振片（64）后入射到六号光电探测器（65），五号光电探测器（61）输出的电信号经过低通滤波器滤除了高频电信号，保留低频电信号，得到包含精测尺信号相位信息的电信号，其频率为f ₁-f ₂，相对应的测尺长为；

步骤五、由一号鉴相器（49）和二号鉴相器（53）分别得到频率为v ₄-v ₂和f ₁-f ₂的两路电信号的相位差φ ₁和φ ₂，根据公式求得粗测尺的距离测量值L _c ，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所述的混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距方法，其特征在于：所述两路电信号相位差φ ₁与相位差φ ₂的测量在同一时刻进行。

7. 根据权利要求5所述的混合外差式可溯源精测尺He-Ne激光测距方法，其特征在于：所述激光频率v ₂ 和v ₃可溯源至碘稳频频率基准源，所组成的精测尺可溯源。