CN104748835B - 干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置 - Google Patents

Abstract

干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置属于激光测量技术领域，本发明利用光开关实现对参考光和测量光强度的分离测量，进而提取出相关光信号中的非线性误差参数，最终对正交信号的直流偏置误差和幅值不等误差进行矫正；本发明实现了对单频激光干涉测振仪信号中非线性误差参数的开机即提取、对单频激光干涉测振仪中的非线性误差做出快速实时修正的技术效果。

Description

干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，主要涉及一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置。

背景技术

21世纪以来，随着科学研究及工业制造的飞速发展，振动测量在军事及民用领域的意义被愈发凸显。随着超精密测量技术的发展，激光干涉测振法已经成为目前振动测量领域的常用技术。激光干涉测振法是线位移激光干涉仪测量的衍生方案，其对线位移激光干涉仪改进、加入透镜变焦系统等，具有测量精度高、动态测量范围大的特点。因此，激光干涉测振仪的测量精度取决于线位移激光干涉仪的测量精度。线位移单频激光干涉仪相比于双频线位移激光干涉仪具有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低等多种优点，其测量速度在原理上不受限制，因而是高速长度测量领域的主要手段。然而，非线性误差一直是限制线位移单频激光干涉仪精度的关键问题。

1981年，Heydemann提出利用最小二乘法的椭圆拟合方法获取干涉信号中的非线性误差参数进而对非线性误差进行修正(P.L.M.Heydemann，Determination andcorrection of quadrature fringe measurement errors ininterferometers.Appl.Opt.1981，20：3382-3384)；德国联邦物理技术研究院的Dai提出利用ADC探测四通道线位移单频激光干涉仪各通道信号的峰谷值实时提取非线性误差参数并对其做出修正(Dai，G.-L.；Pohlenz，F.；Danzebrink，H.-U.；Hasche，K.；Wilkening，G.Improving the performance of interferometers in metrological scanning probemicroscopes.Meas.Sci.Technol.2004，15：444-450)，称其为实时Heydemann修正方法。然而上述这些方法一般都需要目标镜位移达到λ/2才可对信号非线性误差参数做出较准确的识别，当目标镜位移小于λ/2时，测得的数据离散性较高，无法对非线性误差参数做出准确识别，因而修正的效果不好。

2012年，Rerucha提出通过调制激光光源频率的方法，实现线位移单频激光干涉仪在准静态下非线性误差参数的识别(Rerucha S，Buchta Z，Sarbort M，et al.Detectionof interference phase by digital computation of quadrature signals inhomodyne laser interferometry.Sensors，2012，12(10)：14095-14112)，然而这种方法需要附加可调制激光光源，而且识别需要一定的时间。

另外，被测量的振动目标多为漫反射的非合作目标，对于不同目标，测量光束回波的强度变化较大，此时需要多次对单频激光干涉测振仪非线性参数的进行提取，而Heydemann拟合法和调制激光光源法有相对比较耗时，因而对系统的测量速度有较大影响。

发明内容

针对上述Heydemann修正方法在振动目标位移小于λ/2时无法准确识别非线性误差参数并修正，光源调制法识别非线性误差需要可调制激光光源，以及对不同反射率的振动非合作目标的测量需要多次快速识别非线性误差参数的问题，本发明提出和研发了一种干涉量分离单频激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置，实现了单频激光干涉测振仪开机即获得非线性误差参数、并在振动测量时做出修正的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法，该方法步骤如下：

(1)打开单频激光干涉测振仪，位于参考光路和测量光路上的光开关S_r、S_m同时切换至打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离为参考光束和测量光束，参考光束先后通过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后原路返回；同时调整透镜系统，使测量光束先后通过1/4波片、光开关、透镜系统照射振动目标后，回波信号被透镜系统汇聚准直后原路返回；两束激光偏振态被旋转90°后再次入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差π/2的相干光；

(2)使S_r切换至打开状态，同时S_m切换至关闭状态；此时测量光束被光开关S_m阻断，参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号I_r1、I_r2、I_r3、I_r4；

(3)使S_r切换至关闭状态，同时S_m切换至打开状态；此时参考光束被光开关S_r阻断，测量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号I_m1、I_m2、I_m3、I_m4；

(4)重新使两个光开关S_r、S_m同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可正常通过光开关S_r、S_m，单频激光干涉测振仪正常工作，完成对目标的测量；此时四路探测器上的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号I₁、I₂、I₃、I₄。

(5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算

去除四通道单频激光干涉测振仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，空气折射率为n，则可求得被测振动目标的瞬时位移值为：

对位移-时间图进行分析，可获得振动目标的振幅和振动频率等信息。

一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正装置，在稳频激光器的出射光路上依次配置偏振分光棱镜A、1/4波片B、凸透镜A、凸透镜B和被测振动目标，所述1/4波片B位于x、y平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/4波片B快轴方向与y轴逆时针成45°，所述凸透镜A、凸透镜B和被测振动目标与1/4波片B平行；在所述偏振分光棱镜A的反射光路上依次配置1/4波片A和参考反射镜，所述1/4波片A位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/4波片A快轴方向与y轴顺时针成45°，所述参考反射镜与1/4波片A平行；在所述偏振分光棱镜A的位于参考反射镜的相对侧部处依次配置1/2波片、消偏振分光棱镜和偏振分光棱镜B，所述1/2波片位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/2波片快轴方向与y轴顺时针成22.5°；所述偏振分光棱镜B与消偏振分光棱镜相互平行且同轴，在所述偏振分光棱镜B的透射光路和反射光路上分别配置光电探测器A和光电探测器器B；在所述消偏振分光棱镜的反射光路上一次配置1/4波片C和偏振分光棱镜C，所述1/4波片C位于x、y平面内，且与消偏振分光棱镜同轴，1/4波片C快轴方向与y轴逆时针成45°；光电探测器C和光电探测器D分别配置在偏振分光棱镜C透射光路和反射光路上；所述偏振分光棱镜A、B、C与消偏振分光棱镜的底面均位于x、z平面内，且共面；光开关A与参考反射镜相互平行且同轴地配置在1/4波片A和参考反射镜之间；光开关B与凸透镜A相互平行且同轴地配置在1/4波片B和凸透镜A之间。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)相比于Heydemann修正方法，由于只需切换光开关状态即可获取非线性误差参数，因而开机即可提取单频激光干涉测振仪测量中的非线性误差参数进而对非线性误差进行修正。

(2)相比于调制光源提取非线性误差参数的误差修正方法，无需对激光光源进行调制，降低了单频激光干涉测振仪对光源的要求。

(3)由于可以预先提取非线性误差的参数，进而重建单频激光干涉测振仪的正交信号，无需对获得的数据再做复杂数学运行，降低了系统对硬件的要求。

(4)当测量不同反射率的非合作振动目标时，由于只需切换光开关的状态即可提取非线性误差参数，因而可以有效提高单频激光干涉测振仪振动测量的速度。

附图说明

图1是干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正装置总体配置结构示意图；

图中件号说明：1、稳频激光器、2、偏振分光棱镜A、3、1/4波片A、4、光开关A、5参考反射镜、6、1/4波片B、7、光开关B、8、凸透镜A、9、凸透镜B、10、被测振动目标、11、1/2波片、12、消偏振分光棱镜、13、偏振分光棱镜B、14、光电探测器A、15、光电探测器B、16、1/4波片C、17、偏振分光棱镜C、18、光电探测器C、19、光电探测器D。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正装置，在稳频激光器1的出射光路上依次配置偏振分光棱镜A2、1/4波片B6、凸透镜A8、凸透镜B9和被测振动目标10，所述1/4波片B6位于x、y平面内，且与偏振分光棱镜A2同轴，1/4波片B6快轴方向与y轴逆时针成45°，所述凸透镜A8、凸透镜B9和被测振动目标10与1/4波片B6平行；在所述偏振分光棱镜A2的反射光路上依次配置1/4波片A3和参考反射镜5，所述1/4波片A3位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A2同轴，1/4波片A3快轴方向与y轴顺时针成45°，所述参考反射镜5与1/4波片A3平行；在所述偏振分光棱镜A2的位于参考反射镜5的相对侧部处依次配置1/2波片11、消偏振分光棱镜12和偏振分光棱镜B13，所述1/2波片11位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A2同轴，1/2波片11快轴方向与y轴顺时针成22.5°；所述偏振分光棱镜B13与消偏振分光棱镜12相互平行且同轴，在所述偏振分光棱镜B13的透射光路和反射光路上分别配置光电探测器A14和光电探测器器B15；在所述消偏振分光棱镜12的反射光路上一次配置1/4波片C16和偏振分光棱镜C17，所述1/4波片C16位于x、y平面内，且与消偏振分光棱镜12同轴，1/4波片C16快轴方向与y轴逆时针成45°；光电探测器C18和光电探测器D19分别配置在偏振分光棱镜C17透射光路和反射光路上；所述偏振分光棱镜A2、B13、C17、与消偏振分光棱镜12的底面均位于x、z平面内，且共面；其特征在于：光开关A4与参考反射镜5相互平行且同轴地配置在1/4波片A3和参考反射镜5之间；光开关B7与凸透镜A8相互平行且同轴地配置在1/4波片B6和凸透镜A8之间；所述1/2波片11和1/4波片C16的位置可以互换，快轴方向不变；所述的参考反射镜(5)包括平面镜、角锥棱镜。

一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法，该方法步骤如下：

(1)打开单频激光干涉测振仪，调整透镜系统，使得被测目标反射的回波信号可以和参考信号干涉；干涉时，两束激光的电场分布可以表示如下：

(2)使得Sr切换至打开状态，同时Sm切换至关闭状态。此时测量光束被光开关Sm阻断，参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，四路探测器上的信号中只有参考光信号，为：

式中α为探测器光电转换效率；k代表探测器通道，k＝1，2，3，4；余弦的平方在激光光频周期的平均值为1/2，则最终输出光电流可以表示为

(3)使得S_r切换至关闭状态，同时S_m切换至打开状态。此时参考光束被光开关S_r阻断，测量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，四路探测器上的信号中只有测量光信号，为：

(4)重新使得两个光开关同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可正常通过光开关，线位移单频激光干涉仪正常工作，完成对目标的测量。此时四路探测器上的信号参考光与测量光的相干信号，探测器光敏单元上的总辐射场为：

光检测器件都是平方律检测器，探测器的输出的光电流为：

式中第一、二项相当于检测器输出的直流分量；第三项为参考光与测量光的和频项，其平均值为零；第四项为差频项，两光频率相等，因而最终输出光电流可以表示为

式中的第三项为单频激光干涉测振仪测量所需的交流信号，对比(1)(2)步骤中的探测器光电流表达式可以看出，通过控制光开关状态可以得到最终相干光信号中的直流分量，最终各路探测器获得的交流信号为：

归一化后的交流信号为：

(5)最终对正交信号做如下运算

则可去除四通道单频激光干涉测振仪中各通道的直流分量，获得无直流偏置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，空气折射率为n，则可求得被测振动目标的瞬时位移值为：

对位移-时间图进行分析，可获得振动目标的振幅和振动频率。

Claims (1)

1.一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)打开单频激光干涉测振仪，位于参考光路和测量光路上的光开关S_r、光开关S_m同时切换至打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离为参考光束和测量光束，参考光束先后通过第一1/4波片(3)、光开关S_r，再经反射镜反射后原路返回；同时调整透镜系统，使测量光束先后通过第二1/4波片(6)、光开关S_m、透镜系统照射振动目标后，回波信号被透镜系统汇聚准直后原路返回；两束激光偏振态被旋转90°后再次入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差π/2的相干光；

(2)使光开关S_r切换至打开状态，同时光开关S_m切换至关闭状态；此时测量光束被光开关S_m阻断，参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号I_r1、I_r2、I_r3、I_r4；

(3)使光开关S_r切换至关闭状态，同时光开关S_m切换至打开状态；此时参考光束被光开关S_r阻断，测量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号I_m1、I_m2、I_m3、I_m4；

(4)重新使两个光开关S_r、光开关S_m同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可正常通过光开关S_r、光开关S_m，单频激光干涉测振仪正常工作，完成对目标的测量；此时四路探测器上的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号I₁、I₂、I₃、I₄；

(5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算

可去除四通道单频激光干涉测振仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，空气折射率为n，则可求得被测振动目标的瞬时位移值为：

对位移-时间图进行分析，可获得振动目标的振幅和振动频率。