CN106226775B - 一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统及其测量方法，属于绝对距离动态测量领域。为了解决现有的测量系统在振动影响下测量精度低的问题。本发明的测量系统包括两个部分，一部分进行FSI绝对距离测量，另一部分利用单频激光器加上声光调制器构成额外的一个外差干涉仪对目标的位移进行实时监测，消除了测量路光程变化引入的多普勒效应带来的影响。所述测量方法为利用所述测量系统中1号探测器、2号探测器和平衡探测器探测到的信号，获得的绝对距离：本发明利用2号探测器得到的信号用来校正声光调制器调制频率不稳定引入的误差。

Description

一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量方法，属于绝对距离动态测量领域。
背景技术
激光线性调频连续波技术借助可调谐激光器大范围连续可调的特点进行测量。通常激光器无法做到绝对的线性调频，为了克服非线性调频带来的影响，目前常用的手段是频率采样法。
现有的绝对距离测量系统的光路结构示意图如图1所示。
频率采样法是利用辅助干涉仪信号作为数据采集卡的采样时钟，从而消除可调谐激光器调频非线性带来的影响，则经过频率采样法后测量信号可以表示为
I1(k)＝A1cos[2πf(k)τm]＝A1cos[2πΔf(k)τm+2πf0τm] (1)
其中A1表示测量信号的振幅，τm表示测量干涉仪群延迟，f0表示频率调制起始频率，Δf(k)表示各采样点对应的可调谐激光器频率的变化量。
上述模型是在假设测量路光程差不变的情况下得到的，但在实际测量中，由于目标振动、空气扰动等问题的存在，导致这个假设通常是不成立的。因此分析测量路光程差动态变化时的数学模型是非常有必要的。
假设测量路的群延迟在第一个采样点时为τm0，测量路的群延迟变化量为Δτm，则上式变为
τ0表示探测器对应的辅助干涉仪的群延迟差，上述公式中第一项为包含距离信息的有用项，第二项为由于光程差变化引入的多普勒频移项，第三项为常数项，第四项相对较小可以忽略。由于激光的频率很高，导致在FSI中光程差的变化将引入数百上千倍的误差。
为了更加形象的体现振动对测量系统的影响，对振动影响下的测量系统进行仿真，仿真中目标距离为10m，振动振幅仅为1.1um，图2和图3所示，此时测量系统得到的距离谱如图3所示，此时测量偏差为774um，远大于目标实际的位移量，因此振动对该测量系统的影响非常严重。振动影响下的测量系统是无法得到良好的测量精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的测量系统在振动影响下测量精度低的问题，本发明提供一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统及其测量方法。
本发明的一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统，所述测量系统包括数据采集卡、1号探测器、平衡探测器、2号探测器、辅助干涉仪、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号声光调制器、2号声光调制器、1号光纤耦合器、2号光纤耦合器、3号光纤耦合器、4号光纤耦合器、1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、4号耦合器、5号耦合器、偏振保持分束器PBS、波分复用器WDM、光纤端面、聚焦系统和四分之一波片；
1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、4号耦合器和5号耦合器均为3dB耦合器；
外腔式激光器的激光入射至1号光纤耦合器进行分路，1号光纤耦合器输出的99路光依次经辅助干涉仪和1号探测器后入射至数据采集卡作为采样时钟信号，控制数据采集卡对平衡探测器与2号探测器的信号进行采样；
1号光纤耦合器输出的1路光入射至2号光纤耦合器进行分路；
单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的1路光经 2号声光调制器入射至5号耦合器进行分路；
2号光纤耦合器输出的99路光与4号光纤耦合器输出的99路光经1号耦合器合束后入射至偏振保持分束器PBS的1号端口，经偏振保持分束器PBS的2号端口输出的光与可见激光器输出的激光经波分复用器WDM复用后，依次经光纤端面、聚焦系统和四分之一波片后入射至目标，经目标反射后返回至波分复用器WDM，经波分复用器WDM解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS的2号端口，再在PBS的3号端口出射；
2号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的99路光经2号耦合器进行合束，2号耦合器合束后的光与偏振保持分束器PBS的3号端口出射的光经3号耦合器合束后入射至平衡探测器；
4号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的1路光经4号耦合器合束后入射至2号探测器。
所述的一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统的测量方法，所述方法为：
根据1号探测器、2号探测器和平衡探测器探测到的信号，获得的绝对距离Rm0为：
τ0表示1号探测器对应的辅助干涉仪群延迟差，c表示光速，表示偏导数，f0表示外腔式激光器的频率调制起始频率，k表示采样点索引值，Δτm(k)表示各采样点对应的测量路群延迟变化量；
和分别为1号探测器、平衡探测器和2号探测器探测信号的相位变化量；f1表示单频激光器的频率，fAOM1表示1号声光调制器调制的频率值。
所述1号探测器探测到的信号I1(k)为：
A1表示1号探测器探测到的信号的振幅，τm0表示在第一个采样点时测量路的群延迟。
所述平衡探测器探测到的信号为：
I2(k)＝A2cos[2πΔfAOMt(k)+2π(f1+fAOM1)τm0+2π(f1+fAOM1)Δτm(k)]；
其中，A2表示平衡探测器探测到的信号的振幅，ΔfAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器调制频率差，t(k)表示各采样点对应的时间，τm0表示在第一个采样点时测量路的群延迟。
所述2号探测器探测到的信号为：
I3(k)＝A3cos[2πΔfAOMt(k)+2π(f1+fAOM1)τ3]；
A3表示2号探测器探测到的信号的振幅，ΔfAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器调制频率差，τ3表示2号探测器对应辅助干涉仪群延迟差。
本发明的有益效果在于，本发明利用单频激光器加上声光调制器构成额外的一个外差干涉仪对目标的位移进行实时监测，消除测量路光程变化引入的多普勒效应带来的影响，提高了测量精度。2号探测器得到的信号还可以用来校正声光调制器调制频率不稳定引入的误差。
附图说明
图1为现有的绝对距离测量系统的光路结构示意图。
图2为利用图1的测量系统的目标位移和频率的曲线示意图。
图3为在图2的基础上，图1的测量系统在振动影响下的测量信号的距离谱。
图4为具体实施方式中的动态绝对距离测量系统的光路结构示意图。
具体实施方式
为了消除测量路光程变化引入的多普勒效应带来的影响，本实施方式中提出了新的动态绝对距离测量系统，如图1 所示，包括数据采集卡、1号探测器、平衡探测器、2号探测器、辅助干涉仪、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号声光调制器、2号声光调制器、1号光纤耦合器、2号光纤耦合器、3号光纤耦合器、4号光纤耦合器、1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、4号耦合器、5号耦合器、偏振保持分束器PBS、波分复用器WDM、光纤端面、聚焦系统和四份之一波片；
1号光纤耦合器、2号光纤耦合器、3号光纤耦合器和4号光纤耦合器均为99:1分路光纤耦合器；
1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、4号耦合器和5号耦合器均为3dB耦合器；
外腔式激光器的激光入射至1号光纤耦合器进行分路，1号光纤耦合器输出的99路光依次经辅助干涉仪和1号探测器后入射至数据采集卡作为采样时钟信号，控制数据采集卡对平衡探测器与2号探测器的信号进行采样；
1号光纤耦合器输出的1路光入射至2号光纤耦合器进行分路；
单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的1路光经 2号声光调制器入射至5号耦合器进行分路；
2号光纤耦合器输出的99路光与4号光纤耦合器输出的99路光经1号耦合器合束后入射至偏振保持分束器PBS的1号端口，经偏振保持分束器PBS的2号端口输出的光与可见激光器输出的激光经波分复用器WDM复用后，依次经光纤端面、聚焦系统和四分之一波片后入射至目标，经目标反射后返回至波分复用器WDM，经波分复用器WDM解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS的2号端口，再在PBS的3号端口出射；
2号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的99路光经2号耦合器进行合束，2号耦合器合束后的光与偏振保持分束器PBS的3号端口出射的光经3号耦合器合束后入射至平衡探测器；
4号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的1路光经4号耦合器合束后入射至2号探测器。
本实施方式的测量系统利用额外的一个外差干涉仪对目标的位移进行实时监测。本实施方式的测量系统总体上分为两个部分，一部分进行FSI绝对距离测量，该部分与图1中结构区别在于利用了偏振保持分束器PBS与四分之一波片代替了环形器，这样做的目的在于可以消除端面反射以及环形器漏光等无用光信号对测量的影响；
另一部分利用声光调制器对振动进行实时监测，单频激光出射后经3号光纤耦合器 99：1分为两路，两路分别经过1号声光调制器和2号声光调制器，其中99路为测量光路，1路为参考光路，测量光路经4号光纤耦合器后再次分为两路，一路经1号耦合器与 FSI绝对距离测量路合束，另一路经4号耦合器进入2号探测器，参考光路经5号耦合器后分为两路，一路与FSI绝对距离参考路合束，另一路经4号耦合器进入2号探测器。
1号探测器的信号作为采样时钟信号，对平衡探测器与2号探测器的信号进行采样。外腔式激光器的扫频带宽可以达到10THz以上，实际测量时可以令扫频范围避开单频激光器频率，因此外腔式激光器的激光与单频激光器激光的干涉信号不会被平衡探测器响应。两个声光调制器调制不同的频率，从而使振动探测信号与FSI绝对距离测量信号在距离谱上可以被轻易的分开。平衡探测器测量的振动探测信号可以表示为：
其中，A2表示振动探测信号的振幅，ΔfAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器调制频率差，t(k)表示各采样点对应的时间，f1表示单频激光器频率，fAOM1表示1号声光调制器调制的频率值，τm0表示在第一个采样点时测量路的群延迟，Δτm(k)表示各采样点对应的测量路群延迟变化量；
从上式中可以发现经过频率采样法采样后，各采样点在时间上不是均匀的，并且t(k) 是未知的参量。这导致无法仅从上述信号中提取测量路群延迟变化量Δτm，此时2号探测器得到的信号就是必不可少的。根据光路结构可知2号探测器得到的信号可以表示为，
I3(k)＝A3cos[2πΔfAOMt(k)+2π(f1+fAOM1)τ3] (4)
A3表示2号探测器探测到的信号振幅，f1表示单频激光器的频率，τ3表示2号探测器对应的辅助干涉仪群延迟差；
除此之外，2号探测器得到的信号还可以用来校正声光调制器调制频率不稳定引入的误差。假设公式2、3、4的相位变化量分别为则利用振动测量信号可以测量得到测量路时间延迟的变化量
该变化量可以用来对绝对距离测量信号进行补偿，则测量得到的距离为
c表示光速，表示偏导数，f0表示外腔式激光器的频率调制起始频率，k表示采样点索引值，τ0表示1号探测器对应的辅助干涉仪群延迟差。

Claims (5)

1.一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统，其特征在于，所述测量系统包括数据采集卡、1号探测器、平衡探测器、2号探测器、辅助干涉仪、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号声光调制器、2号声光调制器、1号光纤耦合器、2号光纤耦合器、3号光纤耦合器、4号光纤耦合器、1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、4号耦合器、5号耦合器、偏振保持分束器PBS、波分复用器WDM、光纤端面、聚焦系统和四分之一波片；
1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、4号耦合器和5号耦合器均为3dB耦合器；
外腔式激光器的激光入射至1号光纤耦合器进行分路，1号光纤耦合器输出的99路光依次经辅助干涉仪和1号探测器后入射至数据采集卡作为采样时钟信号，控制数据采集卡对平衡探测器与2号探测器的信号进行采样；
1号光纤耦合器输出的1路光入射至2号光纤耦合器进行分路；
单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的1路光经2号声光调制器入射至5号耦合器进行分路；
2号光纤耦合器输出的99路光与4号光纤耦合器输出的99路光经1号耦合器合束后入射至偏振保持分束器PBS的1号端口，经偏振保持分束器PBS的2号端口输出的光与可见激光器输出的激光经波分复用器WDM复用后，依次经光纤端面、聚焦系统和四分之一波片后入射至目标，经目标反射后返回至波分复用器WDM，经波分复用器WDM解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS的2号端口，再在PBS的3号端口出射；
2号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的99路光经2号耦合器进行合束，2号耦合器合束后的光与偏振保持分束器PBS的3号端口出射的光经3号耦合器合束后入射至平衡探测器；
4号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的1路光经4号耦合器合束后入射至2号探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统的测量方法，其特征在于，所述方法为：
根据1号探测器、2号探测器和平衡探测器探测到的信号，获得的绝对距离Rm0为：
τ0表示1号探测器对应的辅助干涉仪群延迟差，c表示光速，表示偏导数，f0表示外腔式激光器的频率调制起始频率，k表示采样点索引值，△τm(k)表示各采样点对应的测量路群延迟变化量；
和分别为1号探测器、平衡探测器和2号探测器探测信号的相位变化量；f1表示单频激光器的频率，fAOM1表示1号声光调制器调制的频率值。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统的测量方法，其特征在于，所述1号探测器探测到的信号I1(k)为：
A1表示1号探测器探测到的信号的振幅，τm0表示在第一个采样点时测量路的群延迟。
4.根据权利要求2所述的一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统的测量方法，其特征在于，所述平衡探测器探测到的信号为：
I2(k)＝A2cos[2π△fAOMt(k)+2π(f1+fAOM1)τm0+2π(f1+fAOM1)△τm(k)]；
其中，A2表示平衡探测器探测到的信号的振幅，△fAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器调制频率差，t(k)表示各采样点对应的时间，τm0表示在第一个采样点时测量路的群延迟。
5.权利要求2所述的一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统的测量方法，其特征在于，所述2号探测器探测到的信号为：
I3(k)＝A3cos[2π△fAOMt(k)+2π(f1+fAOM1)τ3]；
t(k)表示各采样点对应的时间，A3表示2号探测器探测到的信号的振幅，△fAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器调制频率差，τ3表示2号探测器对应辅助干涉仪群延迟差。
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