CN108732561A - 基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法 - Google Patents

基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法。该方法采用两路光源，激光器输出波长不同的两路光束，两路光束经过检偏器，并通过同一分光镜分光，一部分作为测量光射向由分光镜、偏振分光镜，猫眼，标准球，位移探测器构成的系统的追踪测量部分光路，另一部分作为参考光，经反射镜反射后在分光镜处形成各自的干涉信号。将双波长干涉补偿空气折射率的方法与激光追踪测量系统相结合，在计算距离时通过引入色散系数A来确定待测距离L，避免了在激光传输全路径上对空气折射率测量的不便，进而实现测量过程中空气折射率的自补偿。

Description

基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法
技术领域
本发明涉及一种激光追踪测量系统空气折射率补偿方法，尤其涉及一种基于双波长干涉的激光追踪干涉测量系统全路径空气折射率实时补偿的方法。
背景技术
激光追踪测量系统是一种高精度的便携式三维坐标测量系统，用于空间几何量精密测量和动态轨迹测量。在理想的测量模型中，该系统采用理想的真空中波长作为测量基准，但绝大多数情况下在空气中测量而不是在真空中，测量基准是激光在空气中的实际波长，此时激光波长由激光真空波长与空气折射率共同决定，因此需要对该系统进行空气折射率的补偿。
常见的空气折射率补偿方法包括直接法、间接法和双色干涉法。直接法补偿空气折射率通常利用空气折射率计等仪器，在测量环境中直接现场确定空气的折射率。但由于空气折射率计结构的限制和激光追踪测量系统测量范围大的特点，直接测量法无法在全路径对激光追踪测量系统的空气折射率进行有效的实时补偿。间接法补偿空气折射率是利用Edlen或者Ciddor提出的经验公式，对温度、湿度、压力和二氧化碳等环境参数进行采集并进行计算最终得到空气折射率。对于激光追踪测量系统而言，间接法无法保证空气参数在激光传播路径上分布均匀，而且布置多个环境参数传感器较为繁琐，所以通过间接法难以在激光追踪测量系统的整个测量路径精确上对空气折射率进行实时补偿。
双波长干涉是指激光测距中实时修正空气折射率的方法。该方法通过在指定距离上，同时使用两种不同的波长λ1和λ2进行测量，获得位移测量值D1和D2，并通过引入色散系数A来对空气折射率进行补偿。色散系数A反映了波长λ1与λ2之间空气折射率之间的关系,其中环境参数对色散系数A造成的影响相比于在Edlen和Ciddor方程中造成的影响至少低一个数量级。在干燥空气(湿度＝0％)的情况下，色散系数A仅与波长λ1与λ2有关，在潮湿的空气中，只有湿度影响色散系数A，但通常测量条件下这个影响并不显著，这就意味着色散系数A在整个测量过程中可以被假定为一个常数。因此可以在不测量实时空气折射率的情况下，只需知道色散系数A在实验条件下的初始值，即使环境参数发生了变化，通过色散系数A来补偿空气折射率，并确定测量距离L。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法，将双波长干涉补偿空气折射率的方法与激光追踪测量系统相结合，在计算距离时通过引入色散系数A来确定待测距离L，避免了在激光传输全路径上对空气折射率测量的不便，进而实现测量过程中空气折射率的自补偿。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
采用两路光源，激光器输出波长不同的两路光束，两路光束经过检偏器，并通过同一分光镜分光，一部分作为测量光射向由分光镜、偏振分光镜，猫眼，标准球，位移探测器构成的系统的追踪测量部分光路，另一部分作为参考光，经反射镜反射后在分光镜处形成各自的干涉信号。此时可得到使用波长λ1的位移测量值D1与使用波长λ2干涉得到的位移测量值D2,所以两波长位移测量值与待测距离L有以下关系:
其中n1，n2为当前大气条件下波长λ1与λ2各自对应的空气折射率。
引入系数：
待测距离L为
L＝D1-A(D2-D1) (4)
由和Potulski提出的空气折射率计算公式：
n(λ,t,p,x,pw)-1＝K(λ)·D(t,p,x)-pw·g(λ) (5)
上式中λ为波长(以um作为单位)，t为温度，p为气压，x为二氧化碳含量，pw为水蒸气分压(以pa作为单位)。其中：
g(λ)＝10-10×(3.802-0.0384/λ2) (7)
在干燥空气中：
在潮湿的空气中，待测距离L为：
在干燥的空气，色散系数A中仅与K(λ)有关，温度、大气压和二氧化碳变化造成的影响可以忽略。在潮湿的空气中，水蒸气分压作为唯一需要测量的环境参数。因此可以在不测量实时空气折射率的情况下，只需知道色散系数A在实验条件下的初始值，即使环境参数发生了变化，通过系数A来补偿空气折射率，并确定待测距离L。由于两个波长对应光程差的测量不确定度会被色散系数A放大，进而影响测距精度，所以色散系数越小越有利于提高修正精度。
将双波长干涉的空气折射率补偿方法与激光追踪测量系统相结合，使其不受环境参数变化的影响，避免了大量环境参数传感器的繁琐布置，实现对激光追踪测量系统空气折射率的自补偿。本发明采用单频干涉，结构简单，操作简便，可广泛应用于激光追踪测量系统。
附图说明
图1为本发明中光路转换装置的原理图。
图中：1、单频激光器L1，2、单频激光器L2,3、检偏器P1，4、检偏器P2，5、反射镜R1，6、分光镜BS1，7、反射镜R2，8、猫眼反射镜，9、分光镜BS2，10、干涉滤波器F1，11、位移探测器，12、1/4波片Plate1，13、偏振分光镜PBS1，14、反射镜R3，15、干涉滤波器F2，16、探测器Detector1,17、偏振分光镜PBS2，18、1/4波片Plate2，19、分光镜BS3，20、干涉滤波器F3，21、探测器Detector2，22、标准球。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，单频激光器L1和单频激光器L2分别输出波长为λ1和λ2的两路线偏振光，分别经检偏器P1与检偏器P2调整，使偏振方向与光轴成45°。波长为λ1的线偏振光经反射镜R1反射后，与波长为λ2的线偏振光在分光镜BS1处汇合，并各自分光，波长为λ1激光的透射光与波长为λ2激光的反射光作为参考光，由波长为λ1激光的反射光与波长为λ2激光的透射光作为测量光。参考光经反射镜R3反射后由分光镜BS3分光。测量光束经反射镜R2和偏振分光镜PBS1后光束中s光反射，经1/4波片Plate1后变为圆偏振光，圆偏振光经过猫眼反射镜反射后旋向相反，经过分光镜BS2分光，反射光经干涉滤波器F1后，只有波长λ1的光束通过并被位移探测器接收，实现系统的追踪功能。透射光再次经过1/4波片Plate1变为p光，透射通过偏振分光镜PBS1和偏振分光镜PBS2，经1/4波片后再次变为圆偏振光，并在标准球22反射后旋向相反，又经第二1/4波片Plate2后变为s光，在偏振分光镜PBS2处发生反射，射向分光镜BS3。在分光镜BS3处，参考光与测量光中波长相同的光束各自进行干涉，分光后的两束激光经过波长为λ1的干涉滤波器F1和波长为λ2的干涉滤波器F2后，分别由探测器Detector1和探测器Detector2接收干涉信号，从而获得使用λ1和λ2两个波长为基准的的位移信息D1和D2，并将其代入公式(8)计算待测距离L。
由此可见，本发明提供的一种基于双波长干涉的激光追踪仪空气折射率实时补偿方法,此方法可降低测量环境中空气扰动带来的影响，在激光追踪测量系统工作的同时，在激光传输路径实现了空气折射率的自补偿，修正精度高、应用范围广、易于实现。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法，其特征在于：该方法采用两路光源，激光器输出波长不同的两路光束，两路光束经过检偏器，并通过同一分光镜分光，一部分作为测量光射向由分光镜、偏振分光镜，猫眼，标准球，位移探测器构成的系统的追踪测量部分光路，另一部分作为参考光，经反射镜反射后在分光镜处形成各自的干涉信号；此时可得到使用波长λ1的位移测量值D1与使用波长λ2干涉得到的位移测量值D2，所以两波长位移测量值与待测距离L有以下关系：
其中n1，n2为当前大气条件下波长λ1与λ2各自对应的空气折射率；
引入系数：
待测距离L为
L＝D1-A(D2-D1) (4)
由和Potulski提出的空气折射率计算公式：
n(λ,t,p,x,pw)-1＝K(λ)·D(t,p,x)-pw·g(λ) (5)
上式中λ为波长(以um作为单位)，t为温度，p为气压，x为二氧化碳含量，pw为水蒸气分压，以pa作为单位；其中：
g(λ)＝10-10×(3.802-0.0384/λ2) (7)
在干燥空气中：
在潮湿的空气中，待测距离L为：
在干燥的空气，色散系数A中仅与K(λ)有关，温度、大气压和二氧化碳变化造成的影响可以忽略；在潮湿的空气中，水蒸气分压作为唯一需要测量的环境参数；因此可以在不测量实时空气折射率的情况下，只需知道色散系数A在实验条件下的初始值，即使环境参数发生了变化，通过系数A来补偿空气折射率，并确定待测距离L；由于两个波长对应光程差的测量不确定度会被色散系数A放大，进而影响测距精度，所以色散系数越小越有利于提高修正精度。
2.利用权利要求1所述方法的基于双波长干涉的激光追踪测量系统空气折射率补偿方法，其特征在于：单频激光器L1和单频激光器L2分别输出波长为λ1和λ2的两路线偏振光，分别经检偏器P1与检偏器P2调整，使偏振方向与光轴成45°；波长为λ1的线偏振光经反射镜R1反射后，与波长为λ2的线偏振光在分光镜BS1处汇合，并各自分光，波长为λ1激光的透射光与波长为λ2激光的反射光作为参考光，由波长为λ1激光的反射光与波长为λ2激光的透射光作为测量光；参考光经反射镜R3反射后由分光镜BS3分光；测量光束经反射镜R2和偏振分光镜PBS1后光束中s光反射，经1/4波片Plate1后变为圆偏振光，圆偏振光经过猫眼反射镜反射后旋向相反，经过分光镜BS2分光，反射光经干涉滤波器F1后，只有波长λ1的光束通过并被位移探测器接收，实现系统的追踪功能；透射光再次经过1/4波片Plate1变为p光，透射通过偏振分光镜PBS1和偏振分光镜PBS2，经1/4波片后再次变为圆偏振光，并在标准球22反射后旋向相反，又经第二1/4波片Plate2后变为s光，在偏振分光镜PBS2处发生反射，射向分光镜BS3；在分光镜BS3处，参考光与测量光中波长相同的光束各自进行干涉，分光后的两束激光经过波长为λ1的干涉滤波器F1和波长为λ2的干涉滤波器F2后，分别由探测器Detector1和探测器Detector2接收干涉信号，从而获得使用λ1和λ2两个波长为基准的的位移信息D1和D2，并将其代入公式(8)计算待测距离L。
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