CN111288887A - 一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，具体涉及一种实现调频连续波激光干涉高精度绝对测量方法。本发明提供的方法是：利用两个中心波长不同的调频连续波激光干涉仪同时检测同一个光程差及其变化，根据两个干涉信号的干涉级尾数，通过计算得出其中一个干涉仪干涉级变化量的整数和尾数，从而得出对应光程差变化量的绝对值。本发明的优点是：可以实现光程差变化量的高精度绝对测量，根据此方法制备的干涉仪结构简单、响应速度快、测量精度高。

Description

一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量方法
技术领域：
本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，具体涉及一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量的方法。
背景技术：
光学调频连续波(FMCW)干涉是一项新的精密测量技术。这种光学干涉技术使用一个光频率周期性连续线性调制的激光光源，当干涉仪中的信号光和参考光相遇干涉时，产生一个动态拍频信号，其频率和初位相都与信号光和参考光之间的光程差有关。检测其拍频频率可以得出光程差的绝对值，但是分辨率较低，一般为几十微米。检测初相位也可以得出光程差，而且精度很高，一般为1纳米，但是由于干涉信号是初相位的周期性函数，一次测量只能得到初相位不足于一个周期的小数部分。虽然在一定条件下，例如当光程差缓慢连续变化时，不间断连续测量可以得到初相位变化量的整周期数和尾数，但是一旦光程差变化速度过快或发生突变，或者在测量过程有意或无意发生中断，初相位变化量的整周期数就会丢失，导致测量失败。
发明内容：
本发明提出一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量的方法，以解决现有技术存在的无法进行高精度绝对测量的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量方法：
步骤一：利用两个中心波长不同的FMCW激光干涉仪同时测量待测目标，两个FMCW激光干涉仪中的两个激光器使用同样的调制波形，进行同步调制和解调，
步骤二：根据两个FMCW激光干涉仪分别在参考位置和待测位置测得的干涉级小数部分，计算出其中一个干涉仪所干涉级变化量的整数和尾数，由此计算出对应光程差变化量的绝对值。
上述步骤二的具体步骤是：
首先分别测量FMCW激光干涉仪在参考位置和待测位置的干涉级小数部分，当光程差OPD在一个合成波长内变化时，设第一次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε10、ε20，第二次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε1、ε2，令δε1＝ε1-ε10，δε2＝ε2-ε20，
然后计算第一个干涉信号两次测量对应的干涉级整数部分：
(1)当ε2-ε1>0、ε20-ε10>0，或ε2-ε1<0、ε20-ε10<0时，
Figure BDA0002257864850000021
(2)当ε2-ε1>0、ε20-ε10<0时，
Figure BDA0002257864850000022
(3)当ε2-ε1<0、ε20-ε10>0时，
Figure BDA0002257864850000023
最后计算第一个干涉信号两次测量光程差变化量ΔOPD：
(1)当δε1>0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1)λ1
(2)当δε1<0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1-1)λ1
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本方法与现有的单频激光干涉技术和双频激光技术干涉相比，在一定的量程以内，可以实现前者无法实现的光程差变化量的高精度绝对测量。
2、本方法与现有的白光干涉技术相比，由于避免使用辅助干涉仪和扫描机构，所以相应的干涉仪结构简单、响应速度快、测量精度高。
具体实施方式：
下面将对本发明进行详细地描述。
本发明提供的一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量的方法，其步骤为：
步骤一：利用两个中心波长不同的FMCW激光干涉仪同时测量待测目标，两个FMCW激光干涉仪中的两个激光器使用同样的调制波形，进行同步调制和解调，
步骤二：根据两个FMCW激光干涉仪分别在参考位置和待测位置测得的干涉级小数部分，计算出其中一个干涉仪所干涉级变化量的整数和尾数，由此计算出对应光程差变化量的绝对值。
步骤二的具体步骤为：
首先分别测量FMCW激光干涉仪在参考位置和待测位置的干涉级小数部分，当光程差OPD在一个合成波长内变化时，设第一次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε10、ε20，第二次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε1、ε2，令δε1＝ε1-ε10，δε2＝ε2-ε20，
然后计算第一个干涉信号两次测量对应的干涉级整数部分：
(1)当ε2-ε1>0、ε20-ε10>0，或ε2-ε1<0、ε20-ε10<0时，
Figure BDA0002257864850000041
(2)当ε2-ε1>0、ε20-ε10<0时，
Figure BDA0002257864850000042
(3)当ε2-ε1<0、ε20-ε10>0时，
Figure BDA0002257864850000043
最后计算第一个干涉信号两次测量光程差变化量ΔOPD：
(1)当δε1>0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1)λ1
(2)当δε1<0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1-1)λ1
下面将对本发明的设计原理进行详细地说明：
在物理光学中，干涉级n定义为干涉仪中两束相干光束的光程差OPD与波长λ的比值，
Figure BDA0002257864850000044
其中，N为干涉级的整数，ε为干涉级的尾数。假设两个干涉仪激光光源的中心波长分别为λ1和λ2(λ1>λ2)，当这两个干涉仪同时测量同一光程差OPD时，则由公式(1)可得
OPD＝(N1+ε1)λ1 (2)
OPD＝(N2+ε2)λ2 (3)
其中，N1与N2分别为两个干涉信号干涉级的整数，ε1与ε2分别为两个干涉信号干涉级的尾数。
当OPD不大时，由上述两个公式可得：
当ε2-ε1>0时,
N1λ1+ε1λ1＝N2λ2+ε2λ2, (4)
Figure BDA0002257864850000051
N2＝N1 (6)
当ε2-ε1<0时，
N1λ1+ε1λ1＝(N1+1)λ2+ε2λ2, (7)
Figure BDA0002257864850000052
N2＝N1+1 (9)
如果两个波长λ1、λ2满足
这里A为一常数。Δε会周期性出现零点(Δε＝ε2-ε1＝0)。对应Δε的每一个周期，干涉级最大整数N1max、N2max和最大光程差OPDmax分别为:
Figure RE-GDA0002473342940000053
N2max＝N1max+1 (11)
Figure RE-GDA0002473342940000054
对于任意OPD，其干涉级可以写为
OPD＝(kN1max+N1+ε1)λ1 (13)
OPD＝(kN2max+N2+ε2)λ2 (14)
其中，k为合成波长的个数(k＝0,1,2…)，N1与N2为OPD不足一个合成波长部分两波长干涉级的整数，ε2与ε1为OPD不足一个合成波长部分两波长干涉级的尾数。
在实际情况中，往往不知道光程差对应合成波长个数k的大小，所以无法根据上述公式计算OPD。但是，有两种情况是不需要知道k的大小。一种情况是已知OPD小于一个合成波长，这种情况下k＝0。另一种情况是已知光程差的变化量ΔOPD小于一个合成波长，求ΔOPD的大小，这时因为两次测量光程差k值相等，求ΔOPD时相互抵消。由于FMCW激光干涉信号处理时存在“盲区”，第一种情况实际中很少出现，而经常遇到的则是第二种情况。
特别地，当在一个合成波长内求光程差的变化量时，若设第一次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε10、ε20(通常第一次测量设在某一特定参考位置)，第二次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε1、ε2(通常第二次测量设在待测位置)，设δε1为第一个干涉信号两次测量干涉级尾数之差，
δε1＝ε1-ε10 (15)
δε2为第二个干涉信号两次测量干涉级尾数之差，
δε2＝ε2-ε20 (16)
第一个干涉信号两次测量对应的干涉级整数部分可通过以下公式计算：
(1)当ε2-ε1>0、ε20-ε10>0，或ε2-ε1<0、ε20-ε10<0时，
Figure RE-GDA0002473342940000061
(2)当ε2-ε1>0、ε20-ε10<0时，
Figure RE-GDA0002473342940000062
(3)当ε2-ε1<0、ε20-ε10>0时，
Figure RE-GDA0002473342940000063
第一个干涉信号两次测量光程差变化量ΔOPD可通过以下公式计算：
(1)当δε1>0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1)λ1 (20)
(2)当δε1<0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1-1)λ1 (21)
上述公式说明，当光程差的变化量小于一个合成波波长时，利用两次测出的两个波长干涉级尾数，就可以推算出其中一个波长干涉级变化量的整数部分和尾数，从而得到待测位置相对于参考位置光程差变化量ΔOPD的大小，实现了对ΔOPD的绝对测量。

Claims (2)

1.一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量方法，其特征在于：
步骤一：利用两个中心波长不同的FMCW激光干涉仪同时测量待测目标，两个FMCW激光干涉仪中的两个激光器使用同样的调制波形，进行同步调制和解调，
步骤二：根据两个FMCW激光干涉仪分别在参考位置和待测位置测得的干涉级小数部分，计算出其中一个干涉仪所干涉级变化量的整数和尾数，由此计算出对应光程差变化量的绝对值。
2.根据权利要求1所述的一种双波长调频连续波激光干涉高精度绝对测量方法，其特征在于：上述步骤二的具体步骤是
首先分别测量FMCW激光干涉仪在参考位置和待测位置的干涉级小数部分，当光程差OPD在一个合成波长内变化时，设第一次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε10、ε20，第二次测量时两个干涉信号干涉级的尾数是ε1、ε2，令δε1＝ε1-ε10，δε2＝ε2-ε20，
然后计算第一个干涉信号两次测量对应的干涉级整数部分：
(1)当ε2-ε1>0、ε20-ε10>0，或ε2-ε1<0、ε20-ε10<0时，
Figure FDA0002257864840000011
(2)当ε2-ε1>0、ε20-ε10<0时，
Figure FDA0002257864840000012
(3)当ε2-ε1<0、ε20-ε10>0时，
Figure FDA0002257864840000013
最后计算第一个干涉信号两次测量光程差变化量ΔOPD：
(1)当δε1>0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1)λ1
(2)当δε1<0时，
ΔOPD＝(δN1+δε1-1)λ1。
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