CN111486793A - 一种激光自混合的位移精密测量方法及系统 - Google Patents

一种激光自混合的位移精密测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光自混合的位移精密测量方法及系统，该方法包括：激光器发出激光至待测物体上，待测物体发生位移；激光在待测物体上发生反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，发生激光自混合干涉；采集自混合信号，并将光信号转化成电信号；采用EEMD算法对电信号进行去噪；对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子；根据相位展开算法进行位移重构。本测量方法利用光反馈自混合干涉，通过EEMD算法对自混合干涉信号进行去噪，可以得到纯净的自混合干涉信号，并结合对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子，最后通过相位展开算法进行位移重构，测量误差小，实现精密长度测量，精度可达nm级别。

Description

一种激光自混合的位移精密测量方法及系统
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种激光自混合的位移精密测量方法及系统。
背景技术
随着现代精密制造的飞速发展，精密测量成为各国研究的重点。其中长度测量技术在航空航天、军事国防、安全生产、地理科学、电子控制技术等高精密领域中有着重要应用。各个领域对长度的测量都有着很高的精度要求，从最初对长度测量的概念，到现如今对测量长度精度的要求日益增大，这使得各个领域都寻求着一种能够高精度地进行长度测量的方法。
典型的位移长度测量系统有条纹计数法、相位锁定法、模跳测量法，自适应方法以及外差相位法等。激光有着高亮度、单色性、方向性好和高相干性四大优点，这些优点使它成为了现在测量领域的主流。1963年首次发现了激光自混合干涉效应，激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内，与激光腔内光相混合后，引起激光器输出功率发生变化的现象，也可称为光回馈，通过检测其功率与频率的变化可以得知外部物体的运动信息。激光自混合干涉长度测量方法由此诞生，该方法可以稳定地测量各个参数，测量精度能达到nm级别，能满足绝大多数领域对精度的需求。自混合干涉只有一个光学通道，对比于传统激光干涉，有着结构简单、易准直等优点。激光自混合干涉技术利用光反馈效应来测量运动物体的微位移，具有很高的研究价值，但是，反馈效应会对激光器的输出特性产生不利影响，光反馈会引起的各种光噪声、谱线展宽、相干猝灭等现象。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种易操作，测量精度高的激光自混合的位移精密测量方法。其采用如下技术方案：
一种激光自混合的位移精密测量方法，其包括：
激光器发出激光至待测物体上，所述待测物体发生位移；
激光在待测物体上发生反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，发生激光自混合干涉；
采集自混合信号，并将光信号转化成电信号；
采用EEMD算法对电信号进行去噪；
对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子；
根据相位展开算法进行位移重构。
作为本发明的进一步改进，所述采集自混合信号，并将光信号转化成电信号之后，采用EEMD算法对电信号进行去噪之前还包括：
将所述电信号放大。
作为本发明的进一步改进，所述将所述电信号放大，具体包括：
通过信号放大电路将所述电信号放大。
作为本发明的进一步改进，所述采集自混合信号，并将光信号转化成电信号，具体包括：利用光电探测器采集自混合信号，并将光信号转化成电信号。
作为本发明的进一步改进，通过在待测物体上贴反射片实现激光的反射。
本发明目的在于还提供一种结构简单，易操作，测量精度高的激光自混合的位移精密测量系统，其采用如下技术方案：
一种激光自混合的位移精密测量系统，包括：
激光器，用于发出激光至待测物体上；
反射片，设于待测物体上，用于将激光反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，并发送激光自混合干涉；
光电探测器，用于采集自混合信号，并将光信号转化成电信号；
计算机，用于对电信号进行处理，具体包括：
采用EEMD算法对电信号进行去噪；
对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子；
根据相位展开算法进行位移重构。
作为本发明的进一步改进，还包括：
信号放大器，用于在对电信号进行处理前将所述电信号放大。
作为本发明的进一步改进，还包括三维位移台，用于调节各器件位置，使激光在所述反射片上反射后可以沿原路反馈回激光器谐振腔内。
作为本发明的进一步改进，还包括：
采集卡，用于采集所述电信号并其将导入所述计算机。
作为本发明的进一步改进，所述计算机安装有Matlab软件，利用Matlab软件对电信号进行处理。
本发明的有益效果：
本发明激光自混合的位移精密测量方法利用光反馈自混合干涉，通过EEMD算法对自混合干涉信号进行去噪，可以得到纯净的自混合干涉信号，并结合对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子，最后通过相位展开算法进行位移重构，测量误差小，实现精密长度测量，精度可达nm级别。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例中激光自混合的位移精密测量方法的流程图；
图2是本发明实施例中激光自混合的位移精密测量系统的示意图；
图3是本发明实施例中EEMD算法的流程图；
图4是本发明实施例中的激光自混合干涉信号；
图5是本发明实施例中去噪后的自混合干涉信号；
图6是本发明实施例中选取的部分自混合干涉信号；
图7为相位包裹信号和重构出的位移信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
本发明实施例一中的激光自混合的位移精密测量方法，包括以下步骤：
步骤S10、激光器发出激光至待测物体上，所述待测物体发生位移。
步骤S20、激光在待测物体上发生反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，发生激光自混合干涉。
具体的，通过在待测物体上贴反射片实现激光的反射。其中，当半导体激光器输出光束照射到反射片上时，一部分光被反射片反射或散射回激光腔内，形成光反馈效应，这种效应引起激光器的输出功率以及输出光功率的变化，发生半导体激光自混合干涉现象，形成激光自混合干涉条纹。
步骤S30、采集自混合信号，并将光信号转化成电信号。具体的，利用光电探测器采集自混合信号，并将光信号转化成电信号。
步骤S40、将所述电信号放大。其中，光电探测器由光信号转变出的电信号微弱不易观察，需要将其放大进行观察。
步骤S50、采用EEMD算法对电信号进行去噪。EEMD算法如图3所示。
其中，大多数信号都会包含许多突变或者尖峰锐变成分，只有通过去噪得到相对纯净的自混合干涉信号，才能尽量减少不必要的误差，提高测量精度。
步骤S60、对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子。其中，归一化将信号分布在[-1,1]之间。
步骤S70、根据相位展开算法进行位移重构。实现精密长度测量，精度可达nm级别。
实施例二
一种激光自混合的位移精密测量系统，包括：
激光器，用于发出激光至待测物体上；
反射片，设于待测物体上，用于将激光反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，并发送激光自混合干涉；
光电探测器，用于采集自混合信号，并将光信号转化成电信号；
计算机，用于对电信号进行处理，具体包括：
采用EEMD算法对电信号进行去噪；
对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子；
根据相位展开算法进行位移重构。
在本实施例中，所述计算机安装有Matlab软件，利用Matlab软件对电信号进行处理。在本实施例中，该系统还包括：
信号放大器，用于在对电信号进行处理前将所述电信号放大。其中，光电探测器由光信号转变出的电信号微弱不易观察，需要将其放大进行观察。
在本实施例中，该系统还包括三维位移台，用于调节各器件位置，使激光在所述反射片上反射后可以沿原路反馈回激光器谐振腔内。
在本实施例中，该系统还包括采集卡，用于采集所述电信号并其将导入所述计算机。
为了验证上述方法和系统的有效性，如图2所示，在实验中搭建了该测量系统，在实验中，通过将反射片贴在PZT上，将PTZ与PZT驱动器连接，实现PZT的位移。
通过上述方法和系统得到自混合干涉信号如图4所示，去噪后的自混合干涉信号如图5所示。为了方便观察与计算，选取整段信号的其中一部分，根据对称折叠算法求取光反馈因子C和线宽展宽因子α，选取其中的前半个周期，这样有利于我们进行参数的定位与计算，部分信号6所示。相位包裹信号和重构出的位移信号如图7所示。其中，通过对原始自混合光干涉信号用EEMD进行去噪，得到较为纯净的自混合干涉信号，其中均方差RMSE为0.0152，均方差为0.4168，相关系数高达0.9856，说明拟合效果好，误差小，验证了去噪的可行性。利用该纯净的自混合干涉信号进行位移重构，并保持PZT振动的振幅、PZT振动的频率、光反馈因子和线宽展宽因子参数不变，采集10组信号与数据，进行数据分析得出误差，实验的误差在0.4μm附近跳动，最大误差为0.4681，由此验证了对位移重构来求位移方法的可行性，且稳定性相对较好。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种激光自混合的位移精密测量方法，其特征在于，包括：
激光器发出激光至待测物体上，所述待测物体发生位移；
激光在待测物体上发生反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，发生激光自混合干涉；
采集自混合信号，并将光信号转化成电信号；
采用EEMD算法对电信号进行去噪；
对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子；
根据相位展开算法进行位移重构。
2.如权利要求1所述的激光自混合的位移精密测量方法，其特征在于，所述采集自混合信号，并将光信号转化成电信号之后，采用EEMD算法对电信号进行去噪之前还包括：
将所述电信号放大。
3.如权利要求2所述的激光自混合的位移精密测量方法，其特征在于，所述将所述电信号放大，具体包括：
通过信号放大电路将所述电信号放大。
4.如权利要求1所述的激光自混合的位移精密测量方法，其特征在于，所述采集自混合信号，并将光信号转化成电信号，具体包括：利用光电探测器采集自混合信号，并将光信号转化成电信号。
5.如权利要求1所述的激光自混合的位移精密测量方法，其特征在于，通过在待测物体上贴反射片实现激光的反射。
6.一种激光自混合的位移精密测量系统，其特征在于，包括：
激光器，用于发出激光至待测物体上；
反射片，设于待测物体上，用于将激光反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，并发送激光自混合干涉；
光电探测器，用于采集自混合信号，并将光信号转化成电信号；
计算机，用于对电信号进行处理，具体包括：
采用EEMD算法对电信号进行去噪；
对去噪后的电信号进行归一化处理，并根据对称折叠算法计算光反馈因子和线宽展宽因子；
根据相位展开算法进行位移重构。
7.如权利要求6所述的激光自混合的位移精密测量系统，其特征在于，还包括：
信号放大器，用于在对电信号进行处理前将所述电信号放大。
8.如权利要求6所述的激光自混合的位移精密测量系统，其特征在于，还包括三维位移台，用于调节各器件位置，使激光在所述反射片上反射后可以沿原路反馈回激光器谐振腔内。
9.如权利要求6所述的激光自混合的位移精密测量系统，其特征在于，还包括：
采集卡，用于采集所述电信号并其将导入所述计算机。
10.如权利要求6所述的激光自混合的位移精密测量系统，其特征在于，所述计算机安装有Matlab软件，利用Matlab软件对电信号进行处理。
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