CN113188452A - 一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，属于激光测量技术领域。本发明的技术方案如下：利用图1光路产生自混合干涉，探测移动目标，从图1中的光电探测器1可以探测到典型的自混合干涉信号；将产生了自混合干涉的激光束入射到F‑P腔中，获取F‑P腔的透射信号，即可获得基于透射谱映射的条纹倍增信号，控制自混合干涉的反馈强度以匹配F‑P腔；利用条纹信号与F‑P透射谱线相似，具有平整，尖锐的特点，通过简单的阈值设定，提取峰值信号，并对峰值信号赋值；最后通过拟合方法进行对上述信号进行处理，从而得到运动目标的位移信号。

Description

一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，属于激光测量技术领域。
背景技术
激光自混合干涉是一种新兴的光学传感技术。激光自混合干涉可用于位移、速度、距离、振动、空气折射率等物理量的精密测量。由于它具有与传统双光束干涉相同的条纹分辨率，并且具有紧凑，自校准和鲁棒性方面的独特优势，因此在工业、国防和公安等行业中都得到广泛研究。目前，有研究发现可以通过改变自混合干涉仪中外腔的结构来提高精密测量系统的分辨率。也有使用非对称外腔或引入另一个反射镜以形成多次反射的激光自混合干涉条纹倍增方法。这些方法都使得光在目标与激光器或反射镜之间传播了多个回合，从而产生了条纹倍增。然而，在这些系统中，导致条纹倍增的光学元件需要精确调节，这也加大了光路的准直难度。
在诸多激光自混合干涉的条纹倍增研究中，总是选择功率信号进行分析，而不是利用其频率信号。这是由于，功率信号很容易在通过光电二极管探测，而光频信号则很难直接探测。因为这种频率调制包含在光频率中，因此直接信号检测无法实现。目前已有的研究仅仅利用自混合干涉的频率信号实现信号的边缘滤波增强，例如利用特定吸收谱气室，或者光纤光栅等元件，其中也包括法布里－珀罗(F-P)干涉仪。F-P腔价格便宜且易于制造，已在传感领域得到了深入研究，但其透射谱或者反射谱通常极窄，因此做边缘增强效果并不理想。然而，极窄的投射谱或者反射谱却适合于利用自混合干涉的频率调制产生条纹倍增。
发明内容
鉴于现有技术中存在上述技术难点，本发明目的在于提出一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，该方法利用极窄的透射光谱，使激光自混合干涉产生的周期性光频波动被映射到了透射峰上，并基于此发生条纹倍增现象，而且产生的条纹接近于微分信号，适合基于条纹计数法的位移测量技术。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于F-P腔的自混合干涉条纹倍增方法，该方法基于周期性光频波动的映射范围覆盖到整个透射峰，进而产生与投射峰形状相同的倍增条纹，该方法包括如下步骤：
步骤1：利用图1光路产生自混合干涉，探测移动目标。从图1中的光电探测器1可以探测到典型的自混合干涉信号。
步骤2：利用一个分光棱镜将光路中的激光分出一束，将产生了自混合干涉的激光束入射到F-P腔中，利用图1中的光电探测器2，获取F-P腔的透射信号，即可获得基于透射谱映射的条纹倍增信号。这里需要控制自混合干涉的反馈强度以匹配F-P腔。
光电探测器上接收到的条纹倍增信号的输出信号可以简化为，
Figure BDA0003047999840000021
其中，R为反射效率，l0和It代表激光器初始光强和透射光强，h＝nh0表示等效腔长(n折射率，h0腔长)，v(t)＝ω/2π为随时间变化的光频；其中发生自混合干涉的光频由如下公式表示：
ω0τext＝ωτext+C sin(ωτext-arctanγ)
其中
Figure BDA0003047999840000022
定义为反馈程度，参数ξ和γ分别表示反馈因子(与反射镜MT和激光端面的反射率相关)和线宽增强因子(激光器固有属性)。τin和τext表示光折返内腔和外腔的时间，ω表示激光角频率，ω0表示初始激光角频率。
步骤3：利用条纹信号与F-P透射谱线相似，具有平整，尖锐的特点。通过简单的阈值设定，提取峰值信号，并对峰值信号赋值。将光电探测器探测到的信号，进行一次峰值信号提取。利用初始自混合干涉信号的条纹偏移方向判断外部物体位移方向，然后对步骤3中峰值点赋值。
步骤4：最后通过拟合方法(多项式、神经网络等)进行对上述信号进行处理，从而重构运动目标的位移信号。
进一步地，本发明利用激光自混合干涉的光频波动效应，使用F-P腔的透射谱作为映射和气体吸收谱线多种匹配激光自混合干涉的光频波动范围的媒介。
进一步地，本发明可以对不同类型激光器产生的自混合干涉条纹进行倍增，例如He-Ne激光器，光纤激光器等，倍增信号皆可直接用于基于条纹计数法的位移测量。
进一步地，由于激光自混合干涉的特点就是敏感于粗糙表面的散射光，本发明可以实现测量粗糙表面(包括反光纸、白漆、金属片、硅片等)的位移。
由于F-P腔制造的成熟性，以及F-P腔透射信号的固有特点，条纹倍增信号的信噪比很高，因此基本上可以满足大部分测量场景的需求。
有益效果：
1、本发明能够将基于激光自混合干涉和条纹计数法的位移测量分辨率提高了一倍以上。
2、本发明生成的激光自混合干涉倍增条纹，与微分信号及其相似，能够直接用于进行条纹计数，减少了条纹计数的步骤，也降低了信号处理部分的复杂程度。
3、本发明生成的激光自混合干涉倍增条纹具有F-P腔透射谱信号的特点，非常平整，信噪比高，易于后续信号处理。
4、本发明的条纹倍增方法利用了激光自混合干涉的频率波动信号结合F-P腔的透射谱映射，物理过程均发生在光频段，抗噪能力强。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合具体实施例和附图进行说明，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实例。
如图1所示，本发明提出的一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用图1光路产生自混合干涉，探测移动目标。从图1中的参考光电探测器(光电探测器1)可以探测到典型的自混合干涉信号。
步骤2：利用一个分光棱镜将光路中的激光分出一束，将产生了自混合干涉的激光束入射到F-P腔中，利用图1中的光电探测器2，获取F-P腔的透射信号，即可获得基于透射谱映射的条纹倍增信号。这里需要控制自混合干涉的反馈强度以匹配F-P腔。
光电探测器上接收到的条纹倍增信号的输出信号可以简化为，
Figure BDA0003047999840000031
其中，R为反射效率，I0和It代表激光器初始光强和透射光强，h＝nh0表示等效腔长(n折射率，h0腔长)，v(t)＝ω/2π为随时间变化的光频；其中发生自混合干涉的光频由如下公式表示：
ω0τext＝ωτext+C sin(ωτext-arctanγ)
其中
Figure BDA0003047999840000041
定义为反馈程度，参数ξ和γ分别表示反馈因子(与反射镜MT和激光端面的反射率相关)和线宽增强因子(激光器固有属性)。τin和τext表示光折返内腔和外腔的时间，ω表示激光角频率，ω0表示初始激光角频率。
步骤3：由于条纹信号与F-P透射谱线相似，具有平整，尖锐的特点。通过简单的阈值设定，提取峰值信号，并对峰值信号赋值。将光电探测器探测到的信号，进行一次峰值信号提取。利用初始自混合干涉信号的条纹偏移方向判断外部物体位移方向，然后对步骤3中峰值点赋值。
步骤4：最后通过拟合方法(多项式、神经网络等)进行对上述信号进行处理，从而重构运动目标的位移信号。
进一步地，本发明利用激光自混合干涉的光频波动效应，使用F-P腔的透射谱作为映射和气体吸收谱线多种匹配激光自混合干涉的光频波动范围的媒介。
进一步地，本发明可以对不同类型激光器产生的自混合干涉条纹进行倍增，例如He-Ne激光器，光纤激光器等，倍增信号皆可直接用于基于条纹计数法的位移测量。
进一步地，由于激光自混合干涉的特点就是敏感于粗糙表面的散射光，本发明可以实现测量粗糙表面(包括反光纸、白漆、金属片、硅片等)的位移。
由于F-P腔制造的成熟性，以及F-P腔透射信号的固有特点，条纹倍增信号的信噪比很高，因此基本上可以满足大部分测量场景的需求。
本发明的贡献在于找到了一种条纹倍增的替代机理，即利用激光自混合干涉的光频波动信号。与利用激光自混合干涉的功率信号相比，这种光频信号更为抗噪，而且F-P腔的制造工艺非常成熟，价格也十分的低廉。可以看到，这种方式与自混合干涉测量技术简洁的优点完全契合。
本发明实际上还提供了一种不需要额外的信号处理就可以直接利用条纹倍增信号进行条纹计数测位移的方法。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：利用图1光路产生自混合干涉，探测移动目标，从图1中的光电探测器1可以探测到典型的自混合干涉信号；
步骤2：将产生了自混合干涉的激光束入射到F-P腔中，获取F-P腔的透射信号，即可获得基于透射谱映射的条纹倍增信号，控制自混合干涉的反馈强度以匹配F-P腔；
步骤3：利用条纹信号与F-P透射谱线相似，具有平整，尖锐的特点，通过简单的阈值设定，提取峰值信号，并对峰值信号赋值；
步骤4：最后通过拟合方法进行对上述信号进行处理，从而得到运动目标的位移信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，其特征在于，利用激光自混合干涉的光频波动效应，使用F-P腔的透射谱作为映射和气体吸收谱线多种匹配激光自混合干涉的光频波动范围的媒介。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，其特征在于，能够对不同类型激光器产生的自混合干涉条纹进行倍增，倍增信号都能够直接用于基于条纹计数法的位移测量。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，其特征在于，所述激光器类型为连续激光器，包括气体激光器、光纤激光器、固体激光器以及半导体激光器等。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，其特征在于，能够实现测量粗糙表面的位移。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113804651A (zh) * 2021-09-17 2021-12-17 南京森林警察学院 一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202330458U (zh) * 2011-12-09 2012-07-11 安徽大学 激光自混合型加速度传感器
US20120200858A1 (en) * 2009-10-23 2012-08-09 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Self-mixing interference device with wave guide structure
CN103486972A (zh) * 2013-09-11 2014-01-01 北京航空航天大学 一种带有相位调制功能的激光反馈干涉集成微位移测量系统
CN103944042A (zh) * 2014-02-26 2014-07-23 上海交通大学 一种被动锁模光纤激光器
EP2887008A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-24 Universitat Politècnica de Catalunya A method of measuring a change in an optical path using differential laser self-mixing interferometry and a differential laser self-mixing interferometry measuring system
CN105547197A (zh) * 2015-12-10 2016-05-04 中国科学院合肥物质科学研究院 基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置
CN109813227A (zh) * 2017-11-20 2019-05-28 中国人民解放军第四军医大学 基于激光腔调谐多重回馈位移测量装置及测量方法
JP2019516074A (ja) * 2016-03-21 2019-06-13 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 超微粒子サイズ検出のためのレーザー・センサー
CN111122508A (zh) * 2019-11-08 2020-05-08 桂林电子科技大学 基于f-p干涉仪的双波长共路相位显微成像测量系统
CN111486793A (zh) * 2020-04-29 2020-08-04 苏州集成校准检测认证有限公司 一种激光自混合的位移精密测量方法及系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120200858A1 (en) * 2009-10-23 2012-08-09 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Self-mixing interference device with wave guide structure
CN202330458U (zh) * 2011-12-09 2012-07-11 安徽大学 激光自混合型加速度传感器
CN103486972A (zh) * 2013-09-11 2014-01-01 北京航空航天大学 一种带有相位调制功能的激光反馈干涉集成微位移测量系统
EP2887008A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-24 Universitat Politècnica de Catalunya A method of measuring a change in an optical path using differential laser self-mixing interferometry and a differential laser self-mixing interferometry measuring system
CN103944042A (zh) * 2014-02-26 2014-07-23 上海交通大学 一种被动锁模光纤激光器
CN105547197A (zh) * 2015-12-10 2016-05-04 中国科学院合肥物质科学研究院 基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置
JP2019516074A (ja) * 2016-03-21 2019-06-13 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 超微粒子サイズ検出のためのレーザー・センサー
CN109813227A (zh) * 2017-11-20 2019-05-28 中国人民解放军第四军医大学 基于激光腔调谐多重回馈位移测量装置及测量方法
CN111122508A (zh) * 2019-11-08 2020-05-08 桂林电子科技大学 基于f-p干涉仪的双波长共路相位显微成像测量系统
CN111486793A (zh) * 2020-04-29 2020-08-04 苏州集成校准检测认证有限公司 一种激光自混合的位移精密测量方法及系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113804651A (zh) * 2021-09-17 2021-12-17 南京森林警察学院 一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法
CN113804651B (zh) * 2021-09-17 2023-08-08 南京森林警察学院 一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法

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