CN113687378B - 一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法 - Google Patents

一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法，所述方法通过对双纵模激光器进行多声光移频以获得多频率激光，利用光源的双纵模间隔构建精测尺，多声光移频器的移频差构建粗测尺，并依靠多反射镜反射与偏振棱镜分光合光实现多频光束共光路传输，避免传统方法中采用光纤耦合器合光带来的光损耗，实现高功率多波长绝对距离测量。

Description

一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距 方法
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，特别是涉及一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法。
背景技术
制造业是国民经济的重要组成成分，也是衡量一个国家、一个民族综合实力的重要标志。推进制造业快速发展关键在于实现精密制造，而精密制造的基础是精密测量。十大领域中有七大领域都跟精密测量技术、超精密测量技术密不可分。超精密测量技术是实现超精密加工、制造和装备的前提和重要组成部分，是我国制造业发展不可或缺的关键技术。
近年，随着科学技术的进一步发展，一些重大科学仪器和重要领域的大型装备的被测对象日趋复杂，现场测量环境也更加恶劣，对超精密测量技术的测量精度、稳定性、灵活性和测量范围提出了越来越严苛的测量要求。在航天航空领域中，以空中客车A380为例，机身高度24.09m，机长72.75m，翼展长度79.75m，装配精度为0.25mm。在船舶工程领域，以桨叶为例，目前我国能生产的最大型的轮船螺旋桨产自中船螺旋桨公司，桨叶直径长达12m，加工精度要求4μm/m。可见在精密测量领域，绝对大尺度的测量需求日益增长，相对测量精度需求已从10-6向10-7量级迈进。
在所有绝对距离测量方法中，激光测距法具有精度高、量程大、可溯源、可多通道分光测量等特点，是当前最有效、最主要的大尺寸、高精度测量方法。常用的激光测距方法主要有脉冲激光测距法、扫频干涉测距法、多波长测距法、飞秒频率梳测距法。脉冲激光技术虽光路结构简单，但该方法受光电探测及信号处理速度限制，测距精度最高很难提高到微米级别，无法满足高精度测量需求；扫频干涉测距法的测量原理限制其测量速度，动态性能差，且测尺稳定性较低，一般在10-7左右难以提高；飞秒频率梳测距技术主要通过光源技术突破提高测距性能，但其价格高昂、系统庞大复杂，难以应用于工业环境中。
多波长测距技术通过构建合成波长链同时满足测距精度和测量范围的矛盾，但目前仍存在两个问题：
(1)一般的光源技术难以合成大于毫米级别尺寸的合成波长，几十米测量范围难以实现。清华大学张存满[张存满等，超外差干涉绝对距离测量研究综述，光学技术1998，(1)：7-9.]和专利[一种双波长超外差干涉实时位移测量系统，公开号：CN207019624U]都利用双光源合成高精度测尺，并采用超外差方法降低了信号的处理频率，更容易达到较高的测量精度。但这种方法得到的测尺波长一般在微米量级，需要配合粗测尺提高测量距离，而该方法无法同时产生粗、精测尺，难以实现大尺度绝对距离测量。
(2)不同波长的同步高精度测相问题。多波长测量至少需要两个测量波长(测尺)即精测波长(决定测量精度)、粗测波长(决定测量范围)，不同波长激光若非共光路测量，则难以保证测量同步性、准确性。多波长干涉测距通过合成多个波长，但现有方法需要多个激光器合束，增大系统体积，且对光源技术要求较高。专利[高精度多频同步相位激光测距装置与方法，公开号：CN 102419166B]和专利[基于双声光移频的多频同步相位激光测距装置与方法，公开号：CN 102305591B]利用三声光移频器通过同一光源产生了三个不同频率的测尺，但该方法对光电探测器带宽要求极高，若要探测到双纵模频差信号，探测器带宽至少大于800MHz，且直接数字合成器难以合成高精度的高频信号，所以该方法的信号处理难度大；且该方法测量时需四个光电探测器接收相位信号，加大了整个系统的体积，导致系统难于小型化。专利[超外差与外差结合式抗光学混叠激光测距装置与方法，公开号：CN104049248B]该专利增加碘稳频激光器提高了激光光源的频率稳定度，但碘稳频激光器因其在工业现场易失锁限制该方法仅能在实验室条件下实现，且两台激光器将导致系统体积较大，不便于集成。
发明内容
本发明针对现有多波长测距电路中存在的多波长测尺难以同步产生、同步测量的问题，提出了一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法，达到提高多频测尺测量同步性、减小系统体积的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统，光源采用双纵模He-Ne激光器1，在所述激光器1后放置二分之一波片2，所述二分之一波片2改变所述激光器1输出的两偏振态相互垂直偏振光的偏振方向；光束经过二分之一波片2后进入第一偏振分光棱镜3，并通过第一偏振分光棱镜3分成水平偏振态和竖直偏振态两束光，水平偏振态光束与经第三反射镜11反射后的竖直偏振态光束分别通过第一四分之一波片4和第二四分之一波片12后变为圆偏振光，再分别通过第二偏振分光棱镜5、第四偏振分光棱镜13形成四束偏振光，四束偏振光对应通过第一声光移频器6、第二声光移频器8、第三声光移频器14和第四声光移频器17形成四个不同频率的偏振光；
第二声光移频器8产生的偏振光经第二反射镜9反射后与第一声光移频器6产生的偏振光在第三偏振分光棱镜10合光；第四声光移频器17产生的偏振光经第五反射镜18反射后与第三声光移频器14产生的偏振光在第五偏振分光棱镜15合光；从第三偏振分光棱镜10合光输出的光束经第六反射镜19反射后与从第五偏振分光棱镜15合光输出的光束在非偏振分光棱镜20中合成具有四个频率的透射光束和反射光束，所述透射光束经过第一偏振片26干涉后进入第一光电探测器27，作为参考信号；所述反射光束经第六偏振分光棱镜21后分成水平偏振光和竖直偏振光，所述水平偏振光经过第四四分之一波片24入射到第二角锥棱镜25，经第二角锥棱镜25反射后的反射光再次经过第四四分之一波片24变成竖直偏振光回到第六偏振分光棱镜21；所述竖直偏振光经过第三四分之一波片22入射到第一角锥棱镜23经第一角锥棱镜23反射后的反射光再次通过第三四分之一波片22后以透射形式回到第六偏振分光棱镜21，并与第六偏振分光棱镜21中的另一束光束合成一束光后经第二偏振片28干涉后形成测量信号进入第二光电探测器29；所述第一光电探测器27和第二光电探测器29经多频信号处理电路连接到上位机。
进一步地，所述多频信号处理电路包括混频信号处理单元、多频信号分离单元、信号整形单元和数字鉴相单元；所述第一光电探测器27输出的参考信号和第二光电探测器29输出的测量信号同步输入混频信号处理单元，混频信号处理单元进行下变频处理后将信号输入给多频信号分离单元进行滤波处理，滤波处理后经过信号整形单元将信号变成方波信号，所述方波信号经数字鉴相单元完成相位测量，并将相位测量结果传输给上位机。
进一步地，经第一偏振片26干涉后进入第一光电探测器27的信号以及经第二偏振片28干涉后进入第二光电探测器29的信号包含两类不同的相位信息；一类由ν1+f1与ν2+f3构成频率为ν1-ν2的精测尺相位信息，一类由ν1+f1与ν1+f2构成频率为f1-f2的粗测尺相位信息；其中，f1＜＜ν1，f3＜＜ν2；ν1为水平偏振态光束频率，ν2为竖直偏振态光束频率；f1为第一声光移频器移频频率，f2为第二声光移频器移频频率，f3为第三声光移频器移频频率。
进一步地，所述激光器的两纵模间距为Δν。
进一步地，四个声光移频器采用同源DDS声光移频器；所述的四个声光移频器移频后的衍射光束同取+1级或-1级；所述的四个声光移频器中第二声光移频器8与第三声光移频器14移频频率相同，第一声光移频器6、第二声光移频器8与第四声光移频器17的移频频率各不相同。
进一步地，所述双纵模He-Ne激光器1产生的偏振态互相垂直的两纵模激光通过二分之一波片2调整偏振方向为水平和竖直方向。
本发明还提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统的测距方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据所述基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统进行工作，得到第一光电探测器27和第二光电探测器29的输出信号；
步骤二：两个光电探测器的输出信号进入多频信号处理电路分别得到粗测信号的参考相位与测量相位相位差以及精测信号的参考相位与测量相位相位差；
步骤三：根据两个相位差由公式L＝(ms+εs)λs/2得到待测绝对距离L，其中ms为精测相位信号的整数部分，由粗测距离L1推算得出，εs为精测相位信号的小数部分，λs为精测尺波长。
本发明有益效果为：
1、本发明提出的激光绝对测距系统与方法能够通过对双纵模激光器进行多声光移频以获得多频率激光，利用光源的双纵模间隔构建精测尺，多声光移频器的移频差构建粗测尺，并依靠多反射镜反射与偏振棱镜分光合光实现多频光束共光路传输，避免传统方法中采用光纤耦合器合光带来的光损耗，实现高功率多波长绝对距离测量。
2、本发明利用两个光电探测器实现多频光束的信号探测，通过后续电路实现多频测尺分离，简化现有装置中用四个光电探测器分离多频测尺，减小系统体积的同时提高测量同步性，使得系统易于集成化。
3、本发明采用同源声光移频器以提高多频测尺的测量同步性。
附图说明
图1为本发明基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统结构示意图；
图2为本发明多频信号处理电路结构示意图；
图中标号说明：双纵模He-Ne激光器1、二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3、第一四分之一波片4、第二偏振分光棱镜5、第一声光移频器6、第一反射镜7、第二声光移频器8、第二反射镜9、第三偏振分光棱镜10、第三反射镜11、第二四分之一波片12、第四偏振分光棱镜13、第三声光移频器14、第五偏振分光棱镜15、第四反射镜16、第四声光移频器17、第五反射镜18、第六反射镜19、非偏振分光棱镜20、第六偏振分光棱镜21、第三四分之一波片22、第一角锥棱镜23、第四四分之一波片24、第二角锥棱镜25、第一偏振片26、第一光电探测器27、第二偏振片28、第二光电探测器29。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-2，本发明提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统，光源采用双纵模He-Ne激光器1，在所述激光器1后放置二分之一波片2，所述二分之一波片2改变所述激光器1输出的两偏振态相互垂直偏振光的偏振方向；光束经过二分之一波片2后进入第一偏振分光棱镜3，并通过第一偏振分光棱镜3分成水平偏振态和竖直偏振态两束光，水平偏振态光束与经第三反射镜11反射后的竖直偏振态光束分别通过第一四分之一波片4和第二四分之一波片12后变为圆偏振光，再分别通过第二偏振分光棱镜5、第四偏振分光棱镜13形成四束偏振光，四束偏振光对应通过第一声光移频器6、第二声光移频器8、第三声光移频器14和第四声光移频器17形成四个不同频率的偏振光；所述形成四个不同频率的偏振光分别为形成ν1+f1、ν1+f2、ν2+f3、ν2+f4频率的偏振光；ν1为水平偏振态光束频率，ν2为竖直偏振态光束频率；f1为第一声光移频器移频频率，f2为第二声光移频器移频频率，f3为第三声光移频器移频频率，f4为第四声光移频器移频频率。
第二声光移频器8产生的偏振光经第二反射镜9反射后与第一声光移频器6产生的偏振光在第三偏振分光棱镜10合光；第四声光移频器17产生的偏振光经第五反射镜18反射后与第三声光移频器14产生的偏振光在第五偏振分光棱镜15合光；从第三偏振分光棱镜10合光输出的光束经第六反射镜19反射后与从第五偏振分光棱镜15合光输出的光束在非偏振分光棱镜20中合成具有四个频率的透射光束和反射光束，所述透射光束经过第一偏振片26干涉后进入第一光电探测器27，作为参考信号；所述反射光束经第六偏振分光棱镜21后分成水平偏振光和竖直偏振光，所述水平偏振光经过第四四分之一波片24入射到第二角锥棱镜25，经第二角锥棱镜25反射后的反射光再次经过第四四分之一波片24变成竖直偏振光回到第六偏振分光棱镜21；所述竖直偏振光经过第三四分之一波片22入射到第一角锥棱镜23经第一角锥棱镜23反射后的反射光再次通过第三四分之一波片22后以透射形式回到第六偏振分光棱镜21，并与第六偏振分光棱镜21中的另一束光束合成一束光后经第二偏振片28干涉后形成测量信号进入第二光电探测器29；所述第一光电探测器27和第二光电探测器29经多频信号处理电路连接到上位机。
所述多频信号处理电路包括混频信号处理单元、多频信号分离单元、信号整形单元和数字鉴相单元；所述第一光电探测器27输出的参考信号和第二光电探测器29输出的测量信号同步输入混频信号处理单元，混频信号处理单元进行下变频处理后将信号输入给多频信号分离单元进行滤波处理，滤波处理后经过信号整形单元将信号变成方波信号，所述方波信号经数字鉴相单元完成相位测量，并将相位测量结果传输给上位机。
经第一偏振片26干涉后进入第一光电探测器27的信号以及经第二偏振片28干涉后进入第二光电探测器29的信号包含两类不同的相位信息；一类由ν1+f1与ν2+f3构成频率为ν1-ν2的精测尺相位信息，一类由ν1+f1与ν1+f2构成频率为f1-f2的粗测尺相位信息；其中，f1＜＜ν1，f3＜＜ν2；ν1为水平偏振态光束频率，ν2为竖直偏振态光束频率；f1为第一声光移频器移频频率，f2为第二声光移频器移频频率，f3为第三声光移频器移频频率。
所述激光器的两纵模间距为Δν。激光器至少包括：激光管、激光管高压电源块、分光镜、沃拉斯顿棱镜、二象限探测器和稳频电路板结构；两个光电探测器的带宽均小于双纵模He-Ne激光器1的纵模间距Δν。所述双纵模He-Ne激光器1产生的偏振态互相垂直的两纵模激光通过二分之一波片2调整偏振方向为水平和竖直方向。
四个声光移频器采用同源DDS声光移频器；所述的四个声光移频器移频后的衍射光束同取+1级或-1级；所述的四个声光移频器中第二声光移频器8与第三声光移频器14移频频率相同，第一声光移频器6、第二声光移频器8与第四声光移频器17的移频频率各不相同。
所述的第三四分之一波片22与第一角锥棱镜23的放置位置应靠近第六偏振分光棱镜21，以减小测量误差；
光路中各光学元器件位置结构紧凑，以减小空间杂散光对测量效果的影响；
本发明还提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统的测距方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据所述基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统进行工作，得到第一光电探测器27和第二光电探测器29的输出信号；
步骤二：两个光电探测器的输出信号进入多频信号处理电路分别得到粗测信号的参考相位与测量相位相位差以及精测信号的参考相位与测量相位相位差；
步骤三：根据两个相位差由公式L＝(ms+εs)λs/2得到待测绝对距离L，其中ms为精测相位信号的整数部分，由粗测距离L1推算得出，εs为精测相位信号的小数部分，λs为精测尺波长。
本发明的具体测量原理如下：
如图1所示，双纵模He-Ne激光器1分别产生偏振态互相垂直的两纵模激光，两纵模激光先通过二分之一波片2调整偏振方向为水平和竖直方向；偏振方向调整后的光束通过第一偏振分光棱镜3分开，设水平偏振态激光频率为ν1，竖直偏振态激光频率为ν2；频率为ν1的水平偏振光通过第一四分之一波片4变成第一圆偏振光，频率为ν2的竖直偏振光通过第二四分之一波片12变成第二圆偏振光。
第一圆偏振光经过第二偏振分光棱镜5分为第一水平偏振光、第一竖直偏振光，第一水平偏振光经过第一声光移频器6后频率变为ν1+f1，第一竖直偏振光经过第二声光移频器8后频率变为ν1+f2，其中f1＝87MHz，f2＝88MHz。第二圆偏振光经过第四偏振分光棱镜13分为第二水平偏振光、第二竖直偏振光，第二水平偏振光经过第三声光移频器14后频率变为ν2+f3，第二竖直偏振光经过第四声光移频器17后频率变为ν2+f4，其中f3＝87MHz，f4＝88.01MHz。
第一竖直偏振光经第二反射镜9反射后与第一水平偏振光在第三偏振分光棱镜10内合光，而后经第六反射镜19反射进入非偏振分光棱镜20；第二竖直偏振光经第五反射镜18与第二水平偏振光在第五偏振分光棱镜15内合光，而后进入非偏振分光棱镜20。
非偏振分光棱镜20出光分为两束，一束光经第一偏振片26进入第一光电探测器27作为参考光，其中光电探测器的带宽选取小于双纵模间隔，本实例中光电探测器带宽选为200MHz，探测到的光强信号为：
Figure BDA0003216516880000071
其中A1、A2、A3、A4为四路信号的振幅(mV)；I0为初始信号；t为时刻；z为参考臂长度(m)；c——真空光速。
另一束光经第六偏振分光棱镜21后，水平偏振光ν1+f1、ν2+f3先经过第四四分之一波片24变成圆偏振光，再经过待测距离L后由第二角锥棱镜25返回，再次通过第四四分之一波片24并以反射的形式通过第六偏振分光棱镜21，竖直偏振光ν1+f2、ν2+f4经第一角锥棱镜23反射并两次通过第三四分之一波片22后以透射形式再次通过第六偏振分光棱镜21，并与反射光束合成一束光后作为测量信号经第二偏振片28干涉后形成干涉信号进入第二光电探测器29，探测到的光强信号为：
Figure BDA0003216516880000081
其中L为待测距离。
第一光电探测器27输出的参考信号和第二光电探测器29输出的测量信号同步输入图2所示多频混频信号处理单元，多频混频信号处理单元进行下变频处理后将信号输入给多频信号分离单元进行滤波处理，滤波处理后经过信号整形单元将信号变成方波信号，所述方波信号经数字鉴相单元完成相位测量，并将相位测量结果传输给上位机。
以上对本发明所提出的一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统，光源采用双纵模He-Ne激光器(1)，其特征在于：在所述激光器(1)后放置二分之一波片(2)，所述二分之一波片(2)改变所述激光器(1)输出的两偏振态相互垂直偏振光的偏振方向；光束经过二分之一波片(2)后进入第一偏振分光棱镜(3)，并通过第一偏振分光棱镜(3)分成水平偏振态和竖直偏振态两束光，水平偏振态光束与经第三反射镜(11)反射后的竖直偏振态光束分别通过第一四分之一波片(4)和第二四分之一波片(12)后变为圆偏振光，再分别通过第二偏振分光棱镜(5)、第四偏振分光棱镜(13)形成四束偏振光，四束偏振光对应通过第一声光移频器(6)、第二声光移频器(8)、第三声光移频器(14)和第四声光移频器(17)形成四个不同频率的偏振光；
第二声光移频器(8)产生的偏振光经第二反射镜(9)反射后与第一声光移频器(6)产生的偏振光在第三偏振分光棱镜(10)合光；第四声光移频器(17)产生的偏振光经第五反射镜(18)反射后与第三声光移频器(14)产生的偏振光在第五偏振分光棱镜(15)合光；从第三偏振分光棱镜(10)合光输出的光束经第六反射镜(19)反射后与从第五偏振分光棱镜(15)合光输出的光束在非偏振分光棱镜(20)中合成具有四个频率的透射光束和反射光束，所述透射光束经过第一偏振片(26)干涉后进入第一光电探测器(27)，作为参考信号；所述反射光束经第六偏振分光棱镜(21)后分成水平偏振光和竖直偏振光，所述水平偏振光经过第四四分之一波片(24)入射到第二角锥棱镜(25)，经第二角锥棱镜(25)反射后的反射光再次经过第四四分之一波片(24)变成竖直偏振光回到第六偏振分光棱镜(21)；所述竖直偏振光经过第三四分之一波片(22)入射到第一角锥棱镜(23)经第一角锥棱镜(23)反射后的反射光再次通过第三四分之一波片(22)后以透射形式回到第六偏振分光棱镜(21)，并与第六偏振分光棱镜(21)中的另一束光束合成一束光后经第二偏振片(28)干涉后形成测量信号进入第二光电探测器(29)；所述第一光电探测器(27)和第二光电探测器(29)经多频信号处理电路连接到上位机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多频信号处理电路包括混频信号处理单元、多频信号分离单元、信号整形单元和数字鉴相单元；所述第一光电探测器(27)输出的参考信号和第二光电探测器(29)输出的测量信号同步输入混频信号处理单元，混频信号处理单元进行下变频处理后将信号输入给多频信号分离单元进行滤波处理，滤波处理后经过信号整形单元将信号变成方波信号，所述方波信号经数字鉴相单元完成相位测量，并将相位测量结果传输给上位机。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：经第一偏振片(26)干涉后进入第一光电探测器(27)的信号以及经第二偏振片(28)干涉后进入第二光电探测器(29)的信号包含两类不同的相位信息；一类由ν1+f1与ν2+f3构成频率为ν1-ν2的精测尺相位信息，一类由ν1+f1与ν1+f2构成频率为f1-f2的粗测尺相位信息；其中，f1＜＜ν1，f3＜＜ν2；ν1为水平偏振态光束频率，ν2为竖直偏振态光束频率；f1为第一声光移频器移频频率，f2为第二声光移频器移频频率，f3为第三声光移频器移频频率。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光器的两纵模间距为Δν。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：四个声光移频器采用同源DDS声光移频器；所述的四个声光移频器移频后的衍射光束同取+1级或-1级；所述的四个声光移频器中第二声光移频器(8)与第三声光移频器(14)移频频率相同，第一声光移频器(6)、第二声光移频器(8)与第四声光移频器(17)的移频频率各不相同。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述双纵模He-Ne激光器(1)产生的偏振态互相垂直的两纵模激光通过二分之一波片(2)调整偏振方向为水平和竖直方向。
7.一种如权利要求3所述的基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统的测距方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据所述基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统进行工作，得到第一光电探测器(27)和第二光电探测器(29)的输出信号；
步骤二：两个光电探测器的输出信号进入多频信号处理电路分别得到粗测信号的参考相位与测量相位相位差以及精测信号的参考相位与测量相位相位差；
步骤三：根据两个相位差由公式L＝(ms+εs)λs/2得到待测绝对距离L，其中ms为精测相位信号的整数部分，由粗测距离L1推算得出，εs为精测相位信号的小数部分，λs为精测尺波长。
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