CN114353929A - 一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光电测量技术领域，涉及一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置和方法。该装置将激光器发射的激光束经过分光处理，并使用两个单模保偏光纤产生两个具备干涉条件的点衍射光源，两个光纤的出射端并排对齐设置在光纤固定环内形成探头，使得其形成的两个点衍射光源的出射光线平行，进而在空间内形成干涉的条纹图像，偏振相机采集到两个时刻的条纹图像后，经过计算设备的分析可以确定两个时刻件该被测对象的偏移情况，探头与被测对象固定连接，可以实现对被测对象的振动偏移量的测量，亚波长量级孔径的单模保偏光纤具备较大孔径角范围和较高光能量，能够有效地提高低频振动测量的精度，可用于对存在振动影响的测量仪器的校准。

Description

一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置和方法

技术领域

本发明适用于光电测量技术领域，涉及一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置和方法。

背景技术

目前，随着对振动传感器等对振动较为敏感设备的测量精度要求的提高，对于该类设备的高精度振动校准成为亟待解决的问题。当前针对该类设备的校准方法主要有激光干涉法、比较法、地球重力法和机器视觉法等，然而这些方法通常只能测量一个方向的振动，无法实时测量振动台三个方向的振动，难以实时评估振动台横向振动和重力分量的影响，制约了低频振动校准效果的提升。采用点衍射干涉技术可以实现空间三维坐标的测量，点衍射干涉是通过将点衍射波前作为高精度球面波前，一部分由被测面反射作为检测波前，另一部分作为参考波前，两者经透镜成像发生干涉，由CCD探测器接收干涉条纹，通过分析干涉条纹计算被测面的误差。但是采用点衍射干涉技术时需要使用针孔点衍射源或者采用单模光纤点衍射源，针孔点衍射源的尺寸可以加工到亚波长量级，可得到较大孔径角的点衍射波前，但其光耦合效率较低(<0.1‰)，对应衍射光能量较低，单模光纤点衍射源的光耦合效率较高(>10％)，可以得到较高的衍射光能量，但受纤芯尺寸限制(直径为2-3μm)，其点衍射波前孔径角较小(对应数值孔径NA<0.20)，因而无法同时满足测量对于点衍射波前的高球面精度、大孔径角范围以及较高光能量的需求。

发明内容

基于此，本发明提供一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置和方法，用以解决现有的点衍射光源的孔径范围和光能量不足，导致的低频振动测量精度较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明中基于点衍射干涉的低频振动测量装置的技术方案如下：

一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置，包括：光路部分、探头部分和测试部分；

所述光路部分包括：激光器、第一光路和第二光路，所述激光器产生的激光束经过线偏振处理后射入偏光分光棱镜产生p光和s光，p光依次经过第一1/4波片和第一耦合器进入第一单模保偏光纤，形成所述第一光路，s光依次经过第二1/4波片和第二耦合器进入第二单模保偏光纤，形成所述第二光路，所述第一单模保偏光纤和所述第二单模保偏光纤的出光孔径均为亚波长量级；

所述探头部分包括：光纤固定环，所述第一单模保偏光纤与所述第二单模保偏光纤并排设置在所述光纤固定环内，所述第一单模保偏光纤的出射端和所述第二单模保偏光纤的出射端为对齐设置，且均从所述光纤固定环的入口进入指向其出口，所述探头部分用于固定安装在被测对象上；

所述测试部分包括：偏振相机和计算设备，所述偏振相机与所述探头部分相对设置，用于采集所述第一单模保偏光纤的出射光线与所述第二单模保偏光纤的出射光线干涉形成的条纹图像，所述计算设备连接所述偏振相机，用于对所述偏振相机采集的至少两个时刻的条纹图像进行分析，得到任意两个时刻间所述被测对象的振动偏移量。

可选的是，所述第一单模保偏光纤和所述第二单模保偏光纤的出射端均为使用熔拉法拉制的锥形针尖，所述锥形针尖的锥面包裹有金属膜。

可选的是，所述金属膜的材料为铬金属。

可选的是，所述第一单模保偏光纤的锥形针尖的针头与所述第二单模保偏光纤的锥形针尖的针头均与所述光纤固定环的出口所在的面为共面设置。

可选的是，所述激光器为可见光波段激光器，所述激光器发出的激光束的波长范围在632.8nm至532nm之间。

可选的是，所述偏振相机包括像元面阵以及设置在所述像元面阵前的偏光面阵，所述偏光面阵的像素单元为2×2微偏振器构成，四个微偏振器的透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°。

一种基于点衍射干涉的低频振动测量方法，所述低频振动测量方法用于上述低频振动测量装置及其改进方案，包括以下步骤：

在第一时刻的所述激光器产生激光束后，获取第一条纹图像，并根据所述第一条纹图像，得到所述探头部分所在的第一空间位置信息；

在第二时刻的所述激光器产生激光束后，获取第二条纹图像，并根据所述第二条纹图像，得到所述探头部分所在的第二空间位置信息；

对比所述第一空间位置信息和所述第二空间位置信息，确定所述探头部分的振动偏移量为所述被测对象的振动偏移量。

可选的是，所述根据所述第一条纹图像，得到所述探头部分所在的第一空间位置信息包括：

根据所述第一条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第一空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第二空间坐标；

确定所述第一空间坐标和所述第二空间坐标的中心点的坐标为所述探头部分所在的第一空间位置信息；

相应地，所述根据所述第二条纹图像，得到所述探头部分所在的第二空间位置信息包括：

根据所述第二条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标；

确定所述第三空间坐标和所述第四空间坐标的中心点的坐标为所述探头部分所在的第一空间位置信息。

可选的是，在所述根据所述第二条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标之后，还包括：

计算所述第一空间坐标与所述第三空间坐标的第一偏移量，以及所述第二空间坐标与所述第四空间坐标的第二偏移量；

检测所述第一偏移量与所述第二偏移量的误差是否小于误差值；

相应地，所述对比所述第一空间位置信息和所述第二空间位置信息，确定所述探头部分的振动偏移量为所述被测对象的振动偏移量包括：

若所述第一偏移量与所述第二偏移量的误差小于误差阈值，则对比所述第一空间位置信息和所述第二空间位置信息，确定所述探头部分的振动偏移量为所述被测对象的振动偏移量。

可选的是，所述根据所述第一条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第一空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第二空间坐标包括：

提取所述第一条纹图像中除图像中心点以外的N个像素点的图像坐标，N为大于5的整数；

根据所述N个像素点的图像坐标，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第一空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第二空间坐标；

相应地，所述根据所述第二条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标包括：

提取所述第二条纹图像中除图像中心点以外的N个像素点的图像坐标；

根据所述N个像素点的图像坐标，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标。

本发明的有益效果为：本发明将激光器发射的激光束经过分光处理，并使用两个单模保偏光纤产生两个具备干涉条件的点衍射光源，两个光纤的出射端并排对齐设置在光纤固定环内形成探头，使得其形成的两个点衍射光源的出射光线平行，进而在空间内形成干涉的条纹图像，偏振相机采集到两个时刻的条纹图像后，经过计算设备的分析可以确定两个时刻件该被测对象的偏移情况，探头与被测对象固定连接，可以实现对被测对象的振动偏移量的测量，亚波长量级孔径的单模保偏光纤具备较大孔径角范围和较高光能量，能够有效地提高低频振动测量的精度，可用于对存在振动影响的测量仪器的校准。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于点衍射干涉的低频振动测量装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例的单模保偏光纤的出射端的结构示意图；

图3是本发明一实施例的单模保偏光纤的出射端的工艺流程图；

图4是本发明一实施例的基于点衍射干涉的低频振动测量方法的流程示意图；

图5是本发明一实施例的点衍射源与偏振相机的CCD平面的位置关系示意图；

图6是本发明一实施例的基于FDTD方法的点衍射矢量衍射理论仿真的流程示意图；

图中：1、激光器，2、偏振片，3、半波片，4、偏光分光棱镜，5、第一1/4波片，6、第一耦合器，7、第一单模保偏光纤，8、第二1/4波片，9、第二耦合器，10、第二单模保偏光纤，11、光纤固定环，12、偏振相机，13、锥形针尖，14、金属膜。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

为了说明本申请的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明一实施例提供的基于点衍射干涉的低频振动测量装置，如图1所示，为低频振动测量装的结构示意图，该低频振动测量装置包括：光路部分、探头部分和测试部分，其中，光路部分包括：激光器1、第一光路和第二光路，激光器1产生的激光束依次经过偏振片2和半波片3后射入偏光分光棱镜4产生两路线偏振光，包括p光和s光，p光依次经过第一1/4波片5和第一耦合器6进入第一单模保偏光纤7，s光依次经过第二1/4波片8和第二耦合器9进入第二单模保偏光纤10，激光器1产生的激光束依次经过偏振片2和半波片3实现线偏振处理，得到任意方向的线偏振光，第一1/4波片5、第一耦合器6、第一单模保偏光纤7形成第一光路，第二1/4波片8、第二耦合器9、第二单模保偏光纤10形成第二光路，上述的第一单模保偏光纤7和第二单模保偏光纤10的出光孔径均为亚波长量级。

探头部分包括：光纤固定环11，第一单模保偏光纤7与第二单模保偏光纤10并排设置在光纤固定环11内，第一单模保偏光纤7的出射端和第二单模保偏光纤10的出射端为对齐设置，且均从光纤固定环11的入口进入指向其出口，由于第一单模保偏光纤7的出射端与第二单模保偏光纤10的出射端需要向同一方向出射光线，才能够进行干涉，因此，第一单模保偏光纤7的出射端与第二单模保偏光纤10的出射端的指向相同，探头部分用于固定安装在被测对象上，被测对象可以是指振动传感器等需要被测量振动的设备。

测试部分包括：偏振相机12和计算设备，偏振相机12与探头部分相对设置，该偏振相机12用于采集第一单模保偏光纤7的出射光线与第二单模保偏光纤10的出射光线干涉形成的条纹图像，该计算设备连接偏振相机12，以获取到偏振相机12采集的至少两个时刻的条纹图像，该计算设备对至少两个时刻的条纹图像进行分析，得到任意两个时刻间被测对象的振动偏移量。

其中，第一单模保偏光纤7的出射端的出光孔径为亚波长量级，可以作为第一点衍射源，第二单模保偏光纤10的出射端的出光孔径为亚波长量级，可以作为第二点衍射源，第一单模保偏光纤7的出射光线为第一点衍射球面波前W₁，第二单模保偏光纤10的出射光线为第二点衍射球面波前W₂。

上述探头部分安装在被测对象上，当前时刻下第一点衍射球面波前W₁与第二点衍射球面波前W₂干涉形成第一条纹图像，在被测对象发生振动偏移后，第一点衍射球面波前W₁与第二点衍射球面波前W₂干涉形成第二条纹图像。通过偏振相机12可以采集到干涉的条纹图像，该偏振相机12可以是偏振电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device，CCD)相机、偏振互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，COMS)相机等。

基于干涉的原理，根据第一条纹图像中像素点信息和相位分布信息，可以计算出探头部分的空间位置坐标，根据第二条纹图像中像素点信息和相位分布信息，可以计算出探头部分的空间位置坐标，比较两个空间位置坐标的差异，即可确定探头部分的偏移量，即为被测对象的振动偏移量，该过程可以实现对被测对象的振动偏移量的测量，由于亚波长量级出光孔径的单模保偏光纤具备较大孔径角范围和较高光能量，因此，能够有效地提高低频振动测量的精度，可用于对存在振动影响的测量仪器的校准。

由于从出射光线为圆偏振光，因此，上述干涉为偏振光干涉，干涉场内两干涉光束之间的光强匹配可通过调整半波片和1/4波片来调节，进而得到较为理想的干涉的条纹对比度。

在一实施例中，如图2所示，为单模保偏光纤的出射端的结构示意图，其中，单模保偏光纤的出射端为锥形针尖13，锥形针尖13的锥面包裹有金属膜14，锥形针尖13的针头为单模保偏光纤的出光处，出光处出光孔径的大小为亚波长量级，上述第一单模保偏光纤7和第二单模保偏光纤10的出射端均为使用熔拉法拉制的锥形针尖13。

其中，亚波长量级的出光孔径的光纤的加工属于微光学尺寸器件制作，本发明将以近场光学显微镜中的光纤探针加工工艺为基础，将单模保偏光纤的出光孔径加工成亚波长量级。金属膜14能够有效地防止处针尖以外的其他位置的光漏出，实现针尖出光的点衍射源。如图3所示，为单模保偏光纤的出射端的工艺流程图，单模保偏光纤的出射端的加工工艺流程主要包括针尖熔拉、针尖锥面金属镀膜、基于聚焦离子束刻蚀(Focused Ion BeamEtching，FIBE)工艺的亚波长量级点衍射出光孔径加工等。利用FIBE工艺可易于控制点衍射源的几何形状及尺寸等参数，进而得到较高的输出光能量和较大孔径角范围，从而得到理想的点衍射波前球面精度。

在一实施例中，金属膜14的材料为铬金属，采用镀膜的方式在锥形针尖13的锥面上镀上一层铬金属膜14。该铬金属膜14能够有效地实现对锥面的遮光，且镀铬的工艺较多，易于实现。

在一实施例中，第一单模保偏光纤7的锥形针尖13的针头与第二单模保偏光纤10的锥形针尖13的针头均与光纤固定环11的出口所在的面为共面设置。

第一单模保偏光纤7的锥形针尖13的针头与光纤固定环11的出口所在的面为共面设置，第二单模保偏光纤10的锥形针尖13的针头与光纤固定环11的出口所在的面为共面设置。即针头所在的平面在对应光纤固定环11的出口所在的面上，如果将针头作为一个点，则该点在光纤固定环11的出口所在的面上，可以避免光纤固定环11对针头发出的光的遮挡，可以提高保证理想的输出光能量和较大孔径角范围，探头部分至偏振相机12的光路部分为准共路结构，提高了对复杂环境的抗干扰能力，同时干涉系统两路光束的光程差可通过光纤长度加以调整，因而降低了对激光器1相干长度的要求。具体的是，光纤固定环11为一个空心圆柱体，两根亚波长量级的出光孔径的单模保偏光纤均从空心圆柱体的一侧插入并固定，该光纤固定环11在制作时需确保其加工精度和长期稳定性。

在一实施例中，激光器1为可见光波段激光器1，激光器1发出的激光束的波长范围在632.8nm至532nm之间。该波段之间的干涉条纹能够被偏振相机12采集，且受到外界干扰光的影响较小，对测试的环境要求较低。

在一实施例中，偏振相机12包括像元面阵以及设置在像元面阵前的偏光面阵，偏光面阵的像素单元为2×2微偏振器构成，四个微偏振器的透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°。其中，将2×2单元微偏振器作为一个超像素单元，组成的偏振面阵，可实现一帧图像同时获取四个偏振方向对应四个通道干涉信息。为了实现两个点衍射源的干涉场的瞬态移相测量，利用偏振相机12来采集两个点衍射的干涉条纹图像，具体为：第一点衍射球面波前W₁与第二点衍射球面波前W₂可在偏振相机12的偏光面阵的像素单元的四个通道中分别叠加，得到相移量为π/2的四幅移相干涉条纹图像。利用四步移相算法对瞬态下的四副移相干涉条纹图像进行计算，可得到相对应的相位分布值，由于探头部分中两个点衍射源相对于偏振相机12的三维空间坐标与干涉场中任意点处的相位分布值存在一一对应关系，因此，可以计算得到两个点衍射源的三维空间位置的测量。实际测量中该探头是安装于发生位移量的被测对象之上，因此，两个点衍射源的三维空间位置的测量即为被测对象三维空间位置的测量，通过比较两个时刻或者两个瞬态的三维空间位置，可以得到被测对象的高精度的三维绝对位移。

本发明一实施例提供一种基于点衍射干涉的低频振动测量方法，如图4所示，为基于点衍射干涉的低频振动测量方法的流程示意图，该低频振动测量方法用于上述实施例中的低频振动测量装置，可以在上述计算设备中运行，包括以下步骤：

步骤S401，在第一时刻的激光器1产生激光束后，获取第一条纹图像，并根据第一条纹图像，得到探头部分所在的第一空间位置信息。

步骤S402，在第二时刻的激光器1产生激光束后，获取第二条纹图像，并根据第二条纹图像，得到探头部分所在的第二空间位置信息。

步骤S403，对比第一空间位置信息和第二空间位置信息，确定探头部分的振动偏移量为被测对象的振动偏移量。

上述步骤S401和步骤S402中第一时刻和第二时刻为任意两个时刻，通过偏振相机12采集两个时刻的条纹图像，进而计算第一时刻和第二时刻之间光源的空间位置偏移。被测对象为低频振动时，瞬时的空间位置偏移较小，瞬时的空间位置偏移能够带动干涉条纹的变化，因此，通过对干涉的条纹图像的分析，可以测量低频振动下的空间位置偏移。

如果想要对光源的空间位置变化进行实时监测，则需要偏振相机12采集实时图像，即按照偏振相机12的采样频率采集连续的条纹图像，从而计算出每个采样时刻光源的空间位置，实现实时监测。

在一实施例中，根据第一条纹图像，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第一空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第二空间坐标包括：

提取第一条纹图像中除图像中心点以外的N个像素点的图像坐标，N为大于5的整数；

根据N个像素点的图像坐标，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第一空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第二空间坐标；

相应地，根据第二条纹图像，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第三空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第四空间坐标包括：

提取第二条纹图像中除图像中心点以外的N个像素点的图像坐标；

根据N个像素点的图像坐标，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第三空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第四空间坐标。

其中，利用干涉场相位分布与光程差的对应关系可构建点衍射源的空间位置测量数学模型，以偏振相机12为偏振CCD相机为例，如图5所示，为点衍射源与偏振相机12的CCD平面的位置关系示意图，空间位置测量原理如下：

定义CCD平面为xy平面，其中心位置为原点位置O，令CCD平面上干涉场中任意空间点P(x,y,z)处到两个点衍射源的距离分别为r₁和r₂，由此可得P点处的相位差

为：

其中，(x,y,z)为CCD平面上P点坐标且已知；(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)分别为两个点衍射源的空间坐标。

由于两个点衍射源的空间坐标与空间点P处(对应第k个像素点)的相位分布

存在一一对应关系，构建非线性方程如下：

其中，向量Φ代表未知的两个点衍射源空间坐标，即Φ＝{(x₁，y₁，z₁)；(x₂，y₂，z₂)}，

表示实际测量得到的相位差值，

和

分别为：

其中，(x^k,y^k,z^k)为CCD平面上第k个像素点的坐标。对于f_k(Φ)而言，每一个像素点(共有m个像素点)可构建一个非线性方程，由此可得到矩阵方程组：

f(Φ)＝{f_k(Φ)}.

由于f_k(Φ)中含有6个未知量，则需至少对CCD平面上6个像素点的坐标及其对应的相位信息，才可求解得到未知的两个点衍射源空间坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)。

为提高测量精度以及系统的抗干扰能力，可选取多个像素点组成超定非线性方程组进行坐标迭代重构。将矩阵方程组转化成二次泛函形式：

对于上式，通过求解函数F的极小点Φ^*(即矩阵方程组的最小二乘解)，可得到两个点衍射源的空间坐标。

由于矩阵方程组对应的二次泛函形式具有高度非线性，导致空间坐标的重构存在精度不高、收敛性差以及收敛速度慢等问题，可采用Levenbery-Marquardt(L-M)算法，L-M算法具有不强烈依赖初值、易收敛、计算精度高等优点。除此之外，还可以拟牛顿法等数值迭代算法。根据实际获取的干涉信号合理选择迭代重构算法，同时还需要从算法精度、运算速度以及鲁棒性(如迭代算法对初值的依赖性、算法收敛性与抗噪性能等)等方面出发，对迭代重构算法进行优化，以满足实际测量需要。

在一实施例中，根据第一条纹图像，得到探头部分所在的第一空间位置信息包括：

根据第一条纹图像，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第一空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第二空间坐标；

确定第一空间坐标和第二空间坐标的中心点的坐标为探头部分所在的第一空间位置信息；

相应地，根据第二条纹图像，得到探头部分所在的第二空间位置信息包括：

根据第二条纹图像，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第三空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第四空间坐标；

确定第三空间坐标和第四空间坐标的中心点的坐标为探头部分所在的第一空间位置信息。

其中，将得到的两个点衍射源的空间位置坐标的中心点作为最终的观测点，该观测点的偏移量即代表探头部分的偏移量，也即是被测对象的偏移量。

在一实施例中，在根据第二条纹图像，确定第一单模保偏光纤7的出射端的第三空间坐标和第二单模保偏光纤10的出射端的第四空间坐标之后，还包括：

计算第一空间坐标与第三空间坐标的第一偏移量，以及第二空间坐标与第四空间坐标的第二偏移量；

检测第一偏移量与第二偏移量的误差是否小于误差值；

相应地，对比第一空间位置信息和第二空间位置信息，确定探头部分的振动偏移量为被测对象的振动偏移量包括：

若第一偏移量与第二偏移量的误差小于误差阈值，则对比第一空间位置信息和第二空间位置信息，确定探头部分的振动偏移量为被测对象的振动偏移量。

本申请中，根据两个时刻的两个点衍射源的空间坐标，分别对两个点衍射源的偏移量进行计算，并比对两个点衍射源的偏移量，形成自检，规避偶然环境干扰造成的测量误差较大的情况。

应理解，以上实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本申请中，通过仿真方法对上述使用亚波长量级的出光孔径的单模保偏光纤产生的点衍射波前进行球面精度分析，影响球面精度的影响因素包括光纤针尖锥角形状、出光孔径尺寸、波前孔径角范围以及入射光波像差等，同时，点衍射Airy斑孔径角与光纤的光强透过率，决定了测量装置的测量范围。研究中将分别基于FDTD矢量衍射理论的点衍射波前数值仿真方法以及实验测量方法，对上述各影响因素进行分析，以此指导亚波长量级的出光孔径的单模保偏光纤的出射端的结构参数设计、优化及测量装置的误差分析。

如图6所示，为基于时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)方法的点衍射矢量衍射理论仿真的流程示意图。在基于FDTD方法的矢量衍射理论的点衍射建模仿真中，主要包括以下步骤：

首先，基于FDTD方法建立亚波长量级的出光孔径的光纤点衍射模型，计算得到点衍射近场分布，即建立点衍射的仿真模型，对该模型求解电磁场分布，提取近场振幅和相位，得到点衍射近场分布；

其次，根据所得到的点衍射近场分布，基于惠更斯原理进行近场远推，得到相应远场位置的点衍射远场分布，即惠更斯原理得到近场至远场的变换计算公式，根据点衍射近场分布中点衍射源的近场位置，结合变换计算公式得到点衍射源的点衍射远场分布；

最后，利用泽尼克多项式拟合及误差处理方法分析得到点衍射波前的球面精度，即对计算得到的点衍射源的点衍射远场分布进行泽尼克多项式拟合，再直接消去其中的常数项、倾斜项和离焦项等，得到点衍射波前误差(即点衍射波前的球面精度)。

其中，在满足FDTD数值计算的稳定性及收敛性条件的情况下，利用FDTD方法可以得到非常精确的仿真结果。

在点衍射波前球面精度的实验测量中，由于受到标准参考件加工精度的限制，不能使用干涉仪来测量点衍射波前，因此，可直接采用零位检测法(类似杨氏双缝干涉法)对点衍射波前的球面精度进行测量，即利用测量探头中结构参数相同的两个点衍射源所产生的两个球面波前横向剪切干涉，对两个球面波前之间的差异进行分析。但需要指出的是，上述测量装置中干涉条纹是采用无镜头成像来采集的，与传统干涉仪所采用镜头成像采集干涉条纹的方式有所不同，此时，干涉波面与CCD像面不再有点-点的对应关系。使用传统干涉仪时，对两个点衍射源横向偏移所引入的结构误差校正方法是对所测得的波面数据进行泽尼克多项式拟合，再直接消去其中的常数项、倾斜项和离焦项，而在无镜头成像情况下，需要对结构误差引入的波面像差进行建模分析，并将其从测量装置所测得原始波面数据中剔除。建模分析过程如下：

设与结构误差相关的波面函数，表示为：

W_c(x,y)＝∑a_iZ_i(x,y),

式中，Z_i(x,y)为泽尼克多项式，a_i为对应泽尼克系数，若测量装置所测得原始波面数据为W(x,y)，则可将结构误差波面数据W_c(x,y)与原始波面数据W(x,y)做差，得到实际待测点衍射球面波前误差W₀(x,y)为：

W₀(x,y)＝W(x,y)-W_c(x,y)＝∑(a_i-b_i)Z_i(x,y),

式中，b_i为波面数据W_c(x,y)的泽尼克系数。

经过上述仿真分析和实验分析可知，点衍射波前球面精度能够达到相应要求，因此，可以被用于精准测量空间位置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于点衍射干涉的低频振动测量装置，其特征在于，包括：光路部分、探头部分和测试部分；

所述光路部分包括：激光器、第一光路和第二光路，所述激光器产生的激光束经过线偏振处理后射入偏光分光棱镜产生p光和s光，p光依次经过第一1/4波片和第一耦合器进入第一单模保偏光纤，形成所述第一光路，s光依次经过第二1/4波片和第二耦合器进入第二单模保偏光纤，形成所述第二光路，所述第一单模保偏光纤和所述第二单模保偏光纤的出光孔径均为亚波长量级；

所述探头部分包括：光纤固定环，所述第一单模保偏光纤与所述第二单模保偏光纤并排设置在所述光纤固定环内，所述第一单模保偏光纤的出射端和所述第二单模保偏光纤的出射端为对齐设置，且均从所述光纤固定环的入口进入指向其出口，所述探头部分用于固定安装在被测对象上；

所述测试部分包括：偏振相机和计算设备，所述偏振相机与所述探头部分相对设置，用于采集所述第一单模保偏光纤的出射光线与所述第二单模保偏光纤的出射光线干涉形成的条纹图像，所述计算设备连接所述偏振相机，用于对所述偏振相机采集的至少两个时刻的条纹图像进行分析，得到任意两个时刻间所述被测对象的振动偏移量。

2.根据权利要求1所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述第一单模保偏光纤和所述第二单模保偏光纤的出射端均为使用熔拉法拉制的锥形针尖，所述锥形针尖的锥面包裹有金属膜，所述锥形针尖的针头为出光处，该出光处的出光孔径为亚波长量级。

3.根据权利要求2所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述金属膜的材料为铬金属。

4.根据权利要求2所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述第一单模保偏光纤的锥形针尖的针头与所述第二单模保偏光纤的锥形针尖的针头均与所述光纤固定环的出口所在的面为共面设置。

5.根据权利要求2所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述激光器为可见光波段激光器，所述激光器发出的激光束的波长范围在632.8nm至532nm之间。

6.根据权利要求1至5任一项所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述偏振相机包括像元面阵以及设置在所述像元面阵前的偏光面阵，所述偏光面阵的像素单元为2×2微偏振器构成，四个微偏振器的透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°。

7.一种基于点衍射干涉的低频振动测量方法，其特征在于，所述低频振动测量方法用于上述权利要求1至9任一项所述的低频振动测量装置，包括以下步骤：

在第一时刻的所述激光器产生激光束后，获取第一条纹图像，并根据所述第一条纹图像，得到所述探头部分所在的第一空间位置信息；

在第二时刻的所述激光器产生激光束后，获取第二条纹图像，并根据所述第二条纹图像，得到所述探头部分所在的第二空间位置信息；

对比所述第一空间位置信息和所述第二空间位置信息，确定所述探头部分的振动偏移量为所述被测对象的振动偏移量。

8.根据权利要求7所述的低频振动测量方法，其特征在于，所述根据所述第一条纹图像，得到所述探头部分所在的第一空间位置信息包括：

根据所述第一条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第一空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第二空间坐标；

确定所述第一空间坐标和所述第二空间坐标的中心点的坐标为所述探头部分所在的第一空间位置信息；

相应地，所述根据所述第二条纹图像，得到所述探头部分所在的第二空间位置信息包括：

根据所述第二条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标；

确定所述第三空间坐标和所述第四空间坐标的中心点的坐标为所述探头部分所在的第一空间位置信息。

9.根据权利要求8所述的低频振动测量方法，其特征在于，在所述根据所述第二条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标之后，还包括：

计算所述第一空间坐标与所述第三空间坐标的第一偏移量，以及所述第二空间坐标与所述第四空间坐标的第二偏移量；

检测所述第一偏移量与所述第二偏移量的误差是否小于误差值；

相应地，所述对比所述第一空间位置信息和所述第二空间位置信息，确定所述探头部分的振动偏移量为所述被测对象的振动偏移量包括：

若所述第一偏移量与所述第二偏移量的误差小于误差阈值，则对比所述第一空间位置信息和所述第二空间位置信息，确定所述探头部分的振动偏移量为所述被测对象的振动偏移量。

10.根据权利要求8所述的低频振动测量方法，其特征在于，所述根据所述第一条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第一空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第二空间坐标包括：

提取所述第一条纹图像中除图像中心点以外的N个像素点的图像坐标，N为大于5的整数；

根据所述N个像素点的图像坐标，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第一空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第二空间坐标；

相应地，所述根据所述第二条纹图像，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标包括：

提取所述第二条纹图像中除图像中心点以外的N个像素点的图像坐标；

根据所述N个像素点的图像坐标，确定所述第一单模保偏光纤的出射端的第三空间坐标和所述第二单模保偏光纤的出射端的第四空间坐标。

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