CN117192560A - 微探头激光调频干涉测距方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤干涉测量技术领域，公开了微探头激光调频干涉测距方法及系统，本发明在不需要引入绝对式激光测距仪从而引入新的不确定度的前提下，通过连续缓慢改变可调制激光波长，使得探测器得到的干涉信号产生连续周期的相位变化；激光器调制吸收光谱从初始锁定的吸收峰移动到另一个锁定峰，查表得到前后两个锁定吸收峰的波长变化，同时计算得到前后PGC解调出的相位差值，根据波长扫描技术计算得出初始闲区长度；之后利用微探头光纤激光干涉仪相对距离测量精度高的优点，实现待测距离的实时测量；本发明继承了激光测距精度高的优点，克服了其只能测量相对距离，无法测量初始闲区长度的缺点，在精密测量领域具有显著的技术优势。
Description
技术领域
本发明属于光纤干涉测量技术领域，具体涉及微探头激光调频干涉测距方法及系统。
背景技术
随着我国光学器件、光学系统和高速信号处理一系列关键技术的提升，采用干涉法的激光测距技术在激光测距领域的占比日渐提高，干涉法测距系统中采用的激光波长短，有很好的单色性，波长精度很高，干涉法激光测距的高精度是脉冲式激光测距、三角法激光测距、相位式激光测距等方法都无法比拟的。微探头光纤激光干涉仪相比于传统激光干涉仪具有体积小、不易受热污染、机械漂移因素少，可以在高端装备等狭小空间下完成测量工作等优点。
现有技术中，一个微探头光纤激光干涉仪包含一个激光波长可调制光源；所述激光波长可调制光源进行波长的正弦调制；一个光纤跳线；一个光纤传感探头；激光器输出用于干涉测量的激光用光纤跳线连接到探头，光纤跳线其零度角出光端面与待测物体表面构成法布里珀罗腔；波长探测仪器；一个分束装置；所述分束装置用于将波长可调制激光器的输出光分为两束，一束用于干涉测量，另一束用于进行激光波长探测；一个光纤环形器；一个光纤准直器；一个能够检测干涉信号的光电探测器，所述干涉信号是所述光纤传感探头发出的激光经被测物体反射至探头中干涉形成的；以及调制解调系统1，所述调制解调系统1耦接所述光电探测器。相比于其它内部由棱镜搭建的激光干涉仪，由于其测量空间需求小、结构简单、机械漂移因素少，环境适应性强，因而更容易应用于各种狭小空间的嵌入式测距。激光干涉仪具有测量相对距离精度高的优点，然而，在实际应用中，却需要借用绝对式激光测距仪或者其它测量绝对距离的仪器来进行初始闲区长度的测量，系统复杂，且光学闲区测量系统的不确定度不高，所以光学闲区的存在一直成为激光干涉仪实现高精度测距的关键问题。
由于双光束干涉的特性，可以根据解调出的相位来计算相对位移，但是要想求解实际距离，还需要求解光学闲区长度，目前闲区长度测量一般是采用手动测量的方法，测量准确度不高，一般只能达到毫米量级。除此之外，还可以借助绝对式激光测距仪来进行闲区长度的测量，但是测量结构更加复杂，且新引入的激光测距仪的输出光程很难和实际的干涉测量光程完全重合，所以系统测量的不确定度也只能达到mm量级。
2008年杨宏兴,谭久彬等人提出了一种基于绝对式激光测距仪、偏振旋转器和偏振片的闲区长度测量方式(杨宏兴,谭久彬,胡鹏程,付海金.基于实时监测的激光外差干涉仪闲区误差自动补偿[J].光电子.激光,2008(07):934-937.)但是，该方法的缺点是每次干涉仪清零时均需要手动测量测量光路和参考光路的长度差值，即闲区长度，然后输入软件后进行补偿，且该系统结构复杂，需要使用额外的绝对式激光测距仪，并且激光测距仪的输出光光程也很难与实际的干涉测量光程完全重合较为繁琐，并且在有的应用场合下闲区较难测量。
2022年白洋,鲁云峰等人借助能量天平干涉光路，提出了一种基于真空/空气环境光程差测量的光学闲区长度测量方法(白洋,鲁云峰,廖福剑,王越,李正坤.能量天平激光干涉测量系统闲区长度测量方法研究[J].计量科学与技术,2022,66(04):34-39.)，但是该方法需用到能量天平的真空系统来改变光学闲区的空气折射率，利用空气折射率的变化来改变测量过程中的光程变化，进而测得光学闲区长度，因此，其方法只能用于能量天平系统中运动线圈的位移测量和精密定位，应用广泛度不高。
综上所述，目前在光纤传感测量探测领域缺少一种简单、快速、高效，不引入额外不确定度因素影响的激光干涉测距方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供微探头激光调频干涉测距方法及系统，以解决现有技术中的问题，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
微探头激光调频干涉测距方法，包括以下步骤：
第一步，启动激光波长可调制光源，激光波长可调制光源输出激光到分束装置的输入端口；
第二步，分束装置的第二输出端口输出一部分激光到激光波长探测器，分束装置的第一输出端口输出另外一部分激光到光纤环形器的第一端口；
第三步，光纤环形器第二端口输出激光经过光纤跳线，一部分激光在光纤跳线的光纤端面产生反射光；另外一部分激光出射至待测物体，在待测物体表面发生干涉，并产生反射光返回耦合到光纤跳线，两股反射光在光纤跳线中发生干涉形成测量光束；
第四步，测量光束从光纤环形器的第二端口进入，并从光纤环形器的第三端口出射到光电探测器；
第五步，光电探测器将测量干涉光束转化为电信号，并将电信号输入到调制解调系统；
第六步，激光波长探测器得到锁定乙炔气体吸收峰Px，查表记录Px所对应激光的波长λ1，调制解调系统采集光电探测器的电信号进行PGC解调，得到当前相位信息传入上位机记录；
第七步，连续改变激光波长可调制光源输出激光的波长，上位机持续记录解调相位输出值直到激光波长可调制光源调制吸收光谱锁定至Py，查表记录Py所对应的激光波长λ2，记录此时PGC解调相位/>
第八步，根据记录的特征参数，计算得到初始闲区距离L；
第九步，光纤传感探头测量出相对位移L(t)，待测物体和微探头光纤激光干涉仪之间的距离L可以表示为：
L＝L0+L(t)；
进一步的，第八步中，采用以下公式计算初始闲区距离：
其中，C为真空光速，nair为测量环境空气折射率，Δν为激光频率变化量，Δλ为波长变化，为相位相应的改变。
进一步的，所述光纤跳线的零度角出光端面与待测物体表面构成法布里珀罗腔，所述光电探测器用于检测法布里珀罗腔中光束干涉形成的干涉信号。
进一步的，第六步中，光电探测器输出信号为：
其中C为相位调制深度，ω0为调制信号频率，为光源调制后的相位，I1、I2为两束反射光的光强，k为光电探测器的转换系数。
进一步的，包括调制解调系统、激光波长可调制光源、分束装置、激光波长探测器、光纤环形器、光纤跳线、上位机和光电探测器；
所述调制解调系统输出端分别连接激光波长可调制光源和上位机；
所述激光波长可调制光源输出端连接分束装置的输入端口，分束装置的第一输出端口连接光纤环形器的第一端口，分束装置的第二输出端口连接激光波长探测器；
所述光纤环形器的第二端口连接光纤跳线，光纤环形器的第三端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接调制解调系统输入端。
进一步的，还包括设置在光纤跳线输出端的光纤准直器。
进一步的，所述光纤跳线和所述光纤准直器共同构成光纤传感探头。
进一步的，所述调制解调系统、所述激光波长可调制光源、所述激光波长探测仪器和所述光纤传感探头共同构成微探头光纤激光干涉仪。
本发明具有以下有益效果：本发明技术方案利用微探头光纤激光干涉仪中可调谐激光光源的特点，继承了激光测距精度高的优点，克服了其只能测量相对距离，无法测量初始闲区长度的缺点，无需增加光路的复杂程度，仅仅在干涉中加入一个用于测量波长的装置，在精密测量领域具有显著的技术优势。
附图说明
图1是本发明所提供的微探头激光调频干涉测距系统的总体结构图；
图中：1调制解调系统、2激光波长可调制光源、3分束装置、4激光波长探测器、5光纤环形器、6光纤跳线、7零度角出光端面、8待测物体、9光电探测器、10上位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明提出和研发了一种微探头激光调频干涉测距方法及系统，本发明在不需要借助绝对式激光测距仪或者其它测量绝对距离的仪器来进行初始闲区长度的测量前提下。利用微探头光纤激光干涉仪中的激光波长可调制光源调制吸收稳频技术，通过使输出激光波长连续变化使得信号解调单元解调出的相位产生连续变化，当外部参考频率从初始锁定吸收峰移动到另一个锁定吸收峰，记录下相位的变化量，通过波长扫描干涉测量技术被测距离计算公式计算得出初始闲区长度，随后待测物体进行移动，微探头光纤激光干涉仪测量出相对位移，初始闲区长度和相对位移长度相加得到被测物体和激光干涉仪之间实际距离。
微探头激光调频干涉测距方法，包括以下步骤：
第一步，启动激光波长可调制光源2，由调制解调系统1中的调制单元产生正弦波给到激光波长可调制光源2，使激光波长可调制光源2输出波长被正弦调制，激光波长可调制光源2输出激光到分束装置3的输入端口；
第二步，分束装置3的第二输出端口输出一部分激光到激光波长探测器4，分束装置3的第一输出端口输出另外一部分激光到光纤环形器5的第一端口；
第三步，光纤环形器5第二端口输出激光经过光纤跳线6，一部分激光在光纤跳线6的光纤端面产生反射光；另外一部分激光出射至待测物体8，在待测物体8表面发生干涉，并产生反射光返回耦合到光纤跳线6，两股反射光在光纤跳线6中发生干涉形成测量光束；
第四步，测量光束从光纤环形器5的第二端口进入，并从光纤环形器5的第三端口出射到光电探测器9；
第五步，第五步，光电探测器9将测量干涉光束转化为电信号，并将电信号输入到调制解调系统1，调制解调系统1处理得到两路干涉信号Um1和Um2。
第六步，激光波长探测器4开启，进行输出激光波长的探测，利用调制吸收光谱对输出激光稳频后，激光波长探测器4得到锁定乙炔气体吸收峰Px，查表记录Px所对应激光的波长λ1，调制解调系统1采集光电探测器9的输出信号进行PGC解调，得到当前相位信息传入上位机10记录；
具体而言，调制吸收光谱技术是一种对于激光器稳频的现有技术技术，在每个波长处得保证激光器输出的激光波长是稳定的，就需要用调制吸收光谱技术进行稳频。
第七步，连续缓慢改变激光波长可调制光源2输出激光的波长，上位机10持续记录解调相位输出值直到激光波长可调制光源2调制吸收光谱锁定至Py，查表记录Py所对应的激光波长λ2，记录此时PGC解调相位/>
第八步，根据提取、记录的特征参数，计算得到初始闲区距离L0；
第九步，待测物体8进行移动时，光纤传感探头测量出相对位移L(t)，待测物体8和微探头光纤激光干涉仪之间的距离L可以表示为：
L＝L0+L(t)；其中L0为..
进一步的，第八步中，采用以下公式计算初始闲区距离：
其中，C为真空光速，nair为测量环境空气折射率，Δν为激光频率变化量，Δλ为波长变化，为相位相应的改变。
更进一步，只要确定及Δν(波长变化Δλ)，就可以求解被测距离：
即：
变化后可得：
该公式当折射率nair近似为1和λ变化很小时可以近似为
进一步的，所述光纤跳线6的零度角出光端面7与待测物体8表面构成法布里珀罗腔，所述光电探测器9用于检测法布里珀罗腔中光束干涉形成的干涉信号。
进一步的，第六步中，光电探测器9输出信号为：
其中C为相位调制深度，ω0为调制信号频率，为光源调制后的相位，I1、I2为两束反射光的光强，k为光电探测器的转换系数。
微探头激光调频干涉测距系统，包括调制解调系统1、激光波长可调制光源2、分束装置3、激光波长探测器4、光纤环形器5、光纤跳线6、上位机8和光电探测器9；
所述调制解调系统1输出端分别连接激光波长可调制光源2和上位机8；
所述激光波长可调制光源2输出端连接分束装置3的输入端口，分束装置3的第一输出端口连接光纤环形器5的第一端口，分束装置3的第二输出端口连接激光波长探测器4；
所述光纤环形器5的第二端口连接光纤跳线6，光纤环形器5的第三端口连接光电探测器9的输入端，光电探测器9的输出端连接调制解调系统1输入端。
进一步的，还包括设置在光纤跳线6输出端的光纤准直器。
进一步的，所述光纤跳线6和所述光纤准直器共同构成光纤传感探头。
进一步的，所述调制解调系统1、所述激光波长可调制光源2、所述激光波长探测仪器4和所述光纤传感探头共同构成微探头光纤激光干涉仪。
本发明的优点在于：相比于手动测量光学闲区以及基于绝对式激光测距仪或者其它测量绝对距离的仪器来进行初始闲区长度的测量方法，本方法可以在不引入额外测距设备从而引入新不确定度的前提下，通过使输出激光波长连续变化使得信号解调单元解调出的相位产生连续变化，当外部参考频率从初始锁定吸收峰移动到另一个锁定吸收峰，记录下相位的变化量，通过波长扫描干涉测量技术被测距离计算公式计算得出初始闲区长度，随后待测物体进行移动，微探头光纤激光干涉仪测量出相对位移，初始闲区长度和相对位移长度相加得到被测物体和激光干涉仪之间实际距离，提高了测量精度。本发明技术方案利用微探头光纤激光干涉仪中可调谐激光光源的特点，继承了激光测距精度高的优点，克服了其只能测量相对距离，无法测量初始闲区长度的缺点，无需增加光路的复杂程度，仅仅在干涉中加入一个用于测量波长的装置，在精密测量领域具有显著的技术优势。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.微探头激光调频干涉测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，启动激光波长可调制光源(2)，激光波长可调制光源(2)输出激光到分束装置(3)的输入端口；
第二步，分束装置(3)的第二输出端口输出一部分激光到激光波长探测器(4)，分束装置(3)的第一输出端口输出另外一部分激光到光纤环形器(5)的第一端口；
第三步，光纤环形器(5)第二端口输出激光经过光纤跳线(6)，一部分激光在光纤跳线(6)的光纤端面产生反射光；另外一部分激光出射至待测物体(8)，在待测物体(8)表面发生干涉，并产生反射光返回耦合到光纤跳线(6)，两股反射光在光纤跳线(6)中发生干涉形成测量光束；
第四步，测量光束从光纤环形器(5)的第二端口进入，并从光纤环形器(5)的第三端口出射到光电探测器(9)；
第五步，光电探测器(9)将测量干涉光束转化为电信号，并将电信号输入到调制解调系统(1)；
第六步，激光波长探测器(4)得到锁定乙炔气体吸收峰Px，查表记录Px所对应激光的波长λ1，调制解调系统(1)采集光电探测器(9)的电信号进行PGC解调，得到当前相位信息传入上位机(10)记录；
第七步，连续改变激光波长可调制光源(2)输出激光的波长，上位机(10)持续记录解调相位输出值直到激光波长可调制光源(2)调制吸收光谱锁定至Py，查表记录Py所对应的激光波长λ2，记录此时PGC解调相位/>
第八步，根据记录的特征参数，计算得到初始闲区距离L0；
第九步，光纤传感探头测量出相对位移L(t)，待测物体(8)和微探头光纤激光干涉仪之间的距离L可以表示为：
L＝L0+L(t)。
2.根据权利要求1所述的微探头激光调频干涉测距方法，其特征在于，第八步中，采用以下公式计算初始闲区距离：
其中，C为真空光速，nair为测量环境空气折射率，Δν为激光频率变化量，Δλ为波长变化，为相位相应的改变。
3.根据权利要求1所述的微探头激光调频干涉测距方法，其特征在于，所述光纤跳线(6)的零度角出光端面(7)与待测物体(8)表面构成法布里珀罗腔，所述光电探测器(9)用于检测法布里珀罗腔中光束干涉形成的干涉信号。
4.根据权利要求1所述的微探头激光调频干涉测距方法，其特征在于，第六步中，光电探测器9输出信号为：
其中C为相位调制深度，ω0为调制信号频率，为光源调制后的相位，I1、I2为两束反射光的光强，k为光电探测器的转换系数。
5.微探头激光调频干涉测距系统，采用如权利要求1或2的微探头激光调频干涉测距方法，其特征在于，包括调制解调系统(1)、激光波长可调制光源(2)、分束装置(3)、激光波长探测器(4)、光纤环形器(5)、光纤跳线(6)、上位机(8)和光电探测器(9)；
所述调制解调系统(1)输出端分别连接激光波长可调制光源(2)和上位机(8)；
所述激光波长可调制光源(2)输出端连接分束装置(3)的输入端口，分束装置(3)的第一输出端口连接光纤环形器(5)的第一端口，分束装置(3)的第二输出端口连接激光波长探测器(4)；
所述光纤环形器(5)的第二端口连接光纤跳线(6)，光纤环形器(5)的第三端口连接光电探测器(9)的输入端，光电探测器(9)的输出端连接调制解调系统(1)输入端。
6.根据权利要求5所述的微探头激光调频干涉测距系统，其特征在于，还包括设置在光纤跳线(6)输出端的光纤准直器。
7.根据权利要求6所述的微探头激光调频干涉测距系统，其特征在于，所述光纤跳线(6)和所述光纤准直器共同构成光纤传感探头。
8.根据权利要求7所述的微探头激光调频干涉测距系统，其特征在于，所述调制解调系统(1)、所述激光波长可调制光源(2)、所述激光波长探测仪器(4)和所述光纤传感探头共同构成微探头光纤激光干涉仪。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117192560B (zh) | 2024-04-09 |
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