CN117677817A - 干涉式位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种干涉式位移测量装置(100)，包括至少一个测量干涉仪(103)，用于测量测量光束(150)与参考光束之间的光程差的变化。光源模块(118)被设置为生成具有特定光谱的调制光束，测量光束和参考光束是从该调制光束导出的。数据采集和分析模块(105)可以使用从检测测量光束与参考光束的干涉的光电探测器(111)接收的干涉强度数据来确定表示位移的度量。

Description

干涉式位移测量装置
本发明涉及一种用于进行位移测量的干涉式位移测量装置，特别是通过使用经相位调制的光源进行位移测量。
干涉仪可以高精度测量尺寸和位移。一般而言，干涉仪通过沿着两个或更多个相应的光束路径发射两个或更多个光束来操作。然后，两个或更多个光束在检测器处叠加，并在那里它们表现出干涉。然后可以从在检测器处测量的干涉强度中提取所需的测量信息。
有许多不同的干涉测量技术可用。具体地，位移测量干涉法涉及在参考表面处反射参考光束以及在测量表面处反射测量光束，参考表面和测量表面沿轴间隔开。由于测量表面的位移而导致的参考光束和测量光束之间的光程差(OPD)的变化可以根据它们的叠加生成的干涉强度来确定。
一种这样的用于测量位移的技术使用光源的相位调制。这允许通过调制测量光束和/或参考光束来进行位移测量。
申请人已经认识到，在光源处调制光(包括参考光束和测量光束的相同调制光)的那些现有的相位调制技术仅对于小的固定范围的测量距离有效，并且它们的操作参数(例如，用于调制光源的调制频率)必须调谐到该范围。这又意味着相同的调制光源不能用于操作多个干涉仪，这些干涉仪测量同时跨越超过上述固定范围的距离范围的距离上的多个位移。
其他现有的相位调制技术可以仅调制两个光束之一。这些需要为靠近分束器的每个干涉仪配备一个调制装置，在分束器中参考光束和测量光束被分开。这使得它们变得更复杂、更大、更重，并且随着它们同时测量的距离数量的增加，它们的成本也增加得更快。
本发明的目的是提供一种改进的干涉式位移测量装置，其至少克服上述限制。
从第一方面，本发明提供了一种干涉式位移测量装置，包括：
至少一个测量干涉仪，用于测量测量光束和参考光束之间的光程差的变化，参考光束和测量光束具有由测量干涉仪的纵向尺寸确定的光程差，所述光程差的变化由相应的位移引起，其中至少一个测量干涉仪包括光电探测器，光电探测器用于检测测量光束与参考光束的干涉；
数据采集和分析模块，设置为接收来自光电探测器的干涉强度数据；以及
光源模块，包括：
光源，设置为输出具有基本恒定的光学载波频率的光；以及
电光调制器，设置为调制从光源输出的光；
其中，光源模块被设置为生成调制光束，测量光束和参考光束是从调制光束导出的；以及
其中，调制光束的光谱包括：
具有第一频率间隔的第一组等间隔频率峰值，其中第一组中频率峰值的数量、位置和功率是第一调制频率和第一调制深度的函数，并且其中第一组以中心频率为中心；以及
具有第二频率间隔的第二组等间隔频率峰值，其中第二组中频率峰值的数量、位置和功率是第二调制频率和第二调制深度的函数，并且其中第二组以与第一组相同的中心频率为中心；
其中，第一频率间隔与第二频率间隔不同，并且第一组和第二组的频率峰值彼此锁相；
其中，电光调制器被设置为由相位调制电压驱动，相位调制电压使电光调制器生成来自光源的光谱，其中相位调制电压是第一调制频率、第二调制频率、第一调制深度和第二调制深度的时间相关函数，第一调制频率确定第一频率间隔，而第二调制频率确定第二频率间隔；以及
其中，数据采集和分析模块被设置为使用从光电探测器接收的干涉强度数据来确定表示位移的度量(measure)。
因此，可以看出，根据本发明，干涉式位移测量装置可操作来测量测量光束行进的光程差随时间的变化。具体地，通过用(时变的，例如DC)相位调制电压调制光束，可以获得提供一定频率范围(第一组和第二组)的光谱，而不必改变调制频率和调制深度(本文统称为调制方案)或光源的光载波频率。单个调制光源驱动至少一个(例如多个)干涉仪，该干涉仪可以同时测量大范围距离上(相应的)光程差的变化。这有助于使所要求保护的装置具有成本效益、紧凑且简单，因为该装置不需要每个干涉仪一个调制器。因此，本发明可以测量大范围的任意距离的多条线。
这与需要调谐调制方案以适应要测量的距离的现有技术形成对比，使得此类技术不适合同时测量大范围的位移。本发明中使用的调制光束的光谱具有允许使用恒定光载波频率的光源来确定一定距离范围的位移(即，光程差的变化)的特性，恒定的光载波频率由(时变)调制电压进行调制，无需改变该电压来适应不同的光程差。
干涉式位移测量装置被设置成用多个频率分量(峰值)来干涉两个波(参考光束和测量光束)，该多个频率分量(峰值)(例如全部)相对于彼此锁相。因此，干涉强度数据将预期显示多个正弦振荡，其频率对应于任何一对这些频率分量之间的差异。根据该干涉强度数据，数据采集和分析模块确定表示位移的度量(即，这可能导致光程差的变化)。
与现有的位移测量干涉仪相比，本发明有助于提供许多益处。
根据本发明的实施例可以使用单个光源(即激光器和电光调制器)来服务一个或更多个(例如大量干涉仪)。因为该装置可以使用用于多个干涉仪的单源模块(即，激光和电光调制器)，所以该技术可以非常有效地随着干涉仪的数量而扩展。测量干涉仪的数量可能仅受光源功率(例如激光器功率)的限制，可以使用(例如激光)放大器轻松地按比例放大光源功率。
本发明的实施例具有“多线能力”，因为至少一个干涉仪中的每个干涉仪彼此独立并且每个干涉仪可以在任何时间分别测量不同距离的位移。此外，每个测量干涉仪可能仅需要单个光电探测器(例如，根据在光电探测器处接收的干涉强度数据构建正交信号)。此外，简单的光学器件可以用于测量干涉仪(例如光纤和反射器)。
一些现有的相位调制技术使用必须被调整的调制频率以适应距离范围。这使得它们不适合在大范围的不同距离上测量多个距离。其他相位调制技术(例如相位步进干涉仪)仅对测量波而不是参考波进行相位调制。每个所测量的位移(即每个测量干涉仪)需要一个相位调制器。仅调制测量光束的技术的主要缺点是，它们需要为每个测量“臂”配备完整的调制器和相关驱动器，这不仅昂贵，而且增加了复杂性、重量以及对每个干涉仪发射端(即靠近光源)的电信号的额外要求。
因此，根据现有技术的相位调制技术只能在固定的测量距离范围内工作，并且它们的操作参数必须调谐到该范围。根据本发明的实施例能够使用单一调制方案(使用调制频率对和调制深度对)来同时测量任意数量的大范围不同距离(例如从0.1m到45m，例如从0.4m到45m)上的位移，而不必改变操作参数(例如调制频率)。
本发明的实施例可用于用于精确制造的计算机数控(CNC)机器——例如，更换CNC机器的玻璃尺(刻度)。体现本发明的装置可用于对准和稳定科学设备中的关键部件(例如望远镜的反射镜、加速器部件或高能物理(HEP)探测器)。使用单个测量干涉仪的实施例可以用在激光跟踪器或激光追踪器中，或者作为大地测量仪器(例如全站仪或光学测距仪)的一部分，或者作为用于校准目的的实验室计量设备。
在一组实施例中，干涉式位移测量装置使用光纤进行光束传输。因此，该装置可以主要基于光纤。在一组这样的实施例中，光源经由一个或更多个光纤连接至测量干涉仪。在一些实施例中，装置中不使用光纤传输光的唯一部分是当测量光束穿过测量干涉仪中的自由空间传输时。拥有基于光纤的装置有助于减少空气中可变折射率的扭曲效应(例如由于温度变化)，并降低装置的环境要求(例如振动、气压、湿度和温度)。这也有助于减小装置的大小和重量。所有上述都有助于使该装置能够在更广泛的环境中使用。
由数据采集和分析模块确定的度量可以是表示位移的任何合适且期望的度量。在一组实施例中，度量是参考光束与测量光束之间的光程差的变化。在一组实施例中，度量是反射器或测量表面的位移，例如在测量干涉仪的远端。
为了根据光程差的变化获得位移，优选应当已知(例如，测量光束行进通过的介质的，例如空气的)折射率。这通常是根据大气参数(例如温度、压力、湿度，有时还有二氧化碳浓度)的测量值计算得出的。
至少一个测量干涉仪可以是任何合适的类型，然而，在一组优选实施例中，测量干涉仪是斐索干涉仪。光电探测器可以包括(例如，高带宽)光电二极管。
测量干涉仪可以具有远端和近端。测量干涉仪可以包括反射器(例如回射器)——例如定义远端。反射器可以包括测量表面。测量干涉仪可以包括准直器——例如接近近端。拥有准直器有助于装置测量更长距离的位移。测量干涉仪可以包括分束器，该分束器包括用于将调制光束分成测量光束和参考光束的分束表面。
在一组实施例中，分束器被设置为反射调制光束的第一部分(例如，反射至光电探测器)。参考光束可以包括调制光束的第一部分。调制光束的第二部分(例如剩余的光)可以传输通过分束器(例如从近端向远端)。测量光束可以包括调制光束的第二部分。因此，测量光束可以在分束器处透射(而参考光束可以被反射)，因此与参考光束相比，测量光束行进更远的距离(例如，朝向反射器并通过分束器返回)。
这样，与参考光束相比，测量光束可以行进额外的光程长度。该额外的光程长度(光程差)可以与测量干涉仪的纵向尺寸(例如长度)成比例。测量光束和参考光束之间的光程差可以与分束器的分束表面和测量干涉仪中的反射器之间的距离(例如纵向尺寸，例如测量干涉仪的长度)成比例。干涉式位移测量装置可以测量测量光束行进的额外光程长度随时间的变化(即，光程差随时间的变化)。因此，干涉式位移测量装置可以准确地测量测量干涉仪的纵向尺寸的变化。
在一组实施例中，至少一个测量干涉仪包括相应的光纤、相应的分束器和相应的反射器(例如回射器)。在一些实施例中，每个光纤后面跟随有相应的准直器。在一些实施例中，分束器由光纤的端部提供。在其他实施例中，分束器由准直器提供(例如在准直透镜的一个表面处)。光纤可以被称为发射光纤，其被设置为将光传输到自由空间中并且从自由空间接收光。
在一组实施例中，干涉式位移测量装置包括多个测量干涉仪。优选地，多个测量干涉仪中的每一个被设置为接收相应的测量光束和相应的参考光束。多个测量干涉仪可以分别具有不同的纵向尺寸(例如长度)。多个测量干涉仪可以相对于彼此沿任何特定方向定向。光源模块以及数据采集和分析模块可以为多个测量干涉仪所共用。具有多个测量干涉仪允许同时进行多个不同的测量。如果需要精确测量系统的几个不同维度，这可能很有用——例如它们可以相对于彼此以任何特定方式定向。
(例如测量干涉仪中的反射器的)位移通常与测量光束和参考光束之间的光程差的变化成比例。在一组实施例中，干涉式位移测量装置用于测量光程差随时间的变化。因此，当光程差的变化已知时(根据装置进行的测量)，可以使用光程差的初始值来推断任何以后时间的光程差。光程差的初始值可以使用绝对距离测量干涉法来测量——例如频率扫描干涉法(FSI)。
如上所述，光源的光载波频率基本恒定。光源可以被设置成以中心频率输出光。在优选的一组实施例中，中心频率是绝对值已知的光载波频率(υc)，其不确定度小于期望的距离(或位移)测量不确定度。这有助于限制测量误差。
本领域技术人员将理解，在物理学中，术语“光”可以指任何波长的电磁辐射。因此，光源可以被设置为输出可以被光电探测器检测到的任何合适波长的光束——例如，波长范围在雷达和紫外光之间。在一组实施例中，光载波频率在近红外范围内——例如，大约1550nm(例如，±20％以内)。
在一组实施例中，光源包括激光源——例如近红外激光源。这可以允许该装置与高带宽光电探测器和负担得起的高质量激光器一起使用。然而，为了提供更好的分辨率，使用较小的波长而不是较大的波长可能是优选的，因为分辨率与光源的波长成反比。
优选地，电光调制器包括具有电压可调折射率的材料。在这样的电光调制器中，穿过材料的光的相位可能会经历变化的折射率，这根据调制电压来调制光束。输入到电光调制器中的光的强度和频率(例如，载波频率)优选地保持恒定。
相位调制电压有助于确保调制光束的光谱适合测量更大的距离范围。光谱可能受到进一步的限制，这可以改善无需调谐调制频率即可测量的距离范围。例如，在优选的一组实施例中，任何两个峰值频率(即，来自第一组频率峰值和第二组频率峰值)之间的差不小于由测量干涉仪内的运动引起的最大预期多普勒频移的一半。这里“预期”是指当反射器以干涉式位移测量装置被设计的最大容许速度vmax移动时可能发生的多普勒频移——即根据干涉式位移测量装置的已知极限。
在一组示例实施例中，体现本发明的装置可以容许的最大速度是大约1m/s。在一组实施例中，vmax＝1m/s的最大多普勒频移约为1.3MHz。可以以较低的最大运动速度(即小于最大容许速度)进行操作，从而提高测量分辨率。然而，降低速度限制并提高分辨率需要计算资源方面的“成本”(例如数据采集和分析模块中—例如FPGA)。
在一些实施例中，干涉式位移测量装置对具有相互锁相的频率峰值的测量光束和参考光束进行干涉。因此，干涉强度数据可以包括正弦振荡，其频率对应于任何一对峰值频率(即，来自第一组和第二组)之间的差。
通常，干涉强度数据包括在等于第一调制频率和第二调制频率的线性组合的频率(例如，其中j和h可以是任意整数，/>和/>是上面提到的两个调制频率)处的奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带。如果j+h是奇数整数，则干涉强度频带可以被认为是“奇数”，如果j+h是偶数整数，则干涉强度频带是“偶数”。因此，在一组实施例中，干涉强度数据包括多个奇数干涉强度频带和多个偶数干涉强度频带。
在一组实施例中，奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带是唯一的(或分离的)——即，使得没有奇数干涉强度频带落在偶数干涉强度频带上，反之亦然。这有助于数据采集和分析模块从干涉强度数据生成正交信号。这可以通过选择第一调制频率和第二调制频率使得j和h的所有奇数组合给出与j和h的所有偶数组合不同的频率来实现。
优选地，每个调制频率生成等效的频率间隔(例如，20MHz的调制频率生成20MHz的频率间隔)。因此，优选地，第一频率间隔等于第一调制频率，而第二频率间隔等于第二调制频率。
在常规的位移测量干涉仪中，装置能够容许(同时可靠地测量位移)的(例如测量干涉仪中的测量表面或反射器的)运动速度以两种方式收到的限制。
首先，现有干涉仪对强度数据进行采样的速率受限制限。因此，在一组实施例中，每四分之一波长的位移对干涉强度数据进行至少两次采样(通过光电探测器)。
其次，特别是对于相位调制技术，(例如测量干涉仪中的反射器的)最大可容许运动速度通常受到干涉强度数据(例如频谱)中干涉强度频带的峰值的频率间隔的限制。
在一组实施例中，位移是由测量表面(例如反射器)的运动引起的。如果干涉强度频带的峰值被选择为比由运动生成的多普勒频移的两倍更远，则这样的实施例可以提供能够以更高分辨率实时跟踪更快的对象的技术。
在一组实施例中，数据采集和分析模块包括低通滤波器。可以调整低通滤波器的通带以适应所需的最大运动速度—例如，如果所需的最大运动速度小于最大可容许运动速度。运动速度应理解为位移的变化率。例如，如果所需的最大运动速度小于最大可容许运动速度，则可以降低低通滤波器的通带，这提高了分辨率。
在一组实施例中，干涉式位移测量装置包括至少一个模数转换器(ADC)。可以通过增加ADC采样频率和调整调制频率来增加最大运动速度和/或最短可测量距离。
在一组优选实施例中，第一频率间隔和第二频率间隔均在时间上稳定(例如，基本上恒定)。优选地，它们的残余时间变化(如果有的话)是可用的或实时已知的——例如，在数据采集和分析模块内。这种残余时间变化可能是由采样时钟变化引起的，采样时钟变化通常是因为数据采集和分析模块(其也驱动调制器)中的主振荡器不完全稳定(例如，由于温度变化)而发生的。优选地，调制频率的频率变化和解调频率的频率变化是由公共时钟频率的变化引起的。这样的实施例有助于使干涉式位移测量装置对任何时钟变化不敏感。
在一组实施例中，两个频率间隔中较大的一个小于装置的(例如，数据采集和分析模块的，例如数据采集和分析模块的数字器的)奈奎斯特频率的一半。这有助于确保后面提到的由两个调制频率中较大的一个调制频率生成的干涉强度频带中的至少一个是均匀的。
第一频率间隔和第二频率间隔可以形成近无理数的比率。在这种情况下，术语“近无理数”用于描述不可约分数，它是两个具有多个数字的整数的比率—例如，每个至少三位数字。在一组实施例中，第一频率间隔(Δv1)和第二频率间隔(Δv2)是使得对于k>106(例如，对于k>109)其中k和n是整数。
如上所述，相位调制电压是第一频率间隔(或调制频率fm1)、第二频率间隔(或调制频率fm2)、第一调制深度(β1)和第二调制深度(β2)的时间相关函数。应当理解，更大的调制深度需要施加更大的相位调制电压幅度。在一组实施例中，相位调制电压V(t)采用形式Vmod(t)＝V1sin(2πfm1t)+V2sin(2πfm2t)，其中幅度V1和V2分别与β1和β2成比例。
第一调制深度、第二调制深度、第一调制频率和第二调制频率的选定值在本文中被称为调制方案。申请人已经确定了合适的调制方案，该调制方案生成具有其光谱具有根据本发明的实施例所描述的特性的调制光束。
当光程差(OPD)为零时，所有干涉强度频带(即来自干涉强度数据)始终为零。在最大可测量距离处也会出现类似的效果。在这个最大可测量距离处，所有干涉强度频带的和(例如功率和)将为零，除非调制频率的比率确实是无理数(这是不现实的)。在零与最大可测量距离之间的其他距离处，奇数干涉强度频带之和(例如奇数频带的功率之和)或偶数干涉强度频带之和(例如奇数干涉强度频带的功率之和)达到最小值，导致具有局部最大测量不确定度的位置/距离。
当OPD从零上升时，更高的调制频率可以允许所有干涉强度频带中的功率或强度更快地开始。因此，第一调制频率和第二调制频率中的较大者可以被选择为刚好低于最大允许调制频率。
为了最小化本发明可以在可接受的误差下起作用的距离，可以将调制频率之一选择为尽可能大，同时仍然生成低于奈奎斯特频率的至少一种谐波。在一组实施例中，根据该标准，两个调制频率中较大者的最大值可以是数据采集和分析模块的奈奎斯特频率的一半(例如30.6MHz)。例如，为了允许抗混叠滤波器滚降而不影响调制频率中较大者的一次谐波，在一组实施例中，两个调制频率中较大的一个被选择为低于最大值——例如，至少比最大值低2MHz，或者例如，比最大值至少低5％，或者例如，比所述最大值低至少由测量干涉仪内的运动引起的最大预期多普勒频移的一半。一旦确定了第一调制频率，就可以从光谱所需的标准推导出第二调制频率。因此，在一组实施例中，第一调制频率在27MHz和28MHz之间，例如27.778MHz，而第二调制频率在20MHz和21MHz之间，例如20.833MHz。
一旦选择了第一调制频率和第二调制频率，就可以确定第一调制深度和第二调制深度，以完成调制方案。在一个实施例中，可以使用网格搜索、改变第一调制深度和第二调制深度、然后检查期望的光程差(OPD)范围(即，距离范围)上的预期测量性能，来找到第一调制深度和第二调制深度的合适范围。可以针对特定标准来分析网格搜索。在一组实施例中，确定哪一个调制深度对(即，第一调制深度和第二调制深度)给出了优选地在最小距离和最大距离之间的距离处的最弱求和频带的(例如功率的)最高度量。最小距离可以是奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带(对于任何调制方案)的所述度量(例如功率之和)变得适当大以支持高质量测量的最短距离。
在一组实施例中，第一调制深度在1.5和1.8之间(即，1.5≤β1≤1.8)，而第二调制深度在1.5和1.8之间(即，1.5≤β2≤1.8)。例如，第一调制深度可以是1.7，第二调制深度可以是1.6。这些值已由申请人确定，以提供合适的干涉正交信号——例如，对于标称距离范围(例如，0.1m至45m，例如0.5m至44m)内的每个所述测量位移，给出足够强的奇数干涉强度频带之和(例如，其功率之和)和偶数干涉强度频带之和(例如，其功率之和。
在一组实施例中，确定调制方案，其中调制方案用于生成相位调制电压，相位调制电压用于调制从中导出测量光束和参考光束的光束。调制方案可以包括第一调制频率、第二调制频率、第一调制深度和第二调制深度。可以确定包括第一调制频率和第二调制频率的调制频率对。给定所述调制频率对，可以确定调制深度对，该调制深度对包括第一调制深度和第二调制深度。可以从多个调制深度对中为调制方案选择调制深度对。
可以确定表示来自多个光程差的奇数干涉强度频带的(例如预期的)功率之和的第一度量和表示偶数干涉强度频带的(例如预期的)功率之和的第二度量。在一组实施例中，对于每个调制深度对，确定第一度量中的较低者和第二度量中的较低者。从多个调制深度对中，可以选择给出所述较低度量的最大值的调制深度对。在一组优选实施例中，第一度量是在光程差的范围上确定的最低的第一度量，而第二度量是在光程差的范围上确定的最低的第二度量。优选地，所选择的调制深度对是调制方案中使用的调制深度对。
如上所述，为了实现根据第一方面布置的光谱，应当选择适当的调制方案。在一组实施例中，确定调制方案，其中该调制方案用于生成相位调制电压，相位调制电压用于调制从中导出测量光束和参考光束的光束；
其中，调制方案包括第一调制频率、第二调制频率、第一调制深度和第二调制深度；
其中，干涉式位移测量装置被设置为获得由测量光束与参考光束之间的干涉产生的干涉强度数据，干涉强度数据包括至少一个奇数强度带和至少一个偶数强度带，其中奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带出现在由给出的频率处，其中/>是第一调制频率，/>是第二调制频率，j和k均包括整数；以及其中，当j与h之和为奇数时，强度带为奇数强度带，并且其中，当j与h之和为偶数时，强度带为偶数强度带；
该方法包括：
确定包括第一调制频率和第二调制频率的调制频率对；
给定所述调制频率对，通过以下方式确定包括第一调制深度和第二调制深度的调制深度对：
对于多个调制深度对中的每一对：
对于多个光程差中的每一个：
评估多个调制深度对；
确定表示奇数干涉强度频带的功率之和的第一度量和表示偶数干涉强度频带的功率之和的第二度量；对于多个调制深度对中的每一对：
根据多个光程差确定表示奇数干涉强度频带的功率之和的最低第一度量和表示偶数干涉强度频带的功率之和的最低第二度量；以及
取表示奇数干涉强度频带的功率之和的最低第一度量和表示偶数干涉强度频带的功率之和的最低第二度量中的较低者，以及
选择多个调制深度对之一，其中所选择的调制深度对给出所述较低度量的最大值。
因此，可以通过确定第一调制频率和确定确定调制频率对的第二调制频率来确定调制方案。一旦选择了调制频率对，就可以确定相应的调制深度对，该调制深度对由第一调制深度和第二调制深度组成。通过针对多个调制深度对(即，调制深度是第一调制深度和第二调制深度的组合)的一定范围的光程差(OPD)(例如，从1m到88m)观察多个光程差处的偶数干涉强度频带之和与奇数干涉强度频带之和来选择调制深度对。
第一调制深度可以具有0和6之间的值，例如0.1和3之间的值。类似地，第二调制深度可以具有0和6之间的值，例如0.1和3之间的值。
所有多个光程差上的偶数干涉强度频带之和(例如功率之和)和奇数干涉强度频带之和(例如功率之和)中较小者，优选地具有任何给定调制深度对的最大值，用于要为调制方案选择的那个调制深度对。
因此，表示多个光程差的奇数干涉强度频带的功率的最低和的第一度量与表示多个光程差的偶数干涉强度频带的功率的最低和的第二度量中的较小者，对于每个调制深度对进行评估。这给出了多个较低的度量，选择其中最大的度量来使用，从而给出要为调制方案选择的调制深度对。
该调制方案选择过程本身可能是新颖且具有创造性的。因此，当从第二方面来看时，提供了一种确定在干涉式位移测量装置中使用的调制方案的方法；
其中，调制方案用于生成时变相位调制电压，时变相位调制电压用于调制从中导出测量光束和参考光束的光束；
其中，调制方案包括第一调制频率、第二调制频率、第一调制深度和第二调制深度；
其中，干涉式位移测量装置被设置为获得由测量光束和参考光束之间的干涉生成的干涉强度数据，干涉强度数据包括至少一个奇数频带和至少一个偶数频带，其中奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带出现在由给出的频率处，其中/>是第一调制频率，/>是第二调制频率，j和k均包括整数；以及其中，当j与h之和为奇数整数时，频带为奇数频带，并且其中，当j与h之和为偶数整数时，频带为偶数频带；
该方法包括：
确定包括第一调制频率和第二调制频率的调制频率对；
给定所述调制频率对，通过以下方式确定包括第一调制深度和第二调制深度的调制深度对：
对于多个调制深度对中的每一对：
对于多个光程差中的每一个：
评估多个调制深度对；
确定表示奇数干涉强度频带的功率之和的第一度量和表示偶数干涉强度频带的功率之和的第二度量；
对于多个调制深度对中的每一对：
根据多个光程差确定表示奇数干涉强度频带的功率之和的最低第一度量和表示偶数干涉强度频带的功率之和的最低第二度量；以及
取表示奇数干涉强度频带的功率之和的最低第一度量和表示偶数干涉强度频带的功率之和的最低第二度量中的较低者，以及
选择多个调制深度对之一，其中所选择的调制深度对给出所述较低度量的最大值。
在一组实施例中，例如当折射率为1时(即，在真空中)时，多个光程差的范围在大约1m和88m之间。
在一组实施例中，对于要选择的调制深度对，第一度量和第二度量中的每一个还必须大于对于多个光程差中的全部的阈值。在一组示例实施例中，其中所有干涉强度频带上的总功率被假设为一个功率单位，阈值可以是至少0.1个功率单位——例如至少0.16个功率单位。如果选择调制深度对，其中最低度量被确定为低于所述阈值，则可以相应地调整光程差的范围(例如，通过缩小或移动OPD的范围)。
上面描述了调制方案如何可以获得多个OPD(例如，在宽范围的OPD上)的良好位移测量。然而，有时可能需要测量较短OPD范围内的位移，例如具有更高的分辨率。因此，可以选择减小可测量位移的光程差范围的调制方案，例如，以提高分辨率。因此，在一些实施例中，当需要较小范围的距离或光程差时(例如仅对于光程差的子集)，可以针对该较小范围的光程差确定调制方案，例如以获得改进的分辨率。
相位调制电压的数字表示可以存储在数据采集和分析模块中，以供数据采集和分析模块使用。在一组实施例中，数据采集和分析模块向电光调制器提供相位调制电压——例如，经由数模转换器。
在一组实施例中，数据采集和分析模块包括现场可编程门阵列(FPGA)。这可以允许干涉式位移测量装置的用户使用某些控制参数对系统进行编程——例如与相位调制电压相关的参数。
在一组实施例中，数据采集和分析模块包括用于处理奇数干涉强度频带的第一(分析)路径和用于处理偶数干涉强度频带的第二(分析)路径。这意味着偶数干涉强度频带被处理(例如锁定放大)并与奇数干涉强度频带单独求和。这允许生成合适的干涉正交信号，根据该信号可以确定表示位移的度量(例如，测量光束和参考光束之间的光程差的变化)。
感兴趣的干涉强度频带(fj,h)可以通过锁定放大从干涉强度中提取—例如使用混频器和低通滤波器(针对每个各自的频带)。在一组实施例中，数据采集和分析模块包括多个锁定放大器，其中每个锁定放大器包括混频器和低通滤波器，混频器和低通滤波器被设置为通过锁定放大从干涉强度中提取感兴趣的频带(fj,h)。在这样的一组实施例中，从光电探测器接收的干涉强度信号被馈送到数据采集和分析模块。
在数据采集和分析模块中，多个锁定放大器提取感兴趣的频带。该信号通过混频器，在混频器中该信号与频率等于锁定放大器要提取的频带频率的乘法器信号混合(相乘)。每个混频器的输出可以被低通滤波。可以使用比例积分微分(PID)控制器来调整乘法器信号的相位，以最大化所提取的感兴趣频带的强度(例如，最大化低通滤波器的输出信号)。因此，PID控制器可用于调整乘法器信号的相位。
锁定放大生成的信号强度(S)(或功率)可具有以下形式：
其中k和l再次为整数，并且“奇数”等式在j+h＝odd(奇数)时成立，而偶数等式在j+h＝even(偶数)时成立。
在优选实施例中，为了确定表示位移的度量，分析(例如通过数据采集和分析模块)时间相关的干涉强度数据I(t)的频谱以构建干涉正交信号。
这种正交信号生成可以通过经由距离缓慢变化项(即，随距离缓慢变化的项)划分Sodd,j,h和Seven,j,h来实现，每当OPD改变半个波长时，可以通过信号处理提取一次该距离缓慢变化项。这可以生成：
和
其中Seven,norm和Sodd,norm现在形成(期望的)正交信号对。
从正交信号可以确定干涉相位这又允许提取以四分之一载波波长为模的光程差。可以监视干涉相位φint(在2π的每次变化中至少两次)以允许跟踪OPD的变化。
以这种方式，可以从干涉正交信号中提取表示位移的度量。例如，位移可以表示测量干涉仪的纵向尺寸的变化(或者光程长度的变化，例如x(t))，其可以从干涉正交信号中提取——例如根据计算：
其中Seven和Sodd分别是被求和和归一化的偶数干涉强度频带和奇数干涉强度频带，x0概括了当位移测量开始时在时间t＝0时光程差中半波长的整数数目。
可以以任何适当的方式分析干涉强度数据。在一组实施例中，在数据采集和分析模块中分析干涉强度数据。在一组实施例中，通过分析算法来确定表示位移的度量。分析算法可以在数据采集和分析模块中运行。
在一组实施例中，数据采集和分析模块被设置为执行用于根据时变干涉强度信号确定光程差的变化的分析算法，该分析算法包括：
接收时变干涉强度信号，所述时变干涉强度信号从在光电探测器处检测到的干涉导出，所述时变干涉强度信号包括多个奇数干涉强度频带和多个偶数干涉强度频带；
使用相应的锁定放大器提取每个奇数干涉强度频带；
对多个奇数干涉强度频带求和并归一化；
使用相应的锁定放大器提取每个偶数干涉强度频带，
对从锁定放大器输出的多个偶数干涉强度频带求和并归一化；
通过对奇数干涉强度频带的归一化和与偶数干涉强度频带的归一化和进行组合来生成正交信号；以及
根据所述正交信号计算光程差的变化。
这允许分析来自干涉式位移测量装置的信号，使得可以例如使用从光电探测器获得的干涉数据来监测测量光束和参考光束之间的光程差在时间上的变化。这样的实施例允许从多个干涉强度频带提取正交信号。这有助于使该技术在任何(例如，特殊)频率下对于噪声都是鲁棒的，并且允许更多的激光功率被用于信号重构(即，构造正交信号)。使用本发明，可以使用大的调制深度来给出期望的光谱(即，具有强的频率峰值幅度)。光也用两个调制频率调制。这意味着许多信号功率位于多个(例如九个)干涉强度频带中。在一组实施例中，总共有九个干涉强度频带。
在一组实施例中，分析算法还包括用于最大化来自锁定放大的频率(例如，提取的频率)的强度的比例积分微分(PID)控制器。
根据现有技术的位移技术无法应对干涉强度信号包络的快速或大的变化。当干涉仪用于诸如激光跟踪器或激光追踪器之类的跟踪设备时，经常会发生这种快速的包络变化。现有技术中运动跟踪反馈回路的缺陷导致从反射器返回的光量不可避免地发生强度变化。本发明的实施例更能容忍这种快速变化，因此可以帮助提供一种能够实时且以更高分辨率跟踪更快对象的技术。使本发明的实施例更能容忍这种快速变化的一方面是干涉强度数据(信号)被编码在多个干涉强度频带中，并且干涉强度信号被编码的频带与干涉强度变化的典型频率相比通常在高频下。另一方面，通过使用高动态范围ADC(例如16比特位)和/或在放大器上具有广泛可变的增益(例如，具有可调节高达60dB的可调增益)，可以进一步容忍干涉强度信号包络的大变化，以适应干涉强度信号包络的变化。
在适当的情况下，本文描述的任何方面或实施例的特征可以应用于本文描述的任何其他方面或实施例。当参考不同的实施例或实施例组时，应当理解，这些实施例不一定是不同的，而是可以重叠。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的装置；
图2示出了与图1所示实施例类似的装置的硬件功能框图；
图3示出了用于操作根据本发明实施例的装置的过程的流程图；
图4示出了两个灰度图，其展示了第一调制深度和第二调制深度的选择如何影响求和的偶数干涉强度频带和求和的奇数干涉强度频带的功率；
图5示出了与图4所示的图相对应的三维图；
图6示出了对于0.5m至44m的距离范围和一系列不同调制深度配对的求和偶数干涉强度频带与求和奇数干涉强度频带的最低功率的叠加图；
图7示出了图6的图的感兴趣区域；
图8示出了与图6类似的图，但最小距离更小(0.29m)；以及
图9示出了图8的图的感兴趣区域。
现在将描述用于测量测量光束与参考光束之间的光程差的变化的干涉式位移测量装置的实施例。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的干涉式位移测量装置100。图1所示的装置100用于通过确定测量光束和参考光束之间的光程差(OPD)的变化来测量具有零长度短臂的斐索干涉仪的绝对光程长度x(t)的变化。由装置100测量的位移可以例如由测量干涉仪103一端处的反射器110的移动引起。
虚线包围特定于一个测量“通道”119的元件。可以存在多个这些通道(例如119)，每个通道包括测量干涉仪103和单个高带宽光电探测器(例如光电二极管)111。干涉仪103和光电探测器111经由光纤分束器108和光纤115、117连接。虚线之外的所有其他元件对于许多这样的通道是共用的。图1中还示出了可选的功率监控光电探测器112。还示出了光源模块118(所有测量通道119共用)，其包括光源101和通过光纤114连接到光纤分束器108的调制器102。光源101通过光纤113连接至调制器102。
每个测量干涉仪103包括准直器109和回射器110。光电探测器111连接到所有测量通道119共用的数据采集和分析系统。数据采集和分析系统包括数据采集和分析模块105，数据采集和分析模块105连接到位移输出模块107，用于读出根据干涉强度数据获得的位移数据D(t)。装置100(根据干涉强度数据)计算出的位移数据D(t)可以由位移输出模块107经由A-Quad-B实时输出或经由PCIe总线扩展输出到PC。
图2示出了根据本发明实施例的装置200的硬件功能框图，类似于图1所示的装置100。在该示例中，激光201被输出到电光调制器202(该配对对应于图1的光源模块118)。调制器202经由数模转换器(DAC)206从现场可编程门阵列(FPGA)模块205接收调制电压Vmod(t)。调制器202将被调制光输出到测量干涉仪203。测量干涉仪203经由模数转换器(ADC)204将干涉强度数据输出到FPGA模块205。图1的FPGA模块205对应于图1的数据采集模块105。图2示出了在FPGA模块205处计算的位移数据被输出到RS422 A-quad-B输出装置207(对应于图1的位移输出模块107)。
图3更详细地示出了图2的FPGA模块205内部发生的用于获得位移数据的分析过程。图例表明：点划线或虚线表示初始参数设置；双线表示矢量信号(每次有多个值的信号)；实线表示实时信号；以及方框表示FPGA模块205中的计算块。
现在将参照图1、图2和图3解释图1所示的测量装置100和图2所示的测量装置200的操作。
为了照射测量干涉仪103、203，(多色)光源模块118生成多色调制光束。现在将描述光源模块118如何生成多色调制光束。
光源(例如激光源)101、201生成具有恒定频率(νc)的光束，该光束沿着光纤113传输到电光调制器102、202。光在电光调制器102、202处根据调制频率Vmod(t)被调制。调制光束包括在光电探测器111的灵敏度范围内的频率范围处具有峰值的边带。
调制光束经由光纤114被提供给每个测量通道(例如119)的光纤分束器108。在光纤分束器108和测量干涉仪103的准直器109之间延伸的另一光纤117提供调制光束给干涉仪103的准直器109。
来自光源模块118的一些多色光在参考表面(即，分束表面)处被反射回光电探测器111。该反射光形成参考光束。在该示例中，参考表面靠近准直器109——在“发射”光纤117的末端。穿过参考表面传输的光形成测量光束并被引导向回射器110。因此，测量光束行进比参考光束更远的光程长度——即，该更远的光程长度等于2x(t)，其中x(t)是参考表面(未示出)和回射器110之间的光程长度。测量光束行进的额外光程长度与行进的额外距离d有关，关系为x(t)＝ηd，其中η是介质的折射率。
测量光束150从光纤117的一端经由测量干涉仪103、203的一端处的准直器109向测量干涉仪103、203的另一端处的(例如角立方)回射器110传输。在回射器110处，反射的测量光束150b基本上平行于入射的调制光束150a的方向返回。
用单个高带宽光电探测器111检测干涉强度I(t)(在图1中示出为Iint(t))。图1示出了强度数据I(t)被输出到数据采集和分析模块105。如图2所示，强度数据I(t)经由ADC204被馈送到FPGA模块205。干涉强度I(t)的频谱被实时分析以构建干涉正交信号。干涉正交信号包括两个归一化的信号和。
第一个是由图3所示的算法块324a至328a从干涉强度信号中提取的“奇数”信号的归一化和。第二个是由图3所示的算法块324b至328b从干涉强度信号中提取的“偶数”信号的归一化和。如果j+h等于偶数整数，则认为信号为偶数；如果j+h等于奇数整数，则认为信号为奇数。处理块323a或323b中的信号的频率是
这两个归一化和被输入到计算卷绕位移(wrapped displacement)的正交位移提取块329。卷绕位移是图1和图2中激光101、201的四分之一波长的模位移。
该卷绕位移信号在期望的时间段内被“计数”或“积分”或“展开”。由此，可以明确地确定该时间段内发生的位移。稍后将更详细地解释干涉正交信号的构造的数学基础。
可选地，在附加光电探测器112处监测光源功率，以能够校正由功率波动引起的干涉强度I(t)的任何变化。如果对所用光源的功率稳定性有任何疑问，功率测量可有所帮助。
(多色)光源模块118的光学频谱包括频率均在光电二极管111的灵敏度范围内的两组等间隔的窄峰，其中：
i.两组光频率分别具有不同的频率间隔Δν1≠Δν2；
ii.两组的中心光频率相同，并称为νc；
Iii.vc是已知的绝对值，其不确定度小于所需的位移测量不确定度；
iv.频率间隔Δvi在时间上是稳定的，并且它们的剩余时间变化(如果有的话)通过数据采集和分析模块105内执行的分析算法是实时可用/已知的；
v.两个频率间隔Δv1和Δv2应形成近无理数的比率；
vi.由多色光源模块118发射的任何两个光频率之间的差值都不小于由测量干涉仪103、203中的回射器110的运动引起的任何光频率的最大预期多普勒频移的一半—(这里，“预期”是指当回射器以干涉测量装置100、200设计的最大可容许速度移动时发生的多普勒频移)；
vii.两组光频率中的所有光频率彼此锁相——这意味着任何两个光频率分量/峰值之间的所有相位差都是时间的周期函数；以及
viii.两个光频率间隔(Δv1或Δv2)中较大者低于用于记录干涉的数据采集和分析模块105的奈奎斯特频率vNyq(或更具体地，图2的ADC 204的奈奎斯特频率)的一半。
上述光谱可以通过向接收来自光源101、201的光束的电光调制器102、202施加相位调制电压Vmod(t)(有时称为V(t))来调制频率vc的光束来实现。
相位调制电压Vmod(t)从数据采集和分析模块105(或者如图2所示经由DAC 206从FPGA 205)被传送到电光调制器102、202。为了获得被调制光，利用具有已知且可追踪的绝对光频率vc的稳频激光源(即光源)101、201生成光束是重要的。
通过用以下形式的调制电压驱动电光调制器102、202来对光进行电光相位调制：
Vmod(t)＝V1sin(ωm1t)+V2sin(ωm2t)
其中，ωm1＝2πfm1＝2πΔv1和ωm2＝2πfm2＝2πΔv2是与上面指定的光频率间隔(Δv1，Δv2)相对应的圆形调制频率。
电光相位调制器102、202具有特定的调制效率并且如果其用电压Vi驱动则产生调制深度βi的相位调制。相位调制信号的调制深度β是通过定义未调制角频率ωc＝2πvc和相位φc的相位调制信号的幅度A(t)来抽象定义的，如下所示：
A(t)＝A0cos(ωct+φc+βsin(ωmt+φm))
其中ωm和φm是调制频率和相位，而A0是未调制波的幅度。
增加调制深度β会增加边带(频率峰值)的数量，这对调制光的光谱有很大贡献。因此，可以选择第一调制深度和第二调制深度(β1和β2)以及第一调制频率和第二调制频率(fm2和fm2)以生成本文描述的期望光谱。
以上述方式调制的电磁波的标量光振幅(电场的大小)，其从光源模块118(在时间t＝0)在介质中以光速c行进通过路径x，花费时间t，具有以下形式：
其中，Jk(β1)和Jl(β2)是第一类的两个调制深度β1和β2的第k贝塞尔函数和第l贝塞尔函数，k和l遍历所有整数。E0是未调制波的电场强度。
两个这样的被调制波Eref和Emeas在分束器(即“发射”光纤117的端部)处根据最初在光源模块118处生成的波而生成。这两个波在时间t处在光电探测器111(或光电二极管)上干涉。两个波都行进了共同的路径长度x0，并且测量波Emeas行进了额外的路径长度2x(t)(请注意，所有路径都被视为光程，它们是几何路径与所采用路径的介质的折射率的乘积)。参考波(参考光束)和测量波(测量光束)之间的光程差相当于2x(t)，并且其变化可以根据从干涉强度数据获得的干涉相位来计算。
装置100、200可以测量该光程差(OPD)的变化(例如随时间的变化)。这种干涉模式的标量强度是这两个振幅(Eref和Emeas)之和的平方，然后是时间平均(在光电探测器的响应时间内)。
现在将参照图3描述对由干涉测量装置100、200测量的干涉强度数据的分析。
具有多个频率分量(或峰值)的两个波的干涉都相对于彼此锁相，意味着干涉强度不会随时间恒定，而是会显示出正弦振荡，其频率对应于任何一对频率分量之间的差异。对应于两个光频率分量之和的干涉强度的振荡将以大约两倍光载波频率(vc)振荡。这些振荡确实非常快，并且将被探测器响应平均掉。下面显示了将存在于时间相关干涉强度中的频带的解析表达式。这些频带出现在以下频率：
其中，j和h遍历所有整数，和/>是上面提到的两个调制频率(但只考虑正的fj,h)。如果j+h＝odd(奇数)，则这些干涉强度频带被区分为“奇数”，或者如果j+h＝even(偶数)，则这些干涉强度频带被区分为“偶数”。
图3的流程图示出了奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带被分成两个单独的路径，即奇数路径和偶数路径。这表明它们可以分别求和和归一化，从而它们的归一化和可以用于构造正交信号。
锁定放大过程用于提取这些干涉强度频带中的每个的“强度”或“幅度”。锁定放大允许从噪声环境中提取特定频率和相位的选定信号分量。在图3中，锁定放大器包括混频器324a、324b、乘法器信号323a、323b、低通滤波器325a、325b以及比例-积分-微分(PID)控制器326a、326b。
干涉强度数据(I(t))被馈送到混频器324a、324b中。混频器324a、324b将每个强度信号(I(t))与正弦乘法器信号(参见图3的323a和323b)相乘，该正弦乘法器信号的频率等于锁定放大器应提取的频带的频率。乘法器信号具有相位φLIA,j,h。混频器324a、324b利用这些奇数和偶数正弦乘法器信号323a、323b。
在锁定放大之后，每个所得信号通过低通滤波器325a、325b。每个低通滤波器325a、325b的通带被设置为测量波在其被测量干涉仪103的移动回射器110反射期间可能引起的最大多普勒频移。
每个低通滤波器325a、325b的通带频率还必须小于任何强度带频率之间的差(fj,h)。乘法器信号相位φLIA,j,h由PID控制器326a、326b调谐到使低通滤波器325a、325b的输出信号最大化的值。
由这种锁定放大器提取的信号强度将快速正弦或余弦地依赖于具有光载波波长一半的短周期的OPD2x(t)。它们还通过在更长距离上随OPD缓慢变化的项进行调制，这些项是两个调制波长的线性组合。
由该锁定放大(在324a、324b处)生成的信号强度(S)具有以下数学形式：
/>
其中，其中k和l又是整数，如果j+h＝odd(奇数)则“奇”等式成立，如果j+h＝even(偶数)，则偶等式成立。
如果仅选择单个调制频率，与根据本发明的实施例的第一调制频率和第二调制频率相反，则缓慢项将在某些固定OPD值处变为零。这将使得不可能测量这些距离处的OPD变化，并且因此将限制装置100、200可以测量的可能距离的范围。然而，如果仔细选择调制频率(fm2和fm2)和调制深度(β1和β2)，则慢包络项通常不会同时全部变为零。
申请人已经确定了合适的调制方案，即一组频率和调制深度，其从距离>0.29m到大约44m的距离在包络项中不产生零(在距离＝0m时，这些项全部对于所有调制方案都消失)。然而，通过针对不同距离范围寻找最佳调制方案，可以改变调制方案。0.29m到44m的范围只是申请人已经为其确定了调制方案的一个特定范围，而不是可以为其进行的连续范围。
给定本文描述的实施例中使用的ADC(例如204)的采样速度和奈奎斯特频率，这些调制频率是可提取的。
可以通过对全部奇数信号求和(在327a处)和对全部偶数信号求和(在327b处)来提取正交信号。或者，可以从每个奇数和偶数对中提取正交信号。
根据该正交信号可以确定干涉相位这允许以四分之一载波波长为模来重建OPD。如果φint跟踪得足够快(每次2π的变化至少两次)，则可以连续测量OPD的变化。
这种正交信号生成是经由其缓慢变化项划分Sodd,j,h和Seven,j,h来实现的。每次OPD改变半个波长时，可以通过信号处理提取这些缓慢变化的项。该划分生成：
和
根据其，OPD模的变化被提取如下：
在上面的表达式中，项说明了来自正弦和余弦信号对的Sodd,norm和Seven,norm的潜在公共相位偏移，x0概括了OPD中半波长的未知整数。
上面已经描述了所得到的干涉强度的频谱。必须设计包括两个调制频率和调制深度的调制方案，以便生成这样的最佳干涉强度频谱。下面描述确定合适的调制方案的方法。
选择调制频率
为了生成合适的相位调制电压，需要确定第一调制频率(fm1)和第二调制频率(fm2)。需要合适的调制频率配对来生成满足以下标准的强度谱：
i.干涉强度谱中的频带(包括两个调制频率的谐波以及它们的和频和差频(即，)应均匀分布在整个可解析频率空间中，直至低于装置100、200(例如数字器)的奈奎斯特频率的一个最大多普勒频移，并且彼此间隔至少两倍的最大多普勒频移。这允许在相邻频带的多普勒分裂导致它们重叠或变得混叠之前发生最大(例如最大预期)量的多普勒频移。
高于奈奎斯特频率的频带将被混叠到基带中，但是，这些可以通过强大的抗混叠滤波器(AAF)来消除。抗混叠滤波器不仅必须消除基带中的混叠噪声，而且它还必须抑制大功率的频带，而不使奈奎斯特频率附近的相位失真。因此，建议将最大干涉强度频带频率保持在奈奎斯特频率减去最大多普勒频移以下，以允许滤波器滚降。从而放宽了对抗混叠滤波器的要求。
ii.干涉强度频带集中的频率(fj,h)必须是唯一的，即使得j和h的所有奇数组合给出的频率不同于j和h的所有偶数组合。这确保了奇数和偶数干涉强度频带可以被分离以供以后在正交信号生成中使用。换句话说，奇数干涉强度频带不得“落在”偶数干涉强度频带上。
iii.当OPD从零上升时，更高的调制频率允许在最低频带更快地启动功率。为了允许在最短距离处进行测量，调制频率之一应该尽可能大，同时仍然产生充分低于奈奎斯特频率的至少一个谐波(参见点i)。由于奈奎斯特频率为62.5MHz并且目标最大多普勒频移为1.3MHz(运动速度为1m/s)，因此两个调制频率中较大者的最大值为fmod-max＝(62.5-1.3)/2＝30.6MHz。为了允许抗混叠滤波器滚降而不影响第一谐波(例如27MHz)，第一调制频率被选择为低于该值(即，fm1～27MHz)。
iv.一旦选择fm1，上述标准可用于查找fm2～21MHz，它给出范围在3MHz–60MHz之间的20个频带，频率间隔为3MHz。
v.并非上述范围内的所有频率都将具有显著的且因此有用的幅度，因为j和h的多种组合可以对上述列表中的给定频率做出贡献，因此可以部分地相互抵消(例如，具有相反符号幅度)。抵消的严重程度还取决于调制深度(β1和β2)。下面解释了调制深度(其决定调制电压)的选择。
vi.对于21MHz和27MHz方案(以及如下所示的所选调制深度)，总共剩下9个有效频带。奇数频带以15MHz、21MHz、27MHz和33MHz为中心，偶数频带以6MHz、12MHz、42MHz、48MHz和54MHz为中心。
Vii.对于不同的调制频率对，抵销的效果可能截然不同。频带功率抵销的一个特别极端的例子是fmod-1＝30MHz和fmod-2＝18MHz。该对产生完美的频率间隔，但由于频率通过简单分数(5/3)彼此相关，因此该对导致显著的交叉抵消，并因此在大多数距离上产生更差的正交信号。
选择调制深度
给定一定的调制频率对(例如fm1～27MHz和fm2～21MHz)，选择一调制深度对，该调制深度对在最小距离(例如0.4m)和最大距离(例如44m)之间的任意位置生成合适的正交信号—，例如，给出了干涉式测量装置100、200在大约0.4m和44m之间的标称距离范围。
有助于确定任何给定调制深度对是否生成合适的正交信号的两个感兴趣的变量是所有奇数干涉强度带的和以及所有偶数干涉强度带的和。申请人已经评估了标称距离范围(例如0.4m至44m)内所有距离的这些和。对于任何给定的对(β1，β2)，记录标称距离范围内出现的最小奇数和和偶数和。然后将这些最小的和绘制为(β1，β2)的函数。图4和图5示出了β1和β2的范围(即0到3之间)的这些图。
特别是，图4示出了对于范围从0.5m到44m的距离的偶数频带(左)和奇数频带(右)的最低频率功率和的图。从图的轴线可以看出β1和β2的不同值如何影响最弱频带的功率。该图以灰度显示。每个图的较亮区表示高功率和的区域，而较暗区表示低功率和的区域。
图5示出了图4中所示2维图的3维视图。与图4类似，图5示出了对于相同范围的OPD的偶数频带(左)和奇数频带(右)的最低功率和的图。可以看出，与奇数频带和相比，偶数频带和给出的功率值通常更低，如图5中绘图的垂直范围所示。
图6示出了偶数和奇数干涉强度频带功率的最弱和与图4和图5中所示的枚举调制深度对(β1，β2)的一维表示。
图6的图表示出了考虑从0.5m到44m的距离范围，以0.1间隔步进的0.1和3之间所有β1和β2组合的最小频带功率和(慢项)。在图6至9中，“距离”是测量干涉仪的长度—例如，测量干涉仪中分束器和反射器之间的距离，其大约为光程差的一半。
图7显示了图6的图表，但放大到了感兴趣的区域，其中奇数频带和偶数频带的最小频带功率中较小的一个在所有调制深度对中是最大的。这对应于对于0.5m至44m的给定距离范围的优选调制深度对β1＝1.7和β2＝1.6。
图8类似地示出了与图6相同的变量，但距离范围从0.29m开始延伸到44m。图9示出了图7的图表，但放大到了感兴趣的区域，其中奇数频带和偶数频带的最小频带功率中较小的一个是最大的。这对应于对于0.29m至44m的给定距离范围的优选调制深度对β1＝1.7和β2＝1.7。
在图6和图8中，调制深度(β1,β2)对枚举枚举了图4和图5中的所有点，从对应于行中的对号1(β1变化快)的左下角(β1＝0,β2＝0)开始，直到右上角(β1＝3,β2＝3)。如上所述，图7和图9分别示出了图6和图8的感兴趣区域的放大图。在这种形式中，更容易看到实线(奇数)和虚线(偶数)曲线的交点，并找到显示所有奇数和偶数求和频带功率对中较弱求和频带功率最大的区域的(β1，β2)对。
表1(下面)与图6和图7相关，表2与图8和图9相关。表1和表2分别示出了由申请人确定的优选调制深度对(β1，β2)，以给出他们各自的距离范围的最佳结果。这些表还显示了最弱的奇数或偶数干涉强度频带功率和出现的距离以及该功率的值。在这些表中，功率值均相对于原始未调制光束的输入功率(因此不需要单位)。此外，调制深度是无量纲参数，不需要单位。
表1：对应于图6和7中的β对496的信息，其是距离范围0.5m至44m的优选对。请注意，偶数频带功率和最弱出现在大约22.2m处。假设所有频带的总功率为一个功率单位。
由于正交信号要求偶数频带和与奇数频带和都很强，因此有必要找到奇数图和偶数图都显示更大功率值的区域。从图4和图5可以看出，该区域近似由1.5≤β1≤1.8和1.5≤β2≤1.8给出。图7和图9更清楚地显示了将准确找到最佳调制深度值的位置。因此，申请人已确定这给出了调制深度对的合适范围——对于0.5m至44m的距离范围，所选择的调制深度为β1＝1.7和β2＝1.6。这一选择的结果如表1所示，其给出了在11.11m的距离处最弱奇数频带功率和为0.20614，在22.215m的距离处最弱偶数频带功率和为0.16023。当针对具有较短最小距离0.29m的距离范围评估调制方案时，出现不同的调制方案。下表2中列出了优选的调制深度和性能数据。
表2：对应于图8和图9中的β对497的信息，其是距离范围0.29m至44m的优选对。请注意，最弱的偶数频带功率和现在出现在0.29m的最小距离处。对于任何小于或等于0.29m的最小距离，最弱偶数距离将始终是最小距离，并且偶数频带和中的最小功率将持续下降。假设所有频带的总功率为一个功率单位。
因此，本发明的实施例可以允许多个测量干涉仪—具有不同的长度—的同时位移测量。可与本发明一起使用的测量干涉仪的数量可能仅受到例如经由光纤放大器可被提供的激光功率的量的限制。
本文描述的测量技术可以具有小于或等于1微秒的低延迟；位移更新的高重复率大于或等于10MHz；每米约10-8m左右的高绝对精度；以及低于100nm的低RMS位移噪声。根据本发明的实施例可以允许高通道密度(单个微TCA AMC+RTM槽中12个通道)。位移数据可以经由A-Quad-B实时输出或经由PCIe总线扩展输出到PC。预计通道数将具有强大的可扩展性，即单个19英寸机架中有实时输出的多达60个通道，或者单个19英寸机架中具有到PC的PCIe数据传送的144个通道。
实现本发明所需的组件，即光学硬件，与测量绝对距离(而不是位移)的前体频率扫描干涉法(FSI)技术(例如Absolute multilineTM)兼容，并且可以从匹配精度的绝对OPD测量开始。这可以帮助测量OPD变化的本发明在任何给定时间计算准确的绝对OPD。
存在最小距离，在该最小距离之下，最低的偶数频带功率和降到0.1的设置阈值之下，例如在大约23cm处。类似地，存在所选调制方案将被中断的最大距离(例如，大约45m)。为了使更大的距离成为可能，要么通过选择对于更长距离更优化的调制频率来折衷最短的可能距离，要么必须提高ADC的采样速度，从而允许两个调制频率中更快的一个被增加，因此更大间隔的更多频带是可测量的。

Claims (30)

1.一种干涉式位移测量装置，包括：
至少一个测量干涉仪，用于测量测量光束与参考光束之间的光程差的变化，所述参考光束和所述测量光束具有由所述测量干涉仪的纵向尺寸确定的光程差，所述光程差的变化由相应的位移引起，其中所述至少一个测量干涉仪包括光电探测器，所述光电探测器用于检测所述测量光束与所述参考光束的干涉；
数据采集和分析模块，设置为接收来自所述光电探测器的干涉强度数据；以及
光源模块，包括：
光源，设置为输出具有基本恒定的光学载波频率的光；以及
电光调制器，设置为调制从所述光源输出的所述光；
其中，所述光源模块被设置为生成调制光束，所述测量光束和所述参考光束是从所述调制光束导出的；以及
其中，所述调制光束的光谱包括：
具有第一频率间隔的第一组等间隔频率峰值，其中所述第一组中的频率峰值的数量、位置和功率是第一调制频率和第一调制深度的函数，以及其中所述第一组以中心频率为中心；以及
具有第二频率间隔的第二组等间隔频率峰值，其中所述第二组中的频率峰值的数量、位置和功率是第二调制频率和第二调制深度的函数，以及其中所述第二组以与所述第一组相同的中心频率为中心；
其中，所述第一频率间隔与所述第二频率间隔不同，并且所述第一组的频率峰值和所述第二组的频率峰值彼此锁相；
其中，所述电光调制器被设置为由相位调制电压驱动，所述相位调制电压使所述电光调制器生成来自所述光源的光谱，其中所述相位调制电压是所述第一调制频率、所述第二调制频率、所述第一调制深度和所述第二调制深度的时间相关函数，所述第一调制频率确定所述第一频率间隔，而所述第二调制频率确定所述第二频率间隔；以及
其中，所述数据采集和分析模块被设置为使用从所述光电探测器接收的所述干涉强度数据来确定表示所述位移的度量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源经由一个或更多个光纤连接至所述至少一个测量干涉仪。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，表示所述位移的所述度量是所述参考光束与所述测量光束之间的所述光程差的变化。
4.根据任一前述权利要求所述的装置，所述至少一个测量干涉仪包括远端和近端以及限定所述远端的反射器。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，表示所述位移的所述度量是所述反射器的位移。
6.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述测量干涉仪包括分束器，所述分束器包括分束表面，所述分束表面设置成将所述调制光束分成所述测量光束和所述参考光束的。
7.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述测量干涉仪包括邻近所述近端的准直器。
8.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述至少一个测量干涉仪是斐索干涉仪。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述至少一个测量干涉仪包括相应的光纤、相应的分束器和相应的反射器。
10.根据任一前述权利要求所述的装置，包括分别具有不同的纵向尺寸的多个测量干涉仪。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述光源模块以及所述数据采集和分析模块为所述多个测量干涉仪所共用。
12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述光源被设置为输出以中心频率为中心的光，所述中心频率以绝对值已知，且不确定度小于期望的位移测量不确定度。
13.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述光源包括近红外激光源。
14.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，来自所述第一组频率峰值和所述第二组频率峰值的任意两个频率峰值频率之间的差不小于由所述测量干涉仪内的运动引起的最大预期多普勒频移的一半。
15.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述干涉强度数据包括多个奇数干涉强度频带和多个偶数干涉强度频带。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述多个奇数干涉强度频带和所述多个偶数干涉强度频带以频率为中心，其中j和h是任意整数，/>是所述第一调制频率，/>是所述第二调制频率，并且其中，如果j+h等于奇数整数，则干涉强度频带为奇数，如果j+h等于偶数整数，则所述干涉强度频带为偶数。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，j和h的所有奇数组合给出与j和h的所有偶数组合不同的频率fj,h。
18.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述数据采集和分析模块包括低通滤波器，所述低通滤波器具有被调整以适合所需的最大运动速度的通带。
19.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述第一频率间隔和所述第二频率间隔每个均在时间上基本上恒定。
20.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述第一频率间隔(Δv1)和第二频率间隔(Δv2)为使得对于k>106，其中k和n是整数。
21.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述相位调制电压与β1sin(2πfm1t)+β2sin(2πfm2t)成比例，其中，是所述第一频率间隔(或调制频率)，/>是所述第二频率间隔(或调制频率)，β1是所述第一调制深度，β2是所述第二调制深度。
22.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述两个调制频率中较大者的最大值是所述数据采集和分析模块的奈奎斯特频率的一半；以及
其中，所述第一调制频率和所述第二调制频率中的较大者被选择为比所述最大值低至少5％，或者被选择为比所述最大值低由所述测量干涉仪内的运动引起的所述最大预期多普勒频移的至少一半，
其中，在选择所述第一调制频率和所述第二调制频率中的较大者之后，选择所述第一调制频率和所述第二调制频率中的较小者，以产生所述光谱的特征。
23.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述第一调制深度在1.5与1.8之间，而所述第二调制深度在1.5与1.8之间。
24.根据任一前述权利要求所述的装置，被设置为存储调制方案，其中所述调制方案被用于生成所述相位调制电压；
其中，所述调制方案包括所述第一调制频率、所述第二调制频率、所述第一调制深度和所述第二调制深度；
其中，所述干涉式位移测量装置被设置为获得由所述测量光束与所述参考光束之间的干涉产生的干涉强度数据，所述干涉强度数据包括至少一个奇数强度带和至少一个偶数强度带，其中所述奇数干涉强度频带和偶数干涉强度频带出现在由给出的频率处，其中/>是所述第一调制频率，/>是所述第二调制频率，j和k均包括整数；以及其中，当j与h之和为奇数整数时，强度带为奇数强度带，以及其中，当j与h之和为偶数整数时，强度带为偶数强度带；
所述方法包括：
确定包括所述第一调制频率和所述第二调制频率的调制频率对；
在给定所述调制频率对的情况下，通过以下方式确定包括所述第一调制深度和所述第二调制深度的调制深度对：
对于多个调制深度对中的每一对，其中所述第一调制深度的调制深度在0和6之间，所述第二调制深度的调制深度在0和6之间；
对于多个光程差中的每一个：
评估所述多个调制深度对；
确定表示所述奇数干涉强度频带的功率之和的第一度量和表示所述偶数干涉强度频带的功率之和的第二度量；
对于所述多个调制深度对中的每一对：
根据所述多个光程差确定表示所述奇数干涉强度频带的功率之和的最低第一度量和表示所述偶数干涉强度频带的功率之和的最低第二度量；以及
取表示所述奇数干涉强度频带的功率之和的所述最低第一度量和表示所述偶数干涉强度频带的功率之和的所述最低第二度量中的较低者，以及
选择所述多个调制深度对之一，其中所选择的调制深度对给出所述较低度量的最大值。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述多个光程差的范围在约1m与88m之间。
26.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述数据采集和分析模块向所述电光调制器提供所述相位调制电压。
27.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述数据采集和分析模块包括现场可编程门阵列(FPGA)。
28.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述数据采集和分析模块被设置为执行用于根据时变干涉强度信号确定光程差的变化的分析算法，所述分析算法包括：
接收时变干涉强度信号，所述时变干涉强度信号是从在光电探测器处检测到的干涉导出的，所述时变干涉强度信号包括多个奇数干涉强度频带和多个偶数干涉强度频带；
使用相应的锁定放大器来提取每个奇数干涉强度频带；
对所述多个奇数干涉强度频带求和并归一化；
使用相应的锁定放大器来提取每个偶数干涉强度频带；
对从所述锁定放大器输出的所述多个偶数干涉强度频带求和并归一化；
通过对所述奇数干涉强度频带的归一化和与所述偶数干涉强度频带的归一化和进行组合来生成干涉式正交信号；以及
根据所述干涉式正交信号计算所述光程差的变化。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述分析算法还包括使用比例-积分-微分控制器来最大化从各个锁定放大器输出的所述奇数干涉强度频带和所述偶数干涉强度频带的功率。
30.一种确定用于干涉式位移测量装置的调制方案的方法；
其中，所述调制方案用于生成时变相位调制电压，所述时变相位调制电压用于调制从中导出测量光束和参考光束的光束；
其中，所述调制方案包括第一调制频率、第二调制频率、第一调制深度和第二调制深度；
其中，所述干涉式位移测量装置被设置为获得由所述测量光束与所述参考光束之间的干涉产生的干涉强度数据，所述干涉强度数据包括至少一个奇数带和至少一个偶数带，其中所述奇数干涉强度频带和所述偶数干涉强度频带出现在由给出的频率处，其中/>是所述第一调制频率，/>是所述第二调制频率，j和k均包括整数；以及其中，当j与h之和为奇数整数时，带为奇数带，以及其中，当j与h之和为偶数整数时，带为偶数带；
所述方法包括：
确定包括所述第一调制频率和所述第二调制频率的调制频率对；
在给定所述调制频率对的情况下，通过以下方式确定包括所述第一调制深度和所述第二调制深度的调制深度对：
对于多个调制深度对中的每一对，其中所述第一调制深度的调制深度在0和6之间，所述第二调制深度的调制深度在0和6之间；
对于多个光程差中的每一个：
评估所述多个调制深度对；
确定表示所述奇数干涉强度频带的功率之和的第一度量和表示所述偶数干涉强度频带的功率之和的第二度量；
对于所述多个调制深度对中的每一对：
根据所述多个光程差确定表示所述奇数干涉强度频带的功率之和的最低第一度量和表示所述偶数干涉强度频带的功率之和的最低第二度量；以及
取表示所述奇数干涉强度频带的功率之和的所述最低第一度量和表示所述偶数干涉强度频带的功率之和的所述最低第二度量中的较低者，以及
选择所述多个调制深度对之一，其中所选择的调制深度对给出所述较低度量的最大值。
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