CN210803717U

CN210803717U - 一种基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置

Info

Publication number: CN210803717U
Application number: CN201921336617.5U
Authority: CN
Inventors: 梁浴榕; 李润兵; 王谨; 詹明生
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2029-08-16

Abstract

本实用新型公开了一种基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置，涉及激光干涉精密测量和数字信号处理领域。本装置包括待测物体(40)，设置有信号源(10)、数字解调电路(20)和外差激光干涉仪(30)；信号源(10)与外差激光干涉仪(20)连接，用于调制激光频率和驱动声光移频器；信号源(10)同时与数字解调电路(30)连接，用于提供参考信号；外差激光干涉仪(20)与待测物体(40)连通，用于产生激光干涉拍频信号；外差激光干涉仪(20)与数字解调电路(30)连接，用于提供拍频信号。本实用新型适用于激光测距的精密测量领域，可用于改善测距精度指标、以及制作高精度测量距离和位移的传感器件。

Description

一种基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置

技术领域

本实用新型涉及激光干涉精密测量和数字信号处理领域，尤其涉及一种基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置，适用于激光测距的精密测量领域，同时也可用于制作高精度测量距离和位移的传感器件。

背景技术

精密测量长度或者距离在前沿基础应用、工业和航空制造以及空间工程等领域具有极为重要的意义。随着航空技术、卫星编队飞行、深空探测成像以及高端制造技术的快速发展，对大尺度空间精密测量的需求越来越迫切，主要指标要求体现在大尺度/距离、高精度和快速响应，需要距离测量的范围从几米到几百万公里，测量的精度从微米到米量级。

激光干涉仪是卫星地球重力场测量、空间引力波探测等计划中的关键装置之一，它通过测量两束激光的拍频信号的相位来获取两颗卫星的相对位移，精度达到纳米甚至皮米量级。时间延迟干涉测量方法可以抑制激光器频率噪声对位移测量的影响，其中关键技术之一是测量相距百万公里的两颗卫星之间的绝对距离，测量精度需要达到米量级。

目前，在该领域同时测量绝对距离和相对位移，需要高精度的外差激光干涉仪来测量相对位移，同时结合伪随机码测距和深空网来测量绝对距离。伪随机码测距的精度可达亚米量级，量程约为几百公里；深空网测距量程可达百万公里量级，测距精度约为米至千米量级。现有技术在同时测量绝对距离和相对位移时还存在测量装置众多、复杂的缺点。因此实现同时高精度测量绝对距离和相对位移，是方法或者技术上的挑战。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置，具有方法易行，测量精度高等特点。通过对外差激光干涉仪中的激光频率做正弦调制、再利用数字解调电路实现同时获取距离和位移数据，克服了现有技术同时测量绝对距离和相对位移的装置众多且复杂的困难。

一、基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置(简称装置)

本装置包括待测物体，设置有信号源、外差激光干涉仪和数字解调电路；

信号源与外差激光干涉仪连接，用于调制激光频率和驱动声光移频器；信号源同时与数字解调电路连接，用于提供参考信号；外差激光干涉仪与待测物体连通，用于产生激光干涉拍频信号；外差激光干涉仪与数字解调电路连接，用于提供拍频信号。

二、基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①来自于信号源的参考信号fr，与来自于外差激光干涉仪的拍频信号fh，分别被第1模数转换电路和第2模数转换电路采集后转换为数字信号；

②上述数字信号经过FPGA电路中的数字锁相环做相位解调运算，得到参考信号fr和拍频信号fh的相位；相位作减法后得到相位差数据，该数据的变化反映了待测物体的相对位移Δx；

③数字锁相环同时解调拍频信号fh的频率；频率数据再通过幅度解调数据处理之后，得到频率的正弦幅度数据，该数据反映了待测物体的距离L；

④相位差数据、频率正弦变化的幅度数据经过降采样滤波器处理后，再通过串口通讯传送至计算机进行图形显示与存储。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1)锁相环时钟、数字锁相环、幅度解调、降采样滤波器以及数控振荡器均基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片实现。

2)数控振荡器、数模转换电路及滤波放大电路可用于替代信号源，此时参考信号直接为数控振荡信号，而不需要经过模数转换电路，减少模数转换硬件电路及其引入的噪声。

3)由于对外差激光干涉仪中的激光频率做正弦调制，利用数字锁相环解调拍频信号的相位和频率，相位数据的直流分量的变化可以反映位移，进一步通过幅度解调数据处理提取频率数据的交流分量的幅值，可以同时得到距离数据；位移测量结果具有测量精度高、且溯源至激光频率的优点，可以将距离数据标定至位移数据，有利于改善距离测量的精度。

本实用新型适用于激光测距的精密测量领域，可用于改善测距精度指标、以及制作高精度测量距离和位移的传感器件。

附图说明

图1为本装置的结构方框图；

图2为外差激光干涉仪20的光路图；

图3为数字解调电路30的电原理图。

其中：

10—信号源；

20—外差激光干涉仪，

21—激光器，22—功率放大器，23—声光移频器(AOFS)，

241—第1反射镜，242—第2反射镜，243—第3反射镜，

25—偏振分束器(PBS)，26—消偏振分束器(BS),

27—λ/2波片，28—λ/4波片，29—光电探测器(PD)；

30—数字解调电路，

31—参考时钟，

321—第1模数转换电路，322—第2模数转换电路，

33—FPGA电路，34—串口通讯，35—计算机，36—数模转换电路，

37—滤波放大电路；

40—待测物体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括待测物体40，设置有信号源10、外差激光干涉仪20和数字解调电路30；

其连接关系是：

信号源10与外差激光干涉仪20连接，用于调制激光频率和驱动声光移频器；信号源10同时与数字解调电路30连接，用于提供参考信号；外差激光干涉仪20与待测物体40连通，用于产生激光干涉拍频信号；外差激光干涉仪20与数字解调电路30连接，用于提供拍频信号。

2、功能单元

1)信号源10

信号源10需要输出3路正弦信号，且输出信号的频率不小于100MHz。

2)外差激光干涉仪20

如图2，外差激光干涉仪20包括激光器21、功率放大器22、声光移频器(AOFS)23、第1反射镜241、第2反射镜242和第3反射镜243、偏振分束器(PBS)25、消偏振分束器(BS)26、λ/2波片27、λ/4波片28和光电探测器(PD)29；

其关系是：

信号源10分别与激光器21、功率放大器22和数字解调电路30连接，功率放大器22和声光移频器23连接，光电探测器29和数字解调电路30连接；

激光器21、第1反射镜241和声光移频器23依次连通；激光透过声光移频器23后产生零级光和一级光；一级光、第2反射镜242、第3反射镜243、消偏振分束器26和光电探测器29依次连通；零级光、λ/2波片27、偏振分束器25、λ/4波片28和待测物体40依次连通；从待测物体40反射的激光、λ/4波片28、偏振分束器25、消偏振分束器26和光电探测器29依次连通。

(1)激光器21

激光器21的波长选用1064nm；激光器21的相干长度必须大于待测距离，激光的相干长度越大，则要求激光器的线宽越窄；例如，待测距离的范围为1km，则激光器的线宽需小于100kHz；激光器具备频率调谐功能，调制频率大于1kHz，调制深度大于1GHz。

(2)功率放大器22

功率放大器输出1～2W的射频信号，驱动声光移频器23产生一级光，射频信号的频率选在声光移频器23的中心频率附近。

(3)声光移频器23

声光移频器23的中心频率为80MHz；激光通过声光移频器23后，产生零级光与一级衍射光。

(4)第1反射镜241、第2反射镜242和第3反射镜243

反射镜需要镀增透膜，入射角为45度。

(5)偏振分束器25

偏振分束器25需要镀增透膜；激光经过偏振分束器25后，水平偏振的激光分量反射，垂直偏振的激光分量透射。

(6)消偏振分束器26

消偏振分束器26需要镀增透膜；激光经过分光比为50:50的消偏振分束器26后，激光功率的50％反射、50％透射；

(7)λ/2波片27

λ/2波片需要镀增透膜；λ是指激光的波长，选择与激光波长相匹配的零级波片；激光通过λ/2波片之后，激光的偏振方向发生改变。

(8)λ/4波片28

λ/4波片需要镀增透膜；λ是指激光的波长，可以选择与激光波长相匹配的零级波片；激光通过λ/4波片之后，激光的偏振态发生改变。

(9)光电探测器29；

光电探测器29将光信号转化为电信号，其带宽要求大于100MHz，电信号经过放大电路处理后，输出交流信号的幅度约为1Vpp。

其工作机理是：

信号源10产生3路正弦信号，第1路输出正弦信号(fm＝1kHz)连接至激光器21的频率调制端口，用于调制激光的频率；第2路(fd＝80MHz)连接至功率放大器22，用于驱动声光移频器23；第3路(fr＝fd)连接至数字解调电路30，作为测量拍频信号时的参考信号。

激光器21出射的激光通过第1反射镜241调整光束入射到声光移频器23的入射角，激光透过声光移频器23后产生零级光和一级光；零级光与入射激光的频率相同，一级光与零级光的频率差为fd；一级光经过第2反射镜242和第3反射镜243后到达消偏振分束器26；零级光依次透过λ/2波片27、偏振分束器25、λ/4波片28后到达待测物体40的表面被反射，返回至偏振分束器25；旋转λ/4波片的方向，使返回的激光经过偏振分束器25后反射至消偏振分束器26；零级光与一级光经过上述不同的臂长后，通过消偏振分束器26合束至光电探测器29，得到干涉拍频信号fh；将拍频信号fh与参考信号fr输入至数字解调电路30后，同时输出位移和距离的数据。

拍频信号fh与参考信号fr的相位差可以表示为：Δφ＝4πνnL/c；

其中，激光的频率为ν，真空中的光速为c，传播光束的介质折射率为n；定义待测物体的零点位置为R，该位置使得激光干涉仪的两个臂长差等于零；实测距离L为待测物体的实际位置T相对于零点位置R的距离；如果对激光频率做正弦调制，激光频率就可以写为：ν＝ν0+Δf·sin(2πfm·t)，其中ν0为激光的初始频率，Δf为频率调制的幅度，fm为调制频率；此时，数字解调电路测量得到的相位差可以写为：

Δφ＝4πν0nL/c+4πΔf·nL/c·sin(2πfm·t)＝φ_DC+φ_AC

第1项φ_DC(相位的直流量)的变化反映了待测物体的位移Δx，第2项φ_AC(相位的交流量)的幅度正比于距离L和频率调制幅度Δf的乘积；在已知频率调制幅度Δf的前提条件下，可以由φ_AC的幅度计算得到距离L的数值。

3)数字解调电路30

如图3，数字解调电路30包括参考时钟31、第1模数转换电路321、第2模数转换电路322、FPGA电路33、串口通讯34、计算机35、数模转换电路36和滤波放大电路37；

其连接关系是：

信号源10、第1模数转换电路321和FPGA电路33依次连接，外差激光干涉仪20、第2模数转换电路321和FPGA电路33依次连接；参考时钟31和FPGA电路33的时钟连接；FPGA电路33的时钟分别和第1模数转换电路321、第2模数转换电路322连接；FPGA电路33、串口通讯34和计算机35依次连接；FPGA电路33、数模转换电路36和滤波放大电路37依次连接。

(1)参考时钟31

参考时钟选用10MHz或者50MHz的晶振。

(2)第1模数转换电路321和第2模数转换电路322

第1模数转换电路321和第2模数转换电路322的模拟输入带宽大于100MHz，模数转换器的位数为12～16bits。

(3)FPGA电路33

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在FPGA电路中，通过软件实现锁相环时钟、数字锁相环、幅度解调、降采样滤波器、串口数据传输、以及数控振荡器的功能。

(4)串口通讯34

串口通讯选用RS232或RS485芯片，波特率设置为115200bps。

(5)计算机35

计算机用于接收串口通讯发送的数据，并将数据进行图形显示与存储。

(6)数模转换电路36

将FPGA电路中的数控振荡器转换为模拟信号；数据更新率为声光移频器驱动频率的2倍，数据位宽为14～16bits。

(7)滤波放大电路37

滤波电路为带通滤波电路，其中心频率设置为声光移频器的驱动频率；放大电路的带宽为100MHz；数控振荡器、数模转换电路及滤波放大电路可用于替代信号源10。

其工作机理是：

信号源10输出的参考信号fr连接至第1模数转换电路321，外差激光干涉电路20输出的拍频信号fh连接至第2模数转换电路322，参考信号fr和拍频信号fh被模数转换电路采集后转换为数字信号；参考时钟31连接至FPGA电路33的锁相环时钟，产生FPGA电路33所需的工作时钟、以及第1模数转换电路321和第2模数转换电路322所需的编码时钟；FPGA电路33中的数字锁相环解调参考信号fr和拍频信号fh的相位，通过其相位差可以计算得到相对位移Δx；同时，数字锁相环对拍频信号fh进行频率解调，如果对激光频率做频率为fm正弦调制，解调的频率数据中就会存在频率为fm的正弦信号，该信号的幅度正比于外差激光干涉仪20的臂长差；据前述相位交流量φ_AC的表达式，从原理上可以直接解调相位数据在调制频率fm处的变化幅度，从而得到待测物体40相对于零点位置R的距离L；但是，由于相位差数据存在未知的直流量和漂移、并且无法实时扣除，因此本实用新型采用数字锁相环先解调拍频信号的频率，频率数据经过幅度解调后，得到频率数据在fm频率处的变化幅度，再将该幅度数据乘以调制频率fm就可以得到相位的交流量，最终可以计算得到待测物体40相对于零点位置R的距离L。

4)待测物体40

待测物体40的反射表面需要光滑平整，具有较高的反射率。

Claims

1.一种基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置，包括待测物体(40)，其特征在于：

设置有信号源(10)、外差激光干涉仪(20)和数字解调电路(30)；

其连接关系是：

信号源(10)与外差激光干涉仪(20)连接，用于调制激光频率和驱动声光移频器；信号源(10)同时与数字解调电路(30)连接，用于提供参考信号；外差激光干涉仪(20)与待测物体(40)连通，用于产生激光干涉拍频信号；外差激光干涉仪(20)与数字解调电路(30)连接，用于提供拍频信号。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的外差激光干涉仪(20)包括激光器(21)、功率放大器(22)、声光移频器(23)、第1反射镜(241)、第2反射镜(242)和第3反射镜(243)、偏振分束器(25)、消偏振分束器(26)、λ/2波片(27)、λ/4波片(28)和光电探测器(29)；

信号源(10)分别与激光器(21)、功率放大器(22)和数字解调电路(30)连接，功率放大器(22)和声光移频器(23)连接，光电探测器(29)和数字解调电路(30)连接；

激光器(21)、第1反射镜(241)和声光移频器(23)依次连通；激光透过声光移频器(23)后产生零级光和一级光；一级光、第2反射镜(242)、第3反射镜(243)、消偏振分束器(26)和光电探测器(29)依次连通；零级光、λ/2波片(27)、偏振分束器(25)、λ/4波片(28)和待测物体(40)依次连通；从待测物体(40)反射的激光、λ/4波片(28)、偏振分束器(25)、消偏振分束器(26)和光电探测器(29)依次连通。

3.按权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的数字解调电路(30)包括参考时钟(31)、第1模数转换电路(321)、第2模数转换电路(322)、FPGA电路(33)、串口通讯(34)、计算机(35)、数模转换电路(36)、滤波放大电路(37)；

信号源(10)、第1模数转换电路(321)和FPGA电路(33)依次连接，外差激光干涉仪(20)、第2模数转换电路(322)和FPGA电路(33)依次连接；参考时钟(31)和FPGA电路(33)的时钟连接；FPGA电路(33)的时钟和第1模数转换电路(321)、第2模数转换电路(322)分别连接；FPGA电路(33)、串口通讯(34)和计算机(35)依次连接；FPGA电路(33)、数模转换电路(36)和滤波放大电路(37)依次连接。