RU2738876C1 - Способ измерения абсолютного расстояния - Google Patents

Способ измерения абсолютного расстояния Download PDF

Info

Publication number
RU2738876C1
RU2738876C1 RU2020117946A RU2020117946A RU2738876C1 RU 2738876 C1 RU2738876 C1 RU 2738876C1 RU 2020117946 A RU2020117946 A RU 2020117946A RU 2020117946 A RU2020117946 A RU 2020117946A RU 2738876 C1 RU2738876 C1 RU 2738876C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
laser
signal
radiation
autodyne
Prior art date
Application number
RU2020117946A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Владимирович Скрипаль
Сергей Юрьевич Добдин
Алексей Владимирович Джафаров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2020117946A priority Critical patent/RU2738876C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2738876C1 publication Critical patent/RU2738876C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated

Abstract

Изобретение может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике. Повышенная точность измерения, в частности, позволит контролировать процесс разработки прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро- и наноэлектронике. Заявленный способ измерения абсолютного расстояния включает направление излучения лазерного диода на измеряемый объект, модулирование тока питания лазера частотой ν, преобразование отраженного от объекта излучения в автодинный сигнал, регистрацию автодинного сигнала, разложение автодинного сигнала в Фурье-спектр. При этом в Фурье-спектре автодинного сигнала измеряют частоту гармоники с максимальной амплитудой, выполняют аппроксимацию спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, измеряют частоту, соответствующую половинному значению от максимальной амплитуды. Расчет расстояния проводят с использованием соотношения
Figure 00000021
,
где ν n - частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды, ν - частота модуляции тока питания лазерного диода, λ - длина волны лазера, Δλ - девиация длины волны лазера, π - число Пи. Технический результат - возможность проводить измерения абсолютного расстояния бесконтактно с микронной точностью. 5 ил.

Description

Изобретение может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике. Повышенная точность измерения, в частности, позволит контролировать процесс разработки прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро - и наноэлектронике.
Известен способ измерения расстояний, в котором облучение отражателя происходит зондирующим импульсом от лазерного излучателя. На выходе передающей оптической системы формируется расходящийся пучок излучения, образующий поле передающего канала. Отраженное излучение попадает в поле приемного канала и с помощью приемного объектива фокусируется на чувствительной площадке фотоприемного устройства. Дальность до отражателя определяют по известной зависимости R = ct/2, где с - скорость света, t - время между моментом излучения зондирующего импульса и моментом срабатывания фотоприемного устройства от излучения (см. патент РФ на изобретение №2471203, МПК G01C3/08).
Однако в измерительной системе имеются определенные ограничения на диапазон измеряемых расстояний. Например, предлагаемый способ не позволяет проводить измерения расстояний менее 0,05 м.
Известен способ, в котором для измерения расстояния используется частотно-модулированный полупроводниковый лазер. Ток полупроводникового лазера изменяется модулятором по линейному закону. Модулированный пучок через коллиматор направляют на исследуемый объект, а отраженный пучок регистрируется встроенным в лазер фотодиодом, где усиливается и интерферирует с исходным излучением с некоторой задержкой. Вследствие этой задержки частота этого излучения не совпадает с частотой, генерируемой полупроводниковым лазером в данный момент. В результате на выходе встроенного фотодиода возникает электрический сигнал, параметры которого несут информацию об отражающей поверхности объекта, его удаленности. В результате анализа сигнала определяют расстояние до объекта (см. патент РФ на изобретение №2393427, МПК G01S17/02, G01C3/08).
Недостатком известного способа является то, что в подобной системе регистрации и обработки сигнала погрешность измерения расстояний может достигать 1,5 мм от измеряемой величины.
Известен способ для измерения расстояния, в котором в качестве измерителя используется частотно-модулированный полупроводниковый лазер. Поверхность отражателя освещают лазерным излучением, а отраженное - регистрируют встроенным фотодетектором. В результате периодической частотной модуляции на фотодетекторе фактически регистрируют интерференционный сигнал. Фурье-спектр интерференционного сигнала позволяет определить частоту, которая пропорциональна расстоянию от лазера до отражающей поверхности. Используя значение коэффициентов пропорциональности, определяют искомое расстояние (B.C. Соболев, Г.А. Кащеева. Интерферометрия с оптической обратной связью и частотной модуляцией // Автометрия, 2008, №6, с. 49-65).
Недостатком известного способа является то, что погрешность измерения расстояний может достигать 0,2 мм от измеряемой величины на расстоянии до 15 см.
Наиболее близким является способ определения расстояния до объекта, заключающийся в том, что объект освещают лазерным излучением, отраженное от объекта излучение, интерферирующее в лазере, преобразуют в электрический автодинный сигнал, осуществляют разложение автодинного сигнала в ряд Фурье. Лазерное излучение частотой ω модулируют по гармоническому закону с частотой ν посредством модуляции тока питания лазера. Длину волны излучения λ изменяют на величину Δλ, фильтруют амплитудную составляющую автодинного сигнала на частоте ν. Сигнал раскладывают в спектральный ряд, измеряют амплитуду 2n-й и 2n+2-й гармоник спектра или 2n+1-й и 2n+3-й гармоник спектра автодинного сигнала. Расстояние до объекта L находят из отношения амплитуд этих гармоник (см. патент РФ на изобретение №2629651, МПК G01S17/08).
Недостатком способа является низкая защищенность от шума измерительной системы и неопределенность в определении расстояния при использовании области неоднозначности функций Бесселя.
Техническая проблема заключается в разработке способа, обеспечивающего возможность проводить измерения абсолютного расстояния бесконтактно с микронной точностью.
Технический результат заключается в повышении точности измерения в пределах, которые удовлетворяют современным прецизионным устройствам.
Техническая проблема решается тем, что в способе измерения абсолютного расстояния, включающем направление излучения лазерного диода на измеряемый объект, модулирование тока питания лазера частотой ν, пеобразование отраженного от объекта излучения в автодинный сигнал регистрацию автодинного сигнала, разложении автодинного сигнала в Фурье-спектр, согласно решению, Фурье-спектре автодинного сигнала измеряют частоту гармоники с максимальной амплитудой, выполняют аппроксимацию спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, измеряют частоту, соответствующую половинному значению от максимальной амплитуды, расчет расстояния проводят с использованием соотношения
Figure 00000001
где ν n - частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды, ν - частота модуляции тока питания лазерного диода, λ - длина волны лазера, Δλ - девиация длины волны лазера, π - число Пи.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена форма автодинного сигнала при частоте девиации Δλ=0.01 нм и расстоянии до отражателя L = 55,15 мм; на фиг. 2 представлен Фурье-спектр автодинного сигнала, представленного на фиг.1; на фиг. 3 представлена экспериментальная установка для регистрации и анализа автодинного сигнала; на фиг. 4 частотномодулированный автодинный сигнал, полученный на экспериментальной установке при девиации частоты излучения лазерного диода Δλ=0.012 нм; на фиг. 5 - спектр автодинного сигнала, полученный на экспериментальной установке при девиации частоты излучения лазерного диода Δλ=0.012 нм.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - полупроводниковый лазерный автодин;
2 - блок управления током питания;
3 - генератор сигналов;
4 - объект для отражения излучения;
5 - микромеханическая подача;
6 - фотоприемник;
6 - фильтр переменного сигнала;
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - компьютер.
Для измерения абсолютных расстояний по спектру частотномодулированного автодинного сигнала используют следующие теоретические предпосылки.
При модуляции длины волны лазерного излучения мощность полупроводникового лазера P может быть записана в виде амплитудной и фазовой составляющей, зависящих от плотности тока накачки j(t) [Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Добдин С.Ю., Астахов Е.И., Костюченко И.Ю., Джафаров А.В. Методы автодинной интерферометрии расстояния при токовой частотной модуляции полупроводникового лазера // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18. вып. 3. С.189-201]:
Figure 00000002
где P1 - постоянная составляющая мощности, P2 - амплитудная составляющая мощности, зависящая от фазового набега волны
Figure 00000003
в системе с внешним отражателем, τ - время обхода лазерным излучением расстояния до внешнего отражателя,
Figure 00000004
- частота излучения полупроводникового лазера, зависящая от плотности тока накачки j(t) и уровня обратной связи.
На параметры автодинного сигнала влияет уровень внешней оптической обратной связи. Как показано ранее [Giuliani G., Norgia M., Donati S. and Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing application // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4. P. S283-S294], можно выбрать уровень обратной связи, при котором частота излучения полупроводникового лазера не будет изменяться значительно и тем самым вносить искажения в форму интерференционного сигнала.
В этом случае при гармонической модуляции плотности тока накачки j(t) частота излучения полупроводникового лазера приобретает вид:
Figure 00000005
где ω0 - собственная частота излучения полупроводникового лазерного диода; ω A - девиация частоты излучения полупроводникового лазерного диода; ν1 - частота модуляции тока питания лазерного диода. Выражение для мощности излучения частотномодулированного полупроводникового лазера (3) запишется в виде:
Figure 00000006
где стационарная фаза автодинного сигнала
Figure 00000007
, амплитуда фазы токовой модуляции
Figure 00000008
, круговая частота модуляции тока питания лазерного диода
Figure 00000009
.
Поскольку для определения расстояния используется только фазовая составляющая многочастотного автодинного сигнала, то выражение (4) можно записать в виде:
Figure 00000010
где λ - длина волны лазерного излучения, Δλ - девиация длины волны. Для анализа спектра автодинного сигнала используем связь частоты спектральной гармоники с мгновенной скоростью движения отражателя (5):
Figure 00000011
То есть, мгновенную скорость движения внешнего отражателя можно получить, определив частоту переменной нормированной составляющей спектра автодинного сигнала с использованием выражения (5).
Приравнивая мгновенную скорость (5), полученную из спектра автодинного сигнала, производной от амплитуды девиации частоты излучения полупроводникового лазерного диода,
Figure 00000012
можно получить соотношение, связывающее расстояние L до отражателя с частотой спектральной гармоники ν n :
Figure 00000013
.
где
Figure 00000014
- номер гармоники, соответствующий расстоянию до отражателя. При разложении автодинного сигнала в ряд Фурье спектр будет представлять собой свертку спектра автодинного сигнала с Фурье-образом прямоугольного окна. В этом случае за значение частот высокочастотной составляющей ν n следует принимать частоты, соответствующие середине спада огибающей спектра:
Figure 00000015
где ν n - частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды.
Моделирование автодинного сигнала проводилось при следующих параметрах: λ=650 нм, девиация длины волны излучения полупроводникового лазерного диода Δλ=0.01 нм, расстояние до объекта L = 55,15 мм, частота модуляции тока лазерного излучения ν1=100 Гц, θ = π/4. На фиг. 1 и 2 приведены модель интерференционного сигнала и его Фурье-спектр.
Девиацию выбирают максимально возможной для данного типа атодина, чтобы повысить точность.
Спектр интерференционного сигнала (фиг. 2) содержит гармонику с максимальной амплитудой равную n=14. Аппроксимация спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, и измерения частоты, соответствующей половинному значению от максимальной амплитуды, дают значение ν n =1,65 кГц.
Используя выражение (7), получаем, что L = 55,1 мм. Таким образом, с погрешностью в 50 мкм определено абсолютное расстояние при компьютерном моделировании.
Способ реализуется с помощью устройства (фиг. 3) следующим образом. Освещают объект (отражающую пластину) 4, закрепленную на микромеханической подаче 5, излучением от частотномодулированного полупроводникового лазерного автодина 1 на лазерном диоде RLD-650. Изменение тока питания лазерного диода осуществлялось путем изменения напряжения питания, подаваемого на полупроводниковую структуру от блока управления током питания 2. Модуляцию длины волны излучения проводят на частоте 100 Гц посредством модуляции тока питания лазера с помощью встроенного в лабораторную станцию виртуальных приборов NI ELVIS генератора сигналов 3. Было экспериментально установлено, что эффективная модуляция тока питания лазерного диода наблюдалась при амплитуде модулирующего сигнала от 20 мВ до 500 мВ, что обеспечивало наличие в спектре автодинного сигнала спектральных составляющих высших порядков. Отраженное излучение направляют в резонатор лазера, изменение мощности которого фиксируют фотоприемником 6. Продетектированный и усиленный сигнал с фотоприемника проходит через фильтр переменного сигнала 7 и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8, встроенного в модуль NI DAQmx (с частотой дискретизации 1.25 MГц), соединенного с компьютером 8. Параметр девиации частоты излучения лазерного диода ω A измеряют с помощью спектрометра высокого разрешения SHR (Solar Laser Systems).
На фиг.4 приведен вид автодинного сигнала и его спектр, полученный при величине девиации частоты излучения Δλ = 0.012 нм.
Спектр интерференционного сигнала (фиг. 5) содержит гармонику с максимальной амплитудой равную n=11. Аппроксимация спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, и измерения частоты, соответствующей половинному значению от максимальной амплитуды, дают значение ν n =1,2 кГц (при ν=100 Гц). Используя выражение, (7) получаем, что L = 33,6 мм. Таким образом, бесконтактно определено абсолютное расстояние при модуляции длины волны лазерного автодина.

Claims (3)

  1. Способ измерения абсолютного расстояния, включающий направление излучения лазерного диода на измеряемый объект, модулирование тока питания лазера частотой ν, преобразование отраженного от объекта излучения в автодинный сигнал, регистрацию автодинного сигнала, разложение автодинного сигнала в Фурье-спектр, отличающийся тем, что в Фурье-спектре автодинного сигнала измеряют частоту гармоники с максимальной амплитудой, выполняют аппроксимацию спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, измеряют частоту, соответствующую половинному значению от максимальной амплитуды, расчет расстояния проводят с использованием соотношения
  2. Figure 00000016
    ,
  3. где
    Figure 00000017
    – частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды,
    Figure 00000018
    – частота модуляции тока питания лазерного диода,
    Figure 00000019
    – длина волны лазера,
    Figure 00000020
    – девиация длины волны лазера, π – число Пи.
RU2020117946A 2020-06-01 2020-06-01 Способ измерения абсолютного расстояния RU2738876C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117946A RU2738876C1 (ru) 2020-06-01 2020-06-01 Способ измерения абсолютного расстояния

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117946A RU2738876C1 (ru) 2020-06-01 2020-06-01 Способ измерения абсолютного расстояния

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2738876C1 true RU2738876C1 (ru) 2020-12-17

Family

ID=73834858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020117946A RU2738876C1 (ru) 2020-06-01 2020-06-01 Способ измерения абсолютного расстояния

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2738876C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6233045B1 (en) * 1998-05-18 2001-05-15 Light Works Llc Self-mixing sensor apparatus and method
RU2247395C1 (ru) * 2003-08-14 2005-02-27 Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Способ измерения скорости движения объекта
RU2520945C1 (ru) * 2013-02-01 2014-06-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" Способ определения амплитуды нановибраций по спектру частотномодулированного полупроводникового лазерного автодина
WO2015092498A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-25 Universitat Politècnica De Catalunya A method of measuring a change in an optical path length using differential laser self-mixing interferometry and a differential laser self-mixing interferometry measuring system
RU2629651C1 (ru) * 2016-05-17 2017-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Способ определения расстояния до объекта
RU2658112C1 (ru) * 2017-04-18 2018-06-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Способ измерения наноперемещений

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6233045B1 (en) * 1998-05-18 2001-05-15 Light Works Llc Self-mixing sensor apparatus and method
RU2247395C1 (ru) * 2003-08-14 2005-02-27 Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Способ измерения скорости движения объекта
RU2520945C1 (ru) * 2013-02-01 2014-06-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" Способ определения амплитуды нановибраций по спектру частотномодулированного полупроводникового лазерного автодина
WO2015092498A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-25 Universitat Politècnica De Catalunya A method of measuring a change in an optical path length using differential laser self-mixing interferometry and a differential laser self-mixing interferometry measuring system
RU2629651C1 (ru) * 2016-05-17 2017-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Способ определения расстояния до объекта
RU2658112C1 (ru) * 2017-04-18 2018-06-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Способ измерения наноперемещений

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10436569B2 (en) Interferometric distance measurement based on compression of chirped interferogram from cross-chirped interference
CN110174058A (zh) 动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置和方法
EP0640846A2 (en) Optical measuring apparatus
CN1844951A (zh) 光纤激光器混沌激光测距装置及方法
Amin et al. High resolution laser self-mixing displacement sensor under large variation in optical feedback and speckle
EP3527964B1 (en) Light angle modulation measurement apparatus and measurement method
CN108775954B (zh) 一种分辨率可调的双波长ld自混合振动测量仪及其测量方法
JP2018059789A (ja) 距離測定装置及び距離測定方法
RU2738876C1 (ru) Способ измерения абсолютного расстояния
RU2658112C1 (ru) Способ измерения наноперемещений
CN108007307B (zh) 一种光纤的测量方法以及测量装置
CN109324233B (zh) 基于多光束激光光谱技术的工频电场测量方法和装置
CN113607277B (zh) 一种窄线宽激光器线宽测量系统的解调方法
CN106908803B (zh) 基于双平行mzm的超宽带梯状fm/cw激光测速系统
RU2247395C1 (ru) Способ измерения скорости движения объекта
RU2629651C1 (ru) Способ определения расстояния до объекта
CN108037143B (zh) 一种气体折射率的测量方法和装置
RU2545498C1 (ru) Способ определения скорости и направления ветра и некогерентный доплеровский лидар
JP2019215165A (ja) 距離測定装置及び距離測定方法
Magnani et al. Novel displacement reconstruction method for vibration measurements
Matsumoto et al. High-precision long-distance measurement using a frequency comb of a femtosecond mode-locked laser
Yamamoto et al. Basic study on real-time vibration displacement measurement using probe light modulated by phase-modulated RF signal
Shinoda et al. Real-time Calculation of Distance and Displacement by FTT Signal Analysis with Optical Frequency Sweeping
Wang et al. Research on laser doppler vibrometer calibration method based on acousto optic modulation
Usanov et al. Determining distances to objects using a frequency-switched semiconductor laser autodyne