[发明专利]基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置。

背景技术

双频激光干涉仪适用于低速和准静态的局部位移测量场合，无法满足超大尺寸精密测量和局部位移快速超精密实时监测场合的需求。美国惠普公司HP5527系列和ZYGO公司ZMI系列双频激光干涉仪用于相对位移的超精密测量，这种激光测量系统在进行长度测量时，必须借助一条沿测量方向的导轨，使得激光干涉仪在一些场合下的应用受到了限制，并且其位移测量范围一般不超过40m，适用于低速和准静态的局部位移测量场合。由中国计量科学院和陕西机械学院研制了我国国产双频激光干涉仪样机，相对位移测量范围为60m，测量精度为0.5×10^-6，成都工具研究所也生产出配有补偿空气状态参数装置的双频激光干涉仪，但两者均仅适合于静态和准静态的测量场合，不能完成快速超精密位移监测或绝对距离测量。

为了解决绝对距离测量的问题，美国API、Faro和瑞士Leica公司开发了激光跟踪仪，其无需任何导轨可实现60m范围内的绝对距离和相对位移精密测量，但其相对位移测量的精度一般只能达到μm量级，同时其位移测量速度为1KHz不能实现真正的实时测量。在绝对距离干涉测量中，合成波长法是常用的方法之一，其采用的光源要能同时发射两个或多个稳定的波长，一般是通过一个或多个激光器实现，由于采用多波长激光器或多个单波长激光器作为光源，波长间隔是固定值，只能得到固定的某些合成波长，为了得到合适的合成波长而增加激光器个数，会使系统变得复杂，多个激光器发出光束的同轴度不易保证。专利DE 19522262描述了一种系统，该系统有两个激光光源，以产生合成波长，尽管对干涉仪的结构稳定性以及目标距离的稳定性要求不高，但系统结构复杂。

发明内容

为了克服上述已有技术中的不足，本发明提出了一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置，达到同时满足超长距离精密测量和局部位移快速超精密监测的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，该方法包括以下步骤：

(1)开启并预热稳频激光器，直至输出中心频率稳定为f的激光，激光光束经偏振分光镜B分光获得两正交线偏振光，分别进入移频频率为f₁和f₂的声光移频器A和声光移频器B进行移频，控制单元判断测量系统的工作状态，利用开关控制电压改变偏振旋转器的偏振旋转作用来控制激光偏振态，最终获得光频率分别为f+f₁和f+f₂、具有偏振态相同或正交的两线偏振光；

(2)精密调节反射镜A和反射镜B，使声光移频器A和声光移频器B出射的两线偏振光以相互垂直的形式汇聚到部分分光器分光面的同一点上，两光束的大部分能量形成一束合成双频偏振光并经激光扩束准直器后输出，另一小部分能量被外置光电探测器A接收形成参考信号；

(3)合成双频偏振光经过激光扩束准直器成为平行光进入光学干涉镜组，绝对距离测量过程中，呈平行偏振态的测量光全部通过偏振分光镜A转换为圆偏振光，该圆偏振光经过1/4波片B，被测量棱镜反射后再次通过1/4波片B转换为垂直偏振光，经偏振分光镜A反射被外置光电探测器B接收形成测量信号，绝对距离激光测量单元检测出测量信号和参考信号的相位差，获得绝对距离L，同时数据融合单元清零；

(4)相对位移测量过程中，呈正交线偏振态的双频激光被偏振分光镜A分解为参考光和测量光，两光分别经过1/4波片A和1/4波片B，经参考棱镜和测量棱镜分别反射后再次通过1/4波片A和1/4波片B到达偏振分光镜A，在外置光电探测器B处产生外差干涉形成测量信号，相对位移干涉测量单元实时监测测量信号和参考信号相位差的变化值，获得相对位移ΔL；

(5)数据融合单元清零后，先由绝对距离激光测量单元得到绝对距离L，再由相对位移干涉测量单元得到实时监测的相对位移ΔL，数据融合单元利用绝对距离L和相对位移ΔL计算得出最终测距结果L+ΔL。