[发明专利]基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法

说明书

1.技术领域

本发明涉及一种基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法，属于精密测量技术领域。

2.背景技术

激光干涉测量技术广泛应用于高精度测量领域，通过光束分离器把一束光分成两束，一路通过已知的距离形成参考光束，一路入射到测量目标反射后形成测量光束，干涉后通过探测器探测两束光干涉强度，干涉强度里面包含了与光程差相关的相位信息，通过测量相位就可以得到目标的距离信息，如果采用单个波长，只能测量微小位移的变化。绝对距离干涉测量系统需要使用多个波长，然后分析各自的相位差，提取与光程有关的相位信息。由于使用多个激光器比较复杂和频率复用难以实现，加上频率可调激光器的发展，出现了频率扫描干涉测量方法。

基于频率扫描干涉的测量方法在绝对距离测量方面具有显著的优点，通过频率可调半导体激光器在无跳模范围内连续调节，探测器检测干涉相位的变化，利用时间对相位解缠可以完整恢复缠绕相位，根据相位和目标距离的线性关系，可以直接得到目标的绝对距离，它克服了其他干涉测量方法测量距离短、只能测量相对距离的缺点，弥补了飞行时间法等方法测量精度不高的不足之处，可以实现长距离绝对距离测量，但由于运动误差和相位周期性非线性，以及频率稳定的影响，限制了其应用领域。

专利号为CN98101034.2的专利中提出了一种绝对距离测量的波长扫描干涉系统及其信号处理方法，采用单模光纤连成一体的扫描光源，进行扫描，由参考干涉计和测量干涉计组成测量光路，整个光路采用光纤连接具有体积小、抗干扰的优点。由于系统采用数据处理的方法确定波长扫描范围，因此扫描范围不能精确测定，这直接影响到绝对距离的测量精度，并且测量干涉计由自聚焦透镜和测量物体表面组成，使得测量范围有限，只适合短距离绝对距离测量或物体表面平整度测量等领域。

专利号为US5781295的专利中提出了一种双激光器绝对距离干涉测量系统，其中至少一个激光器频率可调，采用单个声光调制器进行频移产生外差信号，利用可变式合成波长干涉的方法进行绝对距离测量，在激光器、声光调制器和光束分离器之间采用光波导连接，使得系统结构简单，并降低了环境因素对相位分辨率的影响。同时该方法降低了对激光无跳模的要求，激光器不必连续扫描。但是，该系统需要采用两个激光器，要想实现长距离测量，激光器波长变化范围要求较大，难以实现，而且合成波长依赖于激光器扫描的初始频率和终止频率，如果不加以稳频，很难精确测量激光器两端的频率，因此较难实现高精度测量。

专利号为US7292347B2的专利，提出了一种双激光器绝对距离干涉测量系统，其中至少一个激光器频率可调，集合了低、中、高三种分辨率测量技术，先采用较大的合成波长，进行粗测，然后采用中等和较小的合成波长，逐步提高绝对距离测量的分辨率，可以测量稍大范围的距离，但是过程比较复杂，并且存在和专利US578125同样的缺点，合成波长与激光器扫描的起止频率和步长有关，要想实现高精度的测量还需要稳频装置，因此具有大范围测量精度不高的缺点。

由于应用领域不同，上述专利各有自己的优缺点和适用范围，根据目前长距离绝对测距的的需求，结合以上绝对干涉测距方法的优点和不足之处，提出了一种新的绝对距离测量系统，能够实现高精度、大范围绝对距离测量。

3.发明内容

本发明是针对长距离、高精度绝对距离测量领域的应用，提出的一种新的测量系统，采用了激光稳频技术、频率监视技术、实时折射率测量技术、运动误差补偿技术，正交探测和外差探测技术，并且利用数字信号处理的方法消除周期性相位非线性误差的方法，采用高速DSP处理器控制激光器的稳频及扫描，因此，该系统具有测量精度高、测量范围大、测量速度快的优点。

本发明提出的基于谐振腔稳频的绝对距离测量系统及实现方法，包括频率可调光源、稳频单元、频率监视单元、折射率实时测量电路、测量干涉光路，信号接收和处理单元，以及核心控制单元，其特征在于，所述的测量系统各模块自成体系，通过单模保偏光纤或者数据线连接，统一由DSP控制系统和电脑控制，光源发出的光由光束分离器进入稳频单元、频率监视单元和测量干涉光路，其中稳频单元和频率监视单元的信息反馈至激光器，调节激光器的波长，控制激光器频率调节的范围。