[发明专利]用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法

权利要求书

1.一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪，特征在于其结构包括：所述的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪构成包括带有第一光源控制器(2)的第一光源(1)、带有第二光源控制器(11)的第二光源(10)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(5)、隔离器(4)、准直器(6)、光电探测器(7)、压电陶瓷(9)、数据采集卡(12)和计算机(13)，所述的第一光源控制器(2)为第一光源(1)提供直流驱动电流、三角波交流电流或正弦交流电流，由第一光源(1)发射的光束通过第一段光纤(301)进入第一光纤耦合器(3)内，由第一光纤耦合器(3)出射后，通过第二段光纤(302)进入隔离器(4)，由隔离器(4)出射后，通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内，由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502)，经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上，由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)出射端面反射的光通过准直器(6)后，经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503)入射到光电探测器(7)内，所述的第二激光控制器(11)为第二光源(10)提供直流驱动电流和正弦交流电流，第二光源(10)的中心波长不等于第一光源(1)的中心波长，由第二光源(10)发射的光束通过第六段光纤(303)进入第一光纤耦合器(3)，由第一光纤耦合器(3)出射后，通过第二段光纤(302)射入隔离器(4)，由隔离器(4)出射后，通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内，由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502)，经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上，由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)端面反射的光通过准直器(6)后，经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503)进入所述的光电探测器(7)内，准直器(6)上固定有压电陶瓷(9)，数据采集卡(12)的第一输出端口(12b)与第一光源控制器(2)相连，第二输出端口(12c)与第二光源控制器(11)相连，第三输出端口(12e)与计算机(13)的输入端相连，第四输出端口(12f)与压电陶瓷(9)相连，第一输入端口(12a)与所述的光电探测器(7)的输出端相连，所述的数据采集卡(12)的第二输入端口(12d)与计算机(13)的输出端口相连，所述的计算机(13)具有绝对距离测量程序，该程序包括粗测模块和细测模块，在测量过程中，粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值，细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。

2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第一光源和第二光源均是半导体激光器，而且两光源的发射波长λ₁、λ₂不相等。

3.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第一光源的温度，使第一光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。

4.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第二光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第二光源的温度，使第二光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第二光源提供直流偏置和交流信号。

5.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的隔离器只能使第一光源和第二光源发射的光通过，而从光路中返回的光束不能通过。

6.利用权利要求1所述的绝对距离测量的双频激光干涉仪进行绝对距离的测量方法，其特征在于具体测量步骤如下：

①参数测定：

开启第一光源(1)，并使其注入电流保持为直流，利用数据采集卡(12)产生的正弦信号驱动压电陶瓷(9)，使压电陶瓷(9)产生一个振幅大于λ₀₁/8而小于λ₀₁/4正弦振动，此时所述的光电探测器(7)所探测到的干涉信号为：

P₁′(t)＝S₁S₀₁+S₁S₁₁cos[α₁(t)+α₀₁]，

提取干涉信号P₁′(t)的直流分量S₁S₀₁，并利用下列公式计算干涉信号P₁′(t)的交流幅值S₁S₁₁

S₁S₁₁cos[α₁(t)+α₀₁]＝P₁′(t)-S₁S₀₁；

开启第二光源(10)，利用相同的方法确定P₂′(t)的直流分量S₂S₀₂与交流幅值S₂S₁₂；

②将相关参数S₁S₀₁，S₁S₁₁，S₂S₀₂，S₂S₁₂导入绝对距离测量程序；

③距离粗测值l_c的确定：

距离粗测模块控制数据采集卡(12)输出三角波信号对第一光源(1)的注入电流进行调制，并采集光电探测器(7)探测到的线性调频信号：

Sc(t)=C1cos[α-(2π/λ02)lβ1′bt]]]>

其中：β₁′为第一光源(1)的波长调制系数，b为三角波信号的幅值。截取一段干涉信号进行数波数可得Δt为所截取的干涉信号的时间，m为干涉信号的波数，根据数据处理可得线性调频干涉测量技术的测量精度较低，由此计算得到的待测距离l粗测值，记为l_c；

④通过数据采集卡(12)获取光电探测器(7)探测到的正弦相位调制干涉信号：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

＝g₁(t)[S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]+g₂(t)[S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

＝β₁′[I₀₁+I_m1(t)][S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]

+β₂′[I₀₂+I_m2(t)][S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

＝S₁(1+β₁cosω₁t)[S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]

+S₂(1+β₂cosω₂t)[S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

其中：

g₁(t)和g₂(t)分别为第一光源(1)和第二光源(10)产生的干涉信号的光强调制项；

S₁＝β₁′I₀₁，S₂＝β₂′I₀₂分别为第一光源(1)和第二光源(10)输出光强的直流分量；β₁＝a₁/I₀₁，β₂＝a₂/I₀₂分别为第一光源(1)和第二光源(10)注入电流交流成分的幅值与直流偏置的比值；

S₀₁和S₁₁分别为不考虑光强调制时，干涉信号项S₁(t)和S₂(t)的直流成分，S₀₂和S₁₂分别为不考虑光强调制时，干涉信号项S₁(t)和S₂(t)的交流成分；和为两干涉信号S₁(t)和S₂(t)对应的正弦相位调制深度；

α₁＝(4π/λ₀₁)l和α₂＝(4π/λ₀₂)l为由准直器(6)和待测物体(8)之间的距离l所决定的相位；

⑤对干涉信号进行带通滤波，并利用快速傅里叶变换提取干涉信号的一阶和二阶频谱分量：

P₁₁＝β₁{S₁S₀₁+S₁S₁₁[J₀(z₁)-J₂(z₁)]cosα₁}-2S₁S₁₁J₁(z₁)sinα₁，

P₂₁＝-β₁S₁S₁₁[J₁(z₁)-J₃(z₁)]sinα₁-2S₁S₁₁J₂(z₁)cosα₁，

P₁₂＝β₂{S₂S₀₂+S₂S₁₂[J₀(z₂)-J₂(z₂)]cosα₂}-2S₂S₁₂J₁(z₂)sinα₂，

P₂₂＝-β₂S₂S₁₂[J₁(z₂)-J₃(z₂)]sinα₂-2S₂S₁₂J₂(z₂)cosα₂，

⑥将步骤⑤中由第一光源(1)产生的干涉信号提取出的一阶和二阶频谱分量为：

P₁₁＝β₁{S₁S₀₁+S₁S₁₁[J₀(z₁)-J₂(z₁)]cosα₁}-2S₁S₁₁J₁(z₁)sinα₁，

P₂₁＝-β₁S₁S₁₁[J₁(z₁)-J₃(z₁)]sinα₁-2S₁S₁₁J₂(z₁)cosα₁

看作关于cosα₁和sinα₁的线性方程组，利用由粗测模块计算得到的距离粗测值l_c利用公式确定细测时与第一光源(1)对应的干涉信号的正弦相位调制深度z₁，结合相关参数S₁S₁₁，S₁S₀₁通过求解线性方程组，计算与第一光源(1)对应的干涉信号相位的正弦值与余弦值：

cosα1=K21A21-K41A11K31K21-K11K41sinα1=K31A11-K11A21K31K21-K11K41,]]>

其中，

A11=1S1S11(P11-β1S1S01)A21=1S1S11P21,]]>

K11=β1[J0(z1)-J2(z1)]K21=-2J1(z1)K31=-2J2(z1)K41=-β1[J1(z1)-J3(z1)]]]>

根据正弦值与余弦值计算干涉信号的相位α₁；

⑦利用与步骤⑥类似的方法计算α₂；

⑧根据α₁和α₂计算与合成波长对应的相位：α＝α₁-α₂；

⑨将距离粗测值l_c导入，对2l_c/λ_e向下取整，计算满足的整数n，其中λ_e＝λ₀₁λ₀₂/(λ₀₂-λ₀₁)为合成波长，并根据α和n通过下式计算待测距离l：

l=12nλe+λe4πα.]]>