本发明专利技术提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法，所述方法通过对双纵模激光器进行多声光移频以获得多频率激光，利用光源的双纵模间隔构建精测尺，多声光移频器的移频差构建粗测尺，并依靠多反射镜反射与偏振棱镜分光合光实现多频光束共光路传输，避免传统方法中采用光纤耦合器合光带来的光损耗，实现高功率多波长绝对距离测量。实现高功率多波长绝对距离测量。实现高功率多波长绝对距离测量。
【技术实现步骤摘要】
一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法
[0001]本专利技术属于激光测距
，特别是涉及一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法。
技术介绍
[0002]制造业是国民经济的重要组成成分，也是衡量一个国家、一个民族综合实力的重要标志。推进制造业快速发展关键在于实现精密制造，而精密制造的基础是精密测量。十大领域中有七大领域都跟精密测量技术、超精密测量技术密不可分。超精密测量技术是实现超精密加工、制造和装备的前提和重要组成部分，是我国制造业发展不可或缺的关键技术。
[0003]近年，随着科学技术的进一步发展，一些重大科学仪器和重要领域的大型装备的被测对象日趋复杂，现场测量环境也更加恶劣，对超精密测量技术的测量精度、稳定性、灵活性和测量范围提出了越来越严苛的测量要求。在航天航空领域中，以空中客车A380为例，机身高度24.09m，机长72.75m，翼展长度79.75m，装配精度为0.25mm。在船舶工程领域，以桨叶为例，目前我国能生产的最大型的轮船螺旋桨产自中船螺旋桨公司，桨叶直径长达12m，加工精度要求4μm/m。可见在精密测量领域，绝对大尺度的测量需求日益增长，相对测量精度需求已从10
‑6向10
‑7量级迈进。
[0004]在所有绝对距离测量方法中，激光测距法具有精度高、量程大、可溯源、可多通道分光测量等特点，是当前最有效、最主要的大尺寸、高精度测量方法。常用的激光测距方法主要有脉冲激光测距法、扫频干涉测距法、多波长测距法、飞秒频率梳测距法。脉冲激光技术虽光路结构简单，但该方法受光电探测及信号处理速度限制，测距精度最高很难提高到微米级别，无法满足高精度测量需求；扫频干涉测距法的测量原理限制其测量速度，动态性能差，且测尺稳定性较低，一般在10
‑7左右难以提高；飞秒频率梳测距技术主要通过光源技术突破提高测距性能，但其价格高昂、系统庞大复杂，难以应用于工业环境中。
[0005]多波长测距技术通过构建合成波长链同时满足测距精度和测量范围的矛盾，但目前仍存在两个问题：
[0006](1)一般的光源技术难以合成大于毫米级别尺寸的合成波长，几十米测量范围难以实现。清华大学张存满[张存满等，超外差干涉绝对距离测量研究综述，光学技术1998，(1)：7
‑
9.]和专利[一种双波长超外差干涉实时位移测量系统，公开号：CN207019624U]都利用双光源合成高精度测尺，并采用超外差方法降低了信号的处理频率，更容易达到较高的测量精度。但这种方法得到的测尺波长一般在微米量级，需要配合粗测尺提高测量距离，而该方法无法同时产生粗、精测尺，难以实现大尺度绝对距离测量。
[0007](2)不同波长的同步高精度测相问题。多波长测量至少需要两个测量波长(测尺)即精测波长(决定测量精度)、粗测波长(决定测量范围)，不同波长激光若非共光路测量，则难以保证测量同步性、准确性。多波长干涉测距通过合成多个波长，但现有方法需要多个激光器合束，增大系统体积，且对光源技术要求较高。专利[高精度多频同步相位激光测距装
置与方法，公开号：CN 102419166B]和专利[基于双声光移频的多频同步相位激光测距装置与方法，公开号：CN 102305591B]利用三声光移频器通过同一光源产生了三个不同频率的测尺，但该方法对光电探测器带宽要求极高，若要探测到双纵模频差信号，探测器带宽至少大于800MHz，且直接数字合成器难以合成高精度的高频信号，所以该方法的信号处理难度大；且该方法测量时需四个光电探测器接收相位信号，加大了整个系统的体积，导致系统难于小型化。专利[超外差与外差结合式抗光学混叠激光测距装置与方法，公开号：CN 104049248B]该专利增加碘稳频激光器提高了激光光源的频率稳定度，但碘稳频激光器因其在工业现场易失锁限制该方法仅能在实验室条件下实现，且两台激光器将导致系统体积较大，不便于集成。
技术实现思路
[0008]本专利技术针对现有多波长测距电路中存在的多波长测尺难以同步产生、同步测量的问题，提出了一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法，达到提高多频测尺测量同步性、减小系统体积的目的。
[0009]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统，光源采用双纵模He
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Ne激光器1，在所述激光器1后放置二分之一波片2，所述二分之一波片2改变所述激光器1输出的两偏振态相互垂直偏振光的偏振方向；光束经过二分之一波片2后进入第一偏振分光棱镜3，并通过第一偏振分光棱镜3分成水平偏振态和竖直偏振态两束光，水平偏振态光束与经第三反射镜11反射后的竖直偏振态光束分别通过第一四分之一波片4和第二四分之一波片12后变为圆偏振光，再分别通过第二偏振分光棱镜5、第四偏振分光棱镜13形成四束偏振光，四束偏振光对应通过第一声光移频器6、第二声光移频器8、第三声光移频器14和第四声光移频器17形成四个不同频率的偏振光；
[0010]第二声光移频器8产生的偏振光经第二反射镜9反射后与第一声光移频器6产生的偏振光在第三偏振分光棱镜10合光；第四声光移频器17产生的偏振光经第五反射镜18反射后与第三声光移频器14产生的偏振光在第五偏振分光棱镜15合光；从第三偏振分光棱镜10合光输出的光束经第六反射镜19反射后与从第五偏振分光棱镜15合光输出的光束在非偏振分光棱镜20中合成具有四个频率的透射光束和反射光束，所述透射光束经过第一偏振片26干涉后进入第一光电探测器27，作为参考信号；所述反射光束经第六偏振分光棱镜21后分成水平偏振光和竖直偏振光，所述水平偏振光经过第四四分之一波片24入射到第二角锥棱镜25，经第二角锥棱镜25反射后的反射光再次经过第四四分之一波片24变成竖直偏振光回到第六偏振分光棱镜21；所述竖直偏振光经过第三四分之一波片22入射到第一角锥棱镜23经第一角锥棱镜23反射后的反射光再次通过第三四分之一波片22后以透射形式回到第六偏振分光棱镜21，并与第六偏振分光棱镜21中的另一束光束合成一束光后经第二偏振片28干涉后形成测量信号进入第二光电探测器29；所述第一光电探测器27和第二光电探测器29经多频信号处理电路连接到上位机。
[0011]进一步地，所述多频信号处理电路包括混频信号处理单元、多频信号分离单元、信号整形单元和数字鉴相单元；所述第一光电探测器27输出的参考信号和第二光电探测器29输出的测量信号同步输入混频信号处理单元，混频信号处理单元进行下变频处理后将信号输入给多频信号分离单元进行滤波处理，滤波处理后经过信号整形单元将信号变成方波信
号，所述方波信号经数字鉴相单元完成相位测量，并将相位测量结果传输给上位机。
[0012]进一步地，经第一偏振片26干涉后进入第一光电探测器27的信号以及经第二偏振片28干涉后进入第二光电探测器29的信号包含两类不同的相位信息；一类由ν1+f1与ν2+f3构成频率为ν1‑
ν2的精测尺相位信息，一类由ν1+f1与ν1+f2构成频率本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统，光源采用双纵模He
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Ne激光器(1)，其特征在于：在所述激光器(1)后放置二分之一波片(2)，所述二分之一波片(2)改变所述激光器(1)输出的两偏振态相互垂直偏振光的偏振方向；光束经过二分之一波片(2)后进入第一偏振分光棱镜(3)，并通过第一偏振分光棱镜(3)分成水平偏振态和竖直偏振态两束光，水平偏振态光束与经第三反射镜(11)反射后的竖直偏振态光束分别通过第一四分之一波片(4)和第二四分之一波片(12)后变为圆偏振光，再分别通过第二偏振分光棱镜(5)、第四偏振分光棱镜(13)形成四束偏振光，四束偏振光对应通过第一声光移频器(6)、第二声光移频器(8)、第三声光移频器(14)和第四声光移频器(17)形成四个不同频率的偏振光；第二声光移频器(8)产生的偏振光经第二反射镜(9)反射后与第一声光移频器(6)产生的偏振光在第三偏振分光棱镜(10)合光；第四声光移频器(17)产生的偏振光经第五反射镜(18)反射后与第三声光移频器(14)产生的偏振光在第五偏振分光棱镜(15)合光；从第三偏振分光棱镜(10)合光输出的光束经第六反射镜(19)反射后与从第五偏振分光棱镜(15)合光输出的光束在非偏振分光棱镜(20)中合成具有四个频率的透射光束和反射光束，所述透射光束经过第一偏振片(26)干涉后进入第一光电探测器(27)，作为参考信号；所述反射光束经第六偏振分光棱镜(21)后分成水平偏振光和竖直偏振光，所述水平偏振光经过第四四分之一波片(24)入射到第二角锥棱镜(25)，经第二角锥棱镜(25)反射后的反射光再次经过第四四分之一波片(24)变成竖直偏振光回到第六偏振分光棱镜(21)；所述竖直偏振光经过第三四分之一波片(22)入射到第一角锥棱镜(23)经第一角锥棱镜(23)反射后的反射光再次通过第三四分之一波片(22)后以透射形式回到第六偏振分光棱镜(21)，并与第六偏振分光棱镜(21)中的另一束光束合成一束光后经第二偏振片(28)干涉后形成测量信号进入第二光电探测器(29)；所述第一光电探测器(27)和第二光电探测器(29)经多频信号处理电路连接到上位机。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多频信号处理电路包括混频信号处理单元、多频信号分离单元、信号整形单元和数字鉴相单元；所述第一光电探测器(27)输出的参考信号和第二光电探测器(29)输出的测量信号同步输入混频...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏兴，殷子淇，胡鹏程，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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