基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法。光源模块I连接到干涉测量模块II，干涉测量模块II输出干涉信号至信号处理模块III，信号处理模块III输出调制信号至光源模块I；激光器发出激光经电光相位调制器后由光纤耦合器合光后输入至干涉测量模块，经偏振分光镜发生反射和透射，垂直偏振光被反射后射向参考角锥棱镜，经反射后回偏振分光镜再反射；水平偏振光被偏振分光镜透射后射向测量角锥棱镜，经反射后回偏振分光镜再透射；合光后在偏振片处发生干涉，被光电探测器探测并发送至信号处理模块。本发明专利技术光路结构简单、测量精度高，可用于高端装备制造、精密计量等领域。量等领域。量等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法


[0001]本专利技术属于激光干涉绝对距离测量
的一种距离测量装置和方法，具体涉及到一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法。

技术介绍

[0002]多波长干法绝对距离测量是最早被提出、应用最为广泛的绝对测距技术，它是利用多个不同波长的激光对同一待测距离进行测量，根据多波长的条纹尾数确定待测距离，或通过构建一系列从大到小的合成波长链，逐级求解被测距离使之逼近真值。利用多波长干涉法实现大范围、高精度距离测量的关键问题除了构建频率稳定的多波长激光光源，还包括多波长对应干涉相位的精确解调。目前常用的多波长干涉相位解调方法包括外差法、超外差法、零差法等，为了分离出不同波长对应的干涉信号，主要采用两种信号探测方式：一种是多波长干涉相位分时探测，即多波长光源依次进行距离测量，分时探测和解调同一待测距离下不同波长对应的干涉相位，这种方式易实现，但测量速度慢、多波长相位测量不同步，测量过程中机械振动或环境干扰引起的目标漂移需要额外的监测干涉仪进行监测补偿；另一种是多波长干涉相位同步探测，一般是利用光栅等分光器件将多个波长的干涉光波进行空间分离，再使用多个探测器分别探测，这种方式可实现多个波长对应干涉相位的同步解调，但多个探测器对应的机械振动不同步会引入合成波长相位测量误差。

技术实现思路

[0003]针对现有方法中的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法。使用电光相位调制器(电光相位调制器)对多波长激光光源以不同的频率进行正弦相位调制，多波长合光光束经迈克尔逊干涉仪得到频分复用多波长干涉信号，采用相位生成载波(PGC)解调方法，从干涉信号中同时提取各波长对应的干涉相位，利用多波长干涉法实现绝对距离精确测量，可用于高端装备制造、精密计量等领域。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的具体技术方案是：
[0005]一、一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置：
[0006]装置包括光源模块、干涉测量模块和信号处理模块；光源模块的输出端连接到干涉测量模块的输入端，干涉测量模块输出干涉信号至信号处理模块，信号处理模块输出调制信号至光源模块。
[0007]所述的光源模块包括多个激光器、多个电光相位调制器、光纤耦合器和光纤准直器；多个激光器发出各自的激光，经各自的电光相位调制器相位调制后由光纤耦合器合光后通过激光准直器输出多波长激光进而输入至干涉测量模块；
[0008]所述的干涉测量模块包括偏振分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、偏振片和光电探测器；多波长激光经过偏振分光镜发生反射和透射，多波长激光中的垂直偏振光被偏振分光镜反射后射向参考角锥棱镜，经参考角锥棱镜的反射后回到偏振分光镜再反射；多波长激光中的水平偏振光被偏振分光镜透射后射向测量角锥棱镜，经测量角锥棱镜的反射
后回到偏振分光镜再透射；回到偏振分光镜再透射的光和再反射的光合光后，入射到偏振片处发生干涉，干涉光被光电探测器探测获得干涉信号；
[0009]所述的信号处理模块包括信号处理板、高压放大器和计算机；光电探测器和信号处理板电连接，信号处理板分别和高压放大器和计算机连接，高压放大器和光源模块的各个电光相位调制器连接。
[0010]所述电光相位调制器中电光晶体的光轴方向和激光器输出激光的偏振方向之间的夹角为45
°
，偏振片的偏振化方向与激光器输出激光的偏振方向相同。
[0011]所述的测量角锥棱镜和待测物体固定连接。
[0012]多个激光器发出不同波长的激光，在激光准直器处合光。
[0013]二、一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法：
[0014]所述方法的步骤如下：
[0015]第i个激光器输出的激光波长为λ
i
，对第i电光相位调制器加载的调制信号表示为V
i
(t)＝A
i
cosω
i
t，其中A
i
和ω
i
分别为第i电光相位调制器加载的调制信号的幅值和角频率；
[0016]第i个激光器输出的激光波长入射至第i电光相位调制器后在第i电光相位调制器内部分解为非寻常光(e光)和寻常光(o光)，由调制信号V
i
(t)引起的非寻常光的调制相位和寻常光的调制相位为：
[0017][0018]其中，V
πei
和V
πoi
分别为激光波长λ
i
对应的非寻常光和寻常光的相位调制半波电压；
[0019]第i个激光器的调制光被偏振分光镜透射和反射，平行偏振光(对应o光)和垂直偏振光(对应e光)分别进入干涉仪的测量臂和参考臂，因电光晶体对o光和e光的相位调制深度不同，由第i电光相位调制器引起的第i激光器对应干涉仪的调制相位为：
[0020][0021]其中，z
i
是第i个激光器在装置中对应干涉仪的相位调制深度。
[0022]由此获得后续1)和5)中的第i个激光器在装置中对应干涉仪的相位调制深度z
i
计算为：
[0023]z
i
＝(1/V
πoi
‑
1/V
πei
)A
i
π
[0024]其中，V
πei
和V
πoi
分别为激光波长λ
i
对应的非寻常光和寻常光的相位调制半波电压，A
i
为第i电光相位调制器加载的调制信号的幅值。
[0025]1)通过光电探测器探测得到的干涉信号为多个波长对应干涉信号的叠加，即频分复用多波长干涉信号S(t)：
[0026][0027]其中，S
i
为干涉信号的幅值，N为激光器的个数，i表示激光器的序号，i＝1,2,
…
,N，L表示待测距离，n
i
为激光波长λ
i
对应的空气折射率，为第i个激光器在装置中对应干涉仪的由L引起的干涉相位，J
2k
(z
i
)和J
2k
‑1(z
i
)分别为偶数阶贝塞尔函数和奇数阶贝塞尔函数，J0(z
i
)为零阶贝塞尔函数，k为正整数参数；z
i
是第i个激光器在装置中对应干涉仪的相位调制深度；
[0028]2)数字频率合成器产生载波信号cosω
i
(t)及其二倍频cos2ω
i
(t),同时产生每个激光器对应的角频率为ω
i
(t)的正弦调制信号加载到各自的电光相位调制器中；
[0029]频分复用多波长干涉信号S(t)分别通过第一乘法器和第二乘法器与数字频率合成器产生的载波信号cosω
i
(t)及其二倍频cos2ω
i
(t)相乘，再分别通过第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置，其特征在于：包括光源模块(I)、干涉测量模块(II)和信号处理模块(III)；光源模块(I)的输出端连接到干涉测量模块(II)的输入端，干涉测量模块(II)输出干涉信号至信号处理模块(III)，信号处理模块(III)输出调制信号至光源模块(I)。2.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置，其特征在于：所述的光源模块(I)包括多个激光器、多个电光相位调制器、光纤耦合器(7)和光纤准直器(8)；多个激光器发出各自的激光，经各自的电光相位调制器相位调制后由光纤耦合器(7)合光后通过激光准直器(8)输出多波长激光进而输入至干涉测量模块(II)；所述的干涉测量模块(II)包括偏振分光镜(9)、参考角锥棱镜(10)、测量角锥棱镜(11)、偏振片(12)和光电探测器(13)；多波长激光经过偏振分光镜(9)发生反射和透射，多波长激光中的垂直偏振光被偏振分光镜(9)反射后射向参考角锥棱镜(10)，经参考角锥棱镜(10)的反射后回到偏振分光镜(9)再反射；多波长激光中的水平偏振光被偏振分光镜(9)透射后射向测量角锥棱镜(11)，经测量角锥棱镜(11)的反射后回到偏振分光镜(9)再透射；回到偏振分光镜(9)再透射的光和再反射的光合光后，入射到偏振片(12)处发生干涉，干涉光被光电探测器(13)探测获得干涉信号；所述的信号处理模块(III)包括信号处理板(14)、高压放大器(15)和计算机(16)；光电探测器(13)和信号处理板(14)电连接，信号处理板(14)分别和高压放大器(15)和计算机(16)连接，高压放大器(15)和光源模块(I)的各个电光相位调制器连接。3.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置，其特征在于：所述电光相位调制器中电光晶体的光轴方向和激光器输出激光的偏振方向之间的夹角为45
°
，偏振片(12)的偏振化方向与激光器输出激光的偏振方向相同。4.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置，其特征在于：所述的测量角锥棱镜(11)和待测物体固定连接。5.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置，其特征在于：多个激光器发出不同波长的激光，在激光准直器(8)处合光。6.用于权利要求1所述测距装置的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：1)通过光电探测器(13)探测得到的干涉信号为多个波长对应干涉信号的叠加，即频分复用多波长干涉信号S(t)：
其中，S
i
为干涉信号的幅值，N为激光器的个数，i表示激光器的序号，i＝1,2,
…
,N，L表示待测距离，n
i
为激光波长λ
i
对应的空气折射率，为第i个激光器在装置中对应干涉仪的干涉相位，J
2k
(z
i
)和J
2k
‑1(z
i
)分别为偶数阶贝塞尔函数和奇数阶贝塞尔函数，J0(z
i
)为零阶贝塞尔函数，k为正整数参数；z
i
是第i个激光器在装置中对应干涉仪的相位调制深度；2)数字频率合成器(17)产生载波信号cosω
i
(t)及其二倍频cos2ω
i
(t),同时产生每个激光器对应的角频率为ω
i
(t)的正弦调制信号加载到各自的电光相位调制器中；频分复用多波长干涉信号S(t)分别通过第一乘法器(18)和第二乘法器(19)与数字频率合成器(17)产生的载波信号cosω
i
(t)及其二倍频cos2ω
i
(t)相乘，再分别通过第一低通滤波器(20)和第二低通滤波器(21)滤除载波信号的基频及高次谐波信号，得到一对关于待解调相位的正交信号：其中，LPF[]表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世华，严利平，陈本永，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：