[發明專利]波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法

無效

• 申請號: 201010238444.0
• 申請日: 2010-07-28
• 公開（公告）號: CN101936747A
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發明（設計）人: 孫強;李也凡
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01D3/036
• 分類號: G01D3/036
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 南小平

技術領域

本發明屬于精密測量技術中采用波動方法，包括外差干涉法的技術領域，涉及一種波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法。

背景技術

在真實的物質世界中，波動這一類運動形式存在著多種物質載體。我們可以不失一般性地采用光波或其它形式的電磁波為例來討論，激光外差干涉法是一個典型的利用波動來測量的方法。

激光外差干涉法可以用來測量位移和振動等物理量，是目前最好的納米測量方法之一。該方法是將被測位移量轉變到外差信號的頻率或者相位變化中，再將這種變化測量出來，由于外差信號的頻率比光頻低得多，光電信號容易處理，容易經過電子細分而達到較高的測量分辨率。這種方法可以達到皮米(pm)或更好的測量分辨率。

但是在光外差干涉法這類技術中普遍存在著非線性(nonlinearity)問題，這個問題也同樣存在于其它種類波動的外差干涉測量中，比如普通電磁波，這些因素是納米測量的主要誤差來源，使其精度一般只有納米級，甚至十幾納米，其原因是作為外差干涉的測量光和參考光中兩個頻率不同的光線成分不能很好的分離，相互“串擾”。這些周期性的非線性誤差問題，多年來一直是該領域技術進一步發展的障礙。

多年來，國內外學者不斷地發明了一些改善的方法，但也多存在一些限制或問題，例如文獻‘V?G?Badami，and?S?R?Patterson，A?frequency?domain?method?for?the?measurement?of?nonlinearity?in?heterodyne?interferometry，Prec.Eng.，Vol.24，pp.41-9，2000.’公開了使用速率計和頻譜儀在移動系統直接測量非線性誤差成分并進行補償；文獻‘Tae?Bong?Eom，Tae?Young?Choi，Keon?Hee?Lee?et?al..A?simple?method?for?the?compensation?of?the?nonlinearity?in?the?heterodyne?interferometer[J].Meas.Sci.Technol.，2002，13：222～225’公開了對相位信號積分后進行橢圓擬合的方法來補償非線性誤差；文獻‘High?resolution?heterodyne?interferometer?without?detectable?periodic?nonlinearity，Ki-Nam?Joo，Jonathan?D.Ellis，Eric?S.Buice，Jo?W.Spronck，and?Robert?H.Munnig?Schmidt，Optics?Express，Vol.18，Issue?2，pp.1159-1165?2010’公開了使用雙頻激光器加上兩個聲光器件移頻等手段來消除非線性誤差。這些方法可以在沒有其它的輔助干涉儀存在時補償非線性誤差，但系統復雜，而且有些還需要大量的波動信號周期和相對大量的運算，影響測量的實時性。2007年，我國業界著名學者侯文玫等(外差激光干涉儀非線性的細分和消除，上海理工大學光電學院，上海200093，計量學報-2007，28(3).-210～215)公布了一種可以有效地減小雙頻激光干涉儀的各種非線性誤差的方法，它可以成倍地減小測量結果的相對誤差。其方法是改變干涉儀的結構，增加測量光程的折返倍數。這樣就提高了測量靈敏度。即提高了單位位移量對應的光電探測器輸出的交流電信號的相位變化量，使其呈同樣倍數地增加。而非線性誤差對應的相角(誤差)的振幅是不變的。即成倍地減小了測量結果的相對誤差。在一定的范圍內，這個方法有很好的效果。但問題是如果要成數量級地減小非線性誤差，比如將非線性誤差減小到百分之一，那就需要上百倍的折返光路，而一般的講，這是困難的。

發明內容

本發明的目的是提供一種波動探測方法中非線性誤差的基波(也稱基頻，在業內的文章中也被叫做一次諧波)和奇次諧波的消除法，可以消除周期性的非線性誤差，提高測量精度，將非線性誤差降低2-3個數量級以上。

光外差干涉系統測量光臂的光電探測器所獲得的，是以形成干涉的兩束異頻光的光頻差為頻率的交流電信號，這個交流電信號還包含一個應該與被測位移成精確的比例關系的，反應了被測物體位移量的相位差，而這個相位差正是由異頻的兩束光的相位差產生的。這種形成干涉的兩光束的相位差信號就是我們在外差干涉法中所要得到的，包含著被探測物理量信息的信號。