[發明專利]混合外差式可溯源精測尺He-Ne激光測距裝置與方法

有效

• 申請號: 201410263608.3
• 申請日: 2014-06-14
• 公開（公告）號: CN104035086A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 楊宏興;譚久彬;胡鵬程
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S11/12
• 分類號: G01S11/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于相位激光測量技術，主要涉及一種相位激光測距裝置與方法。

背景技術

大尺寸測量在發展大型精密機械制造、重大科技工程、航空航天工業、船舶工業和微電子裝備業等大型光機電一體化裝備加工制造中備受關注，其中幾米至幾百米范圍的大尺寸測量是航空航天器及巨型船舶中的大型零部件加工和整體裝配的重要基礎，其測量方法與設備性能的優劣直接影響工件質量及裝配精度，進而影響整套裝備的運行質量、性能及壽命。多測尺相位測距方法利用一組從大到小的測尺波長對被測距離進行逐級精化測量，解決了測量范圍和測量精度之間的相互矛盾，能在數百米超長作用距離內達到亞毫米至微米級的靜態測量精度。

在多測尺相位激光測距技術中，盡管多測尺逐級測量的方式兼顧了測量范圍與測量精度的需求，但由于光源技術的限制，粗測尺與精測尺不能夠同時產生并進行相位測量，造成了測量時間過長，測量結果實時性差的問題，另一方面由于在多測尺相位激光測距技術中以測尺波長大小為基準進行測量，測尺波長的穩定性直接影響激光測距的精度，因此如何獲得高穩定性的粗測尺與精測尺波長，并且使之同時參與測量是目前提高多測尺相位激光測距精度與實時性的主要問題。

測尺的穩定性與同步產生技術與光源技術有關，通過對相位激光測距法的激光光源技術的分析可知，目前國內外相位法的調制手段有電流直接調制、光調制和模間拍頻調制等。

直接電流調制法利用半導體激光器，光強隨電流變化而變化的特點，來對半導體激光器的輸出光強進行調制，具有簡單易調制等優點。文獻[Siyuan?Liu,?Jiubin?Tan?and?Binke?Hou.?Multicycle?Synchronous?Digital?Phase?Measurement?Used?to?Further?Improve?Phase-Shift?Laser?Range?Finding.?Meas.?Sci.?Technol.?2007,18:1756–1762]與專利[多頻同步調制的大量程高精度快速激光測距裝置與方法,公開號：CN1825138]都闡述了一種基于半導體激光器的電流調制方法，其采用多頻同步合成的復合信號對激光輸出功率進行同步調制，實現了在同一時刻得到多頻調制測距中各測尺頻率針對被測距離的測量結果，但是為了獲得線性調制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調制信號電流的同時加一適當的偏置電流使其輸出信號不失真，直流偏置的引入加大了功耗，在長時間工作時溫度升高，會影響輸出光功率的穩定性，導致調制波形變形，且隨著調制頻率的增加，調制深度會降低，導致調制波形變形，不能進行高頻調制，限制了精測尺波長的大小及穩定度；另一方面在大尺寸測量的實際應用過程中激光在長距離傳輸過程中容易造成激光功率的損失，造成對調制波波形的影響，進而影響測尺的準確度及穩定度，其測尺的頻率穩定度一般小于10^-7。

利用光調制方法主要為聲光調制法和電光調制法，其調制帶寬受到激光光束直徑等等多因素的影響，也會帶來波形變形，特別是在高頻(千兆赫茲)時就更為嚴重，因此它所形成大的測尺，測量精度由于受到最大測尺頻率的限制而難以提高。

利用激光器不同模式輸出所形成的拍頻信號作為測尺的方法，稱為模間調制。此方法的調制帶寬與激光器的腔長相關，He-Ne激光器穩頻技術成熟，它的頻率穩定度高，由其所獲得的測尺的穩定度高，專利[高精度多頻同步相位激光測距裝置與方法,公開號：CN?102419166]和專利[基于雙聲光移頻的多頻同步相位激光測距裝置與方法,?公開號：CN?102305591A]都利用了He-Ne激光器的模間調制并結合聲光移頻技術，獲得了高精度的精測尺和粗測尺，但該方法所產生的測尺不具備可溯源性，其測量時絕對測尺長度需另一檢測系統給出，增加了測量的復雜性；另一方面，這種利用外差法獲得精測尺相位的方法，其處理信號的頻率較高，會對后續的相位測量難度和測量精度造成一定的影響，假定測相精度為0.05^o，距離測量精度要達到1?um-10?um，則信號頻率至少為2GHz-20GHz,遠超出信號處理電路的帶寬。?