[發(fā)明專利]高精度同步混合外差式相位激光測距裝置與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410263609.8
• 申請日: 2014-06-14
• 公開（公告）號: CN104155643B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊宏興;譚久彬;胡鵬程
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光測量技術(shù)，主要涉及一種相位激光測距裝置與方法。?

背景技術(shù)

大尺寸測量在發(fā)展大型精密機械制造、重大科技工程、航空航天工業(yè)、船舶工業(yè)和微電子裝備業(yè)等大型光機電一體化裝備加工制造中備受關(guān)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(chǔ)，其測量方法與設(shè)備性能的優(yōu)劣直接影響工件質(zhì)量及裝配精度，進而影響整套裝備的運行質(zhì)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(shù)百米超長作用距離內(nèi)達到亞毫米至微米級的靜態(tài)測量精度。?

在多測尺相位激光測距技術(shù)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(shù)的限制，粗測尺與精測尺不能夠同時產(chǎn)生并進行相位測量，造成了測量時間過長，測量結(jié)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(shù)中以測尺波長大小為基準進行測量，測尺波長的穩(wěn)定性直接影響激光測距的精度，因此如何獲得高穩(wěn)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(wěn)定性與同步產(chǎn)生技術(shù)與光源技術(shù)有關(guān)，通過對相位激光測距法的激光光源技術(shù)的分析可知，目前國內(nèi)外相位法的調(diào)制手段有電流直接調(diào)制、光調(diào)制和模間拍頻調(diào)制等。?

直接電流調(diào)制法利用半導(dǎo)體激光器，光強隨電流變化而變化的特點，來對半導(dǎo)體激光器的輸出光強進行調(diào)制，具有簡單易調(diào)制等優(yōu)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(diào)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(dǎo)體激光器的電流調(diào)制方法，其采用多頻同步合成的復(fù)合信號對激光輸出功率進行同步調(diào)制，實現(xiàn)了在同一時刻得到多頻調(diào)制測距中各測尺頻率針對被測距離的測量結(jié)果，但是為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當?shù)钠秒娏魇蛊漭敵鲂盘柌皇д妫绷髌玫囊爰哟罅斯模陂L時間工作時溫度升高，會影響輸出光功率的穩(wěn)定性，導(dǎo)致調(diào)制波形變形，且隨著調(diào)制頻率的增加，調(diào)制深度會降低，導(dǎo)致調(diào)制波形變形，不能進行高頻調(diào)制，限制了精測尺波長的大小及穩(wěn)定度；另一方面在大尺寸測量的實際應(yīng)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(diào)制波波形的影響，進而影響測尺的準確度及穩(wěn)定度，其測尺的頻率穩(wěn)定度一般小于10^-7。?

利用光調(diào)制方法主要為聲光調(diào)制法和電光調(diào)制法，其調(diào)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(diào)制。此方法的調(diào)制帶寬與激光器的腔長相關(guān)，He-Ne激光器穩(wěn)頻技術(shù)成熟，它的頻率穩(wěn)定度高，由其所獲得的測尺的穩(wěn)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(diào)制并結(jié)合聲光移頻技術(shù)，獲得了高精度的精測尺和粗測尺，但該方法所產(chǎn)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(tǒng)給出，增加了測量的復(fù)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(xù)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1um-10um，則信號頻率至少為2GHz-20GHz,遠超出信號處理電路的帶寬。?