[發(fā)明專利]一種大范圍絕對(duì)距離測(cè)量中空氣折射率的修正方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610078210.1
• 申請(qǐng)日: 2016-02-04
• 公開（公告）號(hào): CN105737733A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳本永;張世華;嚴(yán)利平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B9/02
• 分類號(hào): G01B9/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及絕對(duì)距離測(cè)量中空氣折射率的修正方法，尤其涉及一種大范圍絕對(duì)距離測(cè)量中空氣折射率的修正方法。

背景技術(shù)

激光干涉法距離測(cè)量的刻度尺是激光波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)值等于激光真空波長(zhǎng)和空氣折射率的乘積。激光干涉測(cè)距的不確定度主要來源于空氣折射率測(cè)量的不確定度，特別是在干涉法大范圍(指待測(cè)的絕對(duì)距離大于1m以上)絕對(duì)距離測(cè)量中，可實(shí)現(xiàn)的測(cè)距精度一般不受激光波長(zhǎng)穩(wěn)定性的限制，而是依賴于環(huán)境參數(shù)的精確測(cè)量，要得到更精確的測(cè)距結(jié)果，必須知道沿激光光路方向的實(shí)時(shí)空氣折射率。常用的空氣折射率測(cè)量和補(bǔ)償方法是PTF法，即通過傳感器測(cè)得周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、濕度和空氣中CO₂的濃度，根據(jù)Edlén公式計(jì)算得到空氣折射率，在溫度能得到良好控制的實(shí)驗(yàn)室條件下，能達(dá)到1×10^-8的測(cè)量精度。但這種方法的精確度會(huì)因空氣質(zhì)量的不穩(wěn)定和不均勻而受到限制，在一般的實(shí)驗(yàn)室和車間環(huán)境下，溫度的改變和漸變比其他參數(shù)的改變更快、更具有局部性，在有較強(qiáng)空氣擾動(dòng)的極端工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，壓強(qiáng)和濕度的變化也需要考慮。傳統(tǒng)的空氣折射率測(cè)量方法中溫度的測(cè)量?jī)H僅體現(xiàn)在單點(diǎn)、幾個(gè)點(diǎn)或鄰近光路的一條線上，通過一個(gè)或幾個(gè)溫度傳感器很難探測(cè)溫度梯度，且溫度傳感器的反應(yīng)時(shí)間也比較長(zhǎng)，從幾秒到幾分鐘，快速的溫度改變不能被及時(shí)的檢測(cè)到。通過折射率計(jì)測(cè)出的空氣折射率也只是特定時(shí)間和給定地點(diǎn)的折射率值，并不是激光干涉儀進(jìn)行距離測(cè)量整條光路上的空氣折射率。因此由于空氣折射率的時(shí)間變化和空間分布，使用傳統(tǒng)的空氣折射率測(cè)量與補(bǔ)償方法沿著精確的測(cè)量光路對(duì)待測(cè)的絕對(duì)距離進(jìn)行修正是難以實(shí)現(xiàn)的。

雙色法是采用不同顏色的激光通過長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)現(xiàn)空氣折射率的自我修正的方法，它運(yùn)用了空氣折射率的色散關(guān)系，使得溫度與氣壓對(duì)測(cè)距精度的影響大大減小，幾乎可以忽略不計(jì)，測(cè)距結(jié)果只略受空氣中水蒸氣的影響，而在很多情況下濕度測(cè)量都可以達(dá)到足夠的精度，因此雙色法是實(shí)現(xiàn)大范圍絕對(duì)距離測(cè)量中空氣折射率全路徑自我修正的有效方法。

雙色法空氣折射率修正的關(guān)鍵是：決定色散系數(shù)大小的兩個(gè)激光波長(zhǎng)的選擇和兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光程差的高精度測(cè)量。由于兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光程差的測(cè)量不確定度會(huì)被色散系數(shù)放大，從而影響最終的距離修正精度，故色散系數(shù)越小越有利于提高修正精度，這就需要有較大波長(zhǎng)差的兩個(gè)激光波長(zhǎng)，通常使用兩個(gè)具有倍頻(或三倍頻)關(guān)系的波長(zhǎng)(例如一個(gè)是可見光波長(zhǎng)，另一個(gè)是近紅外光波長(zhǎng))進(jìn)行雙色法測(cè)量，可降低色散系數(shù)，從而降低激光的波長(zhǎng)不確定度或漂移對(duì)測(cè)量精度帶來的影響。但較大波長(zhǎng)差的兩個(gè)激光波長(zhǎng)之間的寬間隔引起的色差會(huì)引入較大誤差，而且需要特殊的透鏡和分光鏡等光學(xué)器件來降低色差的影響，這使得光學(xué)系統(tǒng)的造價(jià)提高，且兩色光的波長(zhǎng)差較大時(shí)測(cè)量環(huán)境中空氣擾動(dòng)引起的激光強(qiáng)度和干涉信號(hào)相位波動(dòng)也會(huì)使得兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光程差的測(cè)量不確定度提高，從而影響距離修正精度。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述背景技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種大范圍絕對(duì)距離測(cè)量中空氣折射率的修正方法，采用基于激光單波長(zhǎng)與合成波長(zhǎng)的雙色法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量中空氣折射率的自我修正，為大范圍絕對(duì)距離測(cè)量提供了一種空氣折射率的精確補(bǔ)償方法。

達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下：

(1)第一激光器輸出單波長(zhǎng)λ₁固定的激光光束，第二激光器依次輸出波長(zhǎng)從小到大即λ₂₁＜λ₂₂＜…＜λ_2i＜…＜λ_2n可調(diào)的激光光束，兩激光光束經(jīng)第一偏振分光鏡合光后形成正交線偏振光，進(jìn)入由分光鏡、第二偏振分光鏡、第一角錐棱鏡和第二角錐棱鏡構(gòu)成的激光干涉系統(tǒng)；