[發明專利]基于飛秒光頻梳的正弦相位調制干涉絕對測距裝置與方法

有效

• 申請號: 201711339452.2
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108120378B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 陳本永;張世華;嚴利平
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種基于飛秒光頻梳的正弦相位調制干涉絕對測距裝置與方法。包括光源系統、正弦相位調制干涉系統和信號處理系統；光源系統輸出包含不同波長的兩路激光光束，射向正弦相位調制干涉系統，干涉光束射向信號處理系統進行相位解調，根據頻率掃描干涉和多波長干涉原理得到待測距離；FSI中頻率掃描范圍和MWI中每個波長的值都由飛秒光頻梳標定，將距離測量直接溯源至時間頻率基準。本發明光路結構簡單、測量范圍大、精度高，可用于大型裝備制造、精密計量等領域。

技術領域

本發明屬于激光干涉絕對距離測量技術領域，具體涉及到一種基于飛秒光頻梳的正弦相位調制干涉絕對測距裝置與方法。

背景技術

隨著我國先進制造業水平的不斷提高，大型精密機床的測量、大型飛機輪船的裝配、汽輪機和水輪機主軸長度的測量、衛星編隊飛行中衛星位置監測等應用迫切需求大范圍、高精度的絕對距離測量技術。飛行時間法和基于合成波長的干涉法是實現絕對距離測量的兩大類方法。飛行時間法受時間測量精度的限制，距離測量精度只能達到毫米量級。基于合成波長的干涉法中合成波長可用多臺不同波長的激光器通過多波長干涉法(MWI)構建，但光源結構復雜、靈活性差；也可用一臺可調諧激光器通過頻率掃描干涉法(FSI)得到，然而目前常用的可調諧激光器的頻率掃描范圍將合成波長限制在毫米級，從而限制了距離測量精度；將FSI與MWI相結合，FSI作為粗測，MWI作為精測，構建一系列從大到小的合成波長，可實現大范圍、高精度的絕對距離測量。FSI與MWI相結合進行絕對距離測量的關鍵問題是：頻率掃描范圍和各波長值的標定、頻率掃描或波長調節過程中目標漂移的補償以及相位的精確解調。

傳統的頻率掃描范圍和各波長值的標定方法大多采用FP干涉儀或分子吸收線法，采用FP干涉儀頻率標定精度較低，而分子吸收線只有某些固定頻率可用，使用不靈活。飛秒光頻梳的出現是激光光源技術的一次重大飛躍，建立了光學頻率和微波頻率之間的橋梁，飛秒光頻梳的頻率穩定性可達10^-12，且頻譜成分豐富，頻帶寬度可達幾十THz，各頻率成分以重復頻率為間隔均勻分布。FSI中的頻率掃描范圍和MWI中各激光的波長通過飛秒光頻梳標定，不但能大大提高激光波長的穩定性，還可將距離測量直接溯源至時間頻率基準。頻率掃描和波長調節過程中目標的漂移引起的干涉條紋變化會被誤認為合成波長干涉條紋，乘以放大因子A＝合成波長/激光波長，產生測量誤差，故頻率掃描和波長調節過程中目標漂移的補償至關重要。FSI和MWI中的相位解調方法可分為外差探測法和零差探測法兩大類，外差探測中工作光源為一對具有微小頻差的正交線偏振光，一般通過聲光調制器移頻再經過偏振分光鏡合光得到，光路結構較復雜，且光源的非理想正交和偏振分光鏡引起的偏振泄露會引入非線性解調誤差。零差探測法可分為有源零差法、無源零差法和相位生成載波(PGC)零差法。有源零差法采用光路方法實現正交偏置，為了減小信號衰落帶來的影響，需要在干涉儀中加入移相器進行反饋控制，使得干涉儀工作在正交工作點處，該方法動態范圍小，且工作環境帶來的初相漂移影響其低頻解調特性；無源零差法采用電路方法實現正交偏置，其代表是3×3耦合器法，無需在干涉儀中加入移相器，但干涉儀的隨機相位衰落導致輸出信號信噪比隨機漲落，甚至信號完全消隱。PGC零差法是在干涉信號中引入一個解調信號帶寬外的高頻周期性信號，克服了有源零差法中動態范圍小，閉環容易產生振蕩現象等不足，同時克服了無源零差解調中環境帶來的信號衰落問題，具有動態范圍大、靈敏度高、線性度好、測相精度高等優點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于飛秒光頻梳的正弦相位調制干涉絕對測距裝置與方法，光路結構簡單、測量范圍大、精度高，可用于大型裝備制造、精密計量等領域。