[發明專利]基于外差激光干涉儀同時測量距離和位移的裝置及其方法

在審

• 申請號: 201910757968.1
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN110412606A
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 梁浴榕;李潤兵;王謹;詹明生
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S7/48;G01B11/02;G01B9/02
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 黃瑞棠

本發明公開了一種基于外差激光干涉儀同時測量距離和位移的裝置及其方法，涉及激光干涉精密測量和數字信號處理領域。本裝置包括待測物體(40)，設置有信號源(10)、數字解調電路(20)和外差激光干涉儀(30)；信號源(10)與外差激光干涉儀(20)連接，用于調制激光頻率和驅動聲光移頻器；信號源(10)同時與數字解調電路(30)連接，用于提供參考信號；外差激光干涉儀(20)與待測物體(40)連通，用于產生激光干涉拍頻信號；外差激光干涉儀(20)與數字解調電路(30)連接，用于提供拍頻信號。本發明適用于激光測距的精密測量領域，可用于改善測距精度指標、以及制作高精度測量距離和位移的傳感器件。

技術領域

本發明涉及激光干涉精密測量和數字信號處理領域，尤其涉及一種基于外差激光干涉儀同時測量距離和位移的裝置及其方法，適用于激光測距的精密測量領域，同時也可用于制作高精度測量距離和位移的傳感器件。

背景技術

精密測量長度或者距離在前沿基礎應用、工業和航空制造以及空間工程等領域具有極為重要的意義。隨著航空技術、衛星編隊飛行、深空探測成像以及高端制造技術的快速發展，對大尺度空間精密測量的需求越來越迫切，主要指標要求體現在大尺度/距離、高精度和快速響應，需要距離測量的范圍從幾米到幾百萬公里，測量的精度從微米到米量級。

激光干涉儀是衛星地球重力場測量、空間引力波探測等計劃中的關鍵裝置之一，它通過測量兩束激光的拍頻信號的相位來獲取兩顆衛星的相對位移，精度達到納米甚至皮米量級。時間延遲干涉測量方法可以抑制激光器頻率噪聲對位移測量的影響，其中關鍵技術之一是測量相距百萬公里的兩顆衛星之間的絕對距離，測量精度需要達到米量級。

目前，在該領域同時測量絕對距離和相對位移，需要高精度的外差激光干涉儀來測量相對位移，同時結合偽隨機碼測距和深空網來測量絕對距離。偽隨機碼測距的精度可達亞米量級，量程約為幾百公里；深空網測距量程可達百萬公里量級，測距精度約為米至千米量級。現有技術在同時測量絕對距離和相對位移時還存在測量裝置眾多、復雜的缺點。因此實現同時高精度測量絕對距離和相對位移，是方法或者技術上的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于外差激光干涉儀同時測量距離和位移的裝置及其方法，具有方法易行，測量精度高等特點。通過對外差激光干涉儀中的激光頻率做正弦調制、再利用數字解調電路實現同時獲取距離和位移數據，克服了現有技術同時測量絕對距離和相對位移的裝置眾多且復雜的困難。

一、基于外差激光干涉儀同時測量距離和位移的裝置(簡稱裝置)

本裝置包括待測物體，設置有信號源、外差激光干涉儀和數字解調電路；

信號源與外差激光干涉儀連接，用于調制激光頻率和驅動聲光移頻器；信號源同時與數字解調電路連接，用于提供參考信號；外差激光干涉儀與待測物體連通，用于產生激光干涉拍頻信號；外差激光干涉儀與數字解調電路連接，用于提供拍頻信號。

二、基于外差激光干涉儀同時測量距離和位移的方法(簡稱方法)

本方法包括下列步驟：

①來自于信號源的參考信號fr，與來自于外差激光干涉儀的拍頻信號fh，分別被第1模數轉換電路和第2模數轉換電路采集后轉換為數字信號；

②上述數字信號經過FPGA電路中的數字鎖相環做相位解調運算，得到參考信號fr和拍頻信號fh的相位；相位作減法后得到相位差數據，該數據的變化反映了待測物體的相對位移Δx；

③數字鎖相環同時解調拍頻信號fh的頻率；頻率數據再通過幅度解調數據處理之后，得到頻率的正弦幅度數據，該數據反映了待測物體的距離L；

④相位差數據、頻率正弦變化的幅度數據經過降采樣濾波器處理后，再通過串口通訊傳送至計算機進行圖形顯示與存儲。

本發明具有以下優點和積極效果：