[實(shí)用新型]一種基于外差激光干涉儀同時(shí)測(cè)量距離和位移的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201921336617.5
• 申請(qǐng)日: 2019-08-16
• 公開（公告）號(hào): CN210803717U
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁浴榕;李潤(rùn)兵;王謹(jǐn);詹明生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G01S17/08
• 分類號(hào): G01S17/08;G01S7/48;G01B11/02;G01B9/02
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所 42001
• 代理人: 黃瑞棠

本實(shí)用新型公開了一種基于外差激光干涉儀同時(shí)測(cè)量距離和位移的裝置，涉及激光干涉精密測(cè)量和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。本裝置包括待測(cè)物體(40)，設(shè)置有信號(hào)源(10)、數(shù)字解調(diào)電路(20)和外差激光干涉儀(30)；信號(hào)源(10)與外差激光干涉儀(20)連接，用于調(diào)制激光頻率和驅(qū)動(dòng)聲光移頻器；信號(hào)源(10)同時(shí)與數(shù)字解調(diào)電路(30)連接，用于提供參考信號(hào)；外差激光干涉儀(20)與待測(cè)物體(40)連通，用于產(chǎn)生激光干涉拍頻信號(hào)；外差激光干涉儀(20)與數(shù)字解調(diào)電路(30)連接，用于提供拍頻信號(hào)。本實(shí)用新型適用于激光測(cè)距的精密測(cè)量領(lǐng)域，可用于改善測(cè)距精度指標(biāo)、以及制作高精度測(cè)量距離和位移的傳感器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及激光干涉精密測(cè)量和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于外差激光干涉儀同時(shí)測(cè)量距離和位移的裝置，適用于激光測(cè)距的精密測(cè)量領(lǐng)域，同時(shí)也可用于制作高精度測(cè)量距離和位移的傳感器件。

背景技術(shù)

精密測(cè)量長(zhǎng)度或者距離在前沿基礎(chǔ)應(yīng)用、工業(yè)和航空制造以及空間工程等領(lǐng)域具有極為重要的意義。隨著航空技術(shù)、衛(wèi)星編隊(duì)飛行、深空探測(cè)成像以及高端制造技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)大尺度空間精密測(cè)量的需求越來(lái)越迫切，主要指標(biāo)要求體現(xiàn)在大尺度/距離、高精度和快速響應(yīng)，需要距離測(cè)量的范圍從幾米到幾百萬(wàn)公里，測(cè)量的精度從微米到米量級(jí)。

激光干涉儀是衛(wèi)星地球重力場(chǎng)測(cè)量、空間引力波探測(cè)等計(jì)劃中的關(guān)鍵裝置之一，它通過(guò)測(cè)量?jī)墒す獾呐念l信號(hào)的相位來(lái)獲取兩顆衛(wèi)星的相對(duì)位移，精度達(dá)到納米甚至皮米量級(jí)。時(shí)間延遲干涉測(cè)量方法可以抑制激光器頻率噪聲對(duì)位移測(cè)量的影響，其中關(guān)鍵技術(shù)之一是測(cè)量相距百萬(wàn)公里的兩顆衛(wèi)星之間的絕對(duì)距離，測(cè)量精度需要達(dá)到米量級(jí)。

目前，在該領(lǐng)域同時(shí)測(cè)量絕對(duì)距離和相對(duì)位移，需要高精度的外差激光干涉儀來(lái)測(cè)量相對(duì)位移，同時(shí)結(jié)合偽隨機(jī)碼測(cè)距和深空網(wǎng)來(lái)測(cè)量絕對(duì)距離。偽隨機(jī)碼測(cè)距的精度可達(dá)亞米量級(jí)，量程約為幾百公里；深空網(wǎng)測(cè)距量程可達(dá)百萬(wàn)公里量級(jí)，測(cè)距精度約為米至千米量級(jí)。現(xiàn)有技術(shù)在同時(shí)測(cè)量絕對(duì)距離和相對(duì)位移時(shí)還存在測(cè)量裝置眾多、復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此實(shí)現(xiàn)同時(shí)高精度測(cè)量絕對(duì)距離和相對(duì)位移，是方法或者技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于外差激光干涉儀同時(shí)測(cè)量距離和位移的裝置，具有方法易行，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)外差激光干涉儀中的激光頻率做正弦調(diào)制、再利用數(shù)字解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)同時(shí)獲取距離和位移數(shù)據(jù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)同時(shí)測(cè)量絕對(duì)距離和相對(duì)位移的裝置眾多且復(fù)雜的困難。

一、基于外差激光干涉儀同時(shí)測(cè)量距離和位移的裝置(簡(jiǎn)稱裝置)

本裝置包括待測(cè)物體，設(shè)置有信號(hào)源、外差激光干涉儀和數(shù)字解調(diào)電路；

信號(hào)源與外差激光干涉儀連接，用于調(diào)制激光頻率和驅(qū)動(dòng)聲光移頻器；信號(hào)源同時(shí)與數(shù)字解調(diào)電路連接，用于提供參考信號(hào)；外差激光干涉儀與待測(cè)物體連通，用于產(chǎn)生激光干涉拍頻信號(hào)；外差激光干涉儀與數(shù)字解調(diào)電路連接，用于提供拍頻信號(hào)。

二、基于外差激光干涉儀同時(shí)測(cè)量距離和位移的方法(簡(jiǎn)稱方法)

本方法包括下列步驟：

①來(lái)自于信號(hào)源的參考信號(hào)fr，與來(lái)自于外差激光干涉儀的拍頻信號(hào)fh，分別被第1模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和第2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

②上述數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA電路中的數(shù)字鎖相環(huán)做相位解調(diào)運(yùn)算，得到參考信號(hào)fr和拍頻信號(hào)fh的相位；相位作減法后得到相位差數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的變化反映了待測(cè)物體的相對(duì)位移Δx；

③數(shù)字鎖相環(huán)同時(shí)解調(diào)拍頻信號(hào)fh的頻率；頻率數(shù)據(jù)再通過(guò)幅度解調(diào)數(shù)據(jù)處理之后，得到頻率的正弦幅度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)反映了待測(cè)物體的距離L；

④相位差數(shù)據(jù)、頻率正弦變化的幅度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)降采樣濾波器處理后，再通過(guò)串口通訊傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形顯示與存儲(chǔ)。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：