[發(fā)明專利]激光掃頻干涉測(cè)量的非線性校正與量程擴(kuò)展裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110337099.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN113029034A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張雪冰清;許新科;孔明;郭天太;趙軍;王道檔;劉璐;劉維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24;G01B9/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種用于激光掃頻干涉測(cè)量的非線性校正與量程擴(kuò)展裝置及方法。裝置中的分束器將可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光分為兩束進(jìn)入主光路和輔助光路，由于可調(diào)諧激光器發(fā)出頻率可被線性調(diào)制的信號(hào)，并且主光路中的延遲單模光纖和輔助光路中的延遲單模光纖的由于長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致雙光路中的信號(hào)形成光程差，從而構(gòu)成基本的邁克爾遜干涉儀，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信息數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)，再結(jié)合擴(kuò)相頻率采樣法對(duì)信號(hào)做處理，即通過對(duì)輔助干涉儀拍相位的擴(kuò)展，使系統(tǒng)滿足奈奎斯特采樣定律，完成對(duì)測(cè)量信號(hào)拍頻非線性校正。有益效果：利用擴(kuò)相頻率采樣法對(duì)信號(hào)做處理，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的拍頻非線性校正，提高測(cè)量精度，并解決量程受限的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于激光掃頻干涉測(cè)量的非線性校正與量程擴(kuò)展裝置及方法。

背景技術(shù)

隨著各種大尺寸物件以及復(fù)雜形貌物件的三維幾何檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精密測(cè)量技術(shù)的要求越來越高。激光掃頻干涉測(cè)量技術(shù)就是一種可以實(shí)現(xiàn)小尺寸、非接觸、高精度、自動(dòng)化、便攜式的測(cè)量技術(shù)。激光發(fā)出的光束頻率受到線性調(diào)制，通過聚焦系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)上的測(cè)量光與激光器直接發(fā)出來的參考光發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生拍頻，拍頻頻率中包含被測(cè)目標(biāo)的距離信息，經(jīng)過解算就能得到被測(cè)目標(biāo)的深度信息。但是激光掃頻干涉絕對(duì)距離測(cè)量方法要求激光器發(fā)出的激光在理想情況下呈線性形式，在實(shí)際中激光器的調(diào)頻非線性將造成目標(biāo)頻譜展寬，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，采用頻率采樣法可以校正測(cè)量信號(hào)的拍頻非線性。然而根據(jù)奈奎斯特采樣定理，要求被測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的光程不能超過輔助干涉儀光程的1/2，在原理上限制了系統(tǒng)的測(cè)距范圍。通過對(duì)輔助干涉儀拍信號(hào)擴(kuò)大相位，并進(jìn)行頻率采樣的方法，不僅解決了測(cè)量信號(hào)的拍頻非線性問題，提高了測(cè)距精度，也使測(cè)量信號(hào)滿足奈奎斯特采樣定理。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有激光測(cè)距技術(shù)中激光器掃頻非線性的問題，本發(fā)明提供了一種激光測(cè)距裝置，即在測(cè)量光路中采用雙光路的設(shè)計(jì)方法：主光路與輔助光路相結(jié)合，再利用擴(kuò)相頻率采樣法對(duì)提取到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，完成對(duì)測(cè)量信號(hào)的拍頻非線性校正，解決測(cè)量量程受限問題，該方法拓展了測(cè)距方法的適用條件。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于低信噪比信號(hào)的激光測(cè)距裝置，它包含以下設(shè)備：可調(diào)諧激光器、99：1分束器Ⅰ、99：1分束器Ⅱ、環(huán)形器、準(zhǔn)直儀、變焦透鏡、延遲單模光纖Ⅰ、耦合器Ⅰ、光電探測(cè)器Ⅰ、50：50分束器、延遲單模光纖Ⅱ、耦合器Ⅱ、光電探測(cè)器Ⅱ、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。

可調(diào)諧激光器輸出的信號(hào)通過99：1分束器Ⅰ分束，99％的信號(hào)進(jìn)入到主光路，1％的信號(hào)進(jìn)入到輔助光路。主光路的信號(hào)再經(jīng)99：1分束器Ⅱ分束，其中99％的信號(hào)穿過環(huán)形器，經(jīng)準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直后透過變焦透鏡出射至目標(biāo)，帶有目標(biāo)信息的反射信號(hào)沿原路返回后與另一束經(jīng)過延遲單模光纖Ⅰ的信號(hào)在耦合器Ⅰ中耦合，經(jīng)光電探測(cè)器Ⅰ探測(cè)并轉(zhuǎn)化為正弦形式的信號(hào)，輸送至數(shù)據(jù)采集卡中記錄。進(jìn)入輔助光路的信號(hào)被50：50分束器分束，一束經(jīng)過延遲單模光纖Ⅱ，另一束作為本振信號(hào)，兩路信號(hào)經(jīng)耦合器Ⅱ耦合，同樣由光電探測(cè)器Ⅱ探測(cè)并轉(zhuǎn)化為正弦形式的信號(hào)，再輸送至數(shù)據(jù)采集卡中記錄。對(duì)輔助干涉信號(hào)希爾伯特變換提取相位并擴(kuò)展，進(jìn)一步利用頻率采樣法，解決測(cè)量信號(hào)的拍頻非線性問題。最終利用傅里葉變換解算測(cè)量信號(hào)頻率，經(jīng)過公式推導(dǎo)計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的距離信息。

作為優(yōu)選，可調(diào)諧激光器頻率為1KHz，可穩(wěn)定地輸出頻率可被調(diào)制的激光信號(hào)。信號(hào)出射端經(jīng)準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直，再經(jīng)變焦透鏡出射，變焦透鏡角度可以根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的位置調(diào)整，以提高測(cè)量時(shí)的和穩(wěn)定性。

作為優(yōu)選，裝置中的99：1分束器將可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光信號(hào)分為兩束分別進(jìn)入主光路和輔助光路，由于可調(diào)諧激光器發(fā)出頻率可被線性調(diào)制的信號(hào)，并且主光路中的延遲單模光纖Ⅰ和輔助光路中的延遲單模光纖Ⅱ的由于長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致雙光路中的信號(hào)形成光程差，兩路信號(hào)在到達(dá)光電探測(cè)器時(shí)頻率不同，從而構(gòu)成基本的邁克爾遜干涉儀，發(fā)生干涉現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)，再結(jié)合擴(kuò)相頻率采樣法對(duì)信號(hào)做處理，將它的處理結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換解算被測(cè)距離。