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专利号: 2017113394522
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-09-06
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置,其特征在于:

包括光源系统(I)、正弦相位调制干涉系统(II)和信号处理系统(III);光源系统(I)输出端连接到正弦相位调制干涉系统(II)的输入端,正弦相位调制干涉系统(II)输出干涉光束到信号处理系统(III);

所述的光源系统(I)包括飞秒光频梳(1)、第一激光器(2)、第二激光器(3)、反射镜(4)和第一分色镜(5);第一激光器(2)与第二激光器(3)均锁定至飞秒光频梳(1)上,第二激光器(3)输出端发出波长为λb的激光经反射镜(4)反射后与第一激光器(2)输出波长为λa的激光一起在第一分色镜(5)处合光,第一分色镜(5)合束光输出作为所述的光源系统(I)的输出光;

所述的正弦相位调制干涉系统(II)包括分光镜(6)、参考角锥棱镜(7)、相位调制器(8)、测量角锥棱镜(11)、信号发生器(9)和高压放大器(10);光源系统(I)输出光射向分光镜(6)发生透射和反射,分光镜(6)的透射光经参考角锥棱镜(7)反射到电光相位调制器(8),经电光相位调制器(8)调制后输出返回入射到分光镜(6);分光镜(6)的反射光射向测量角锥棱镜(11),经测量角锥棱镜(11)反射后与电光相位调制器(8)输出光回到分光镜(6)处合光输出,形成干涉信号;电光相位调制器(8)经高压放大器(10)与信号发生器(9)的输出端连接;

所述的信号处理系统(III)包括第二分色镜(13)、第一滤光片(14)、第一光电探测器(15)、第二滤光片(16)、第二光电探测器(17)、数据采集模块(18)和计算机(19);正弦相位调制干涉系统(II)的干涉信号入射到第二分色镜(13)发生透射和反射,第二分色镜(13)的透射光经第一滤光片(14)后被第一光电探测器(15)探测接收,第二分色镜(13)的反射光经第二滤光片(16)后被第二光电探测器(17)探测接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置,其特征在于:

还包括数据采集模块(18)和计算机(19),所述的信号发生器(9)具有两个输出端,信号发生器(9)一个输出端经高压放大器(10)电光相位调制器(8)连接,信号发生器(9)另一个输出端连接到数据采集模块(18)的输入端,第一光电探测器(15)和第二光电探测器(17)连接到数据采集模块(18)的输入端,数据采集模块(18)的输出端连接到计算机(19);分光镜(6)和参考角锥棱镜(7)之间以及分光镜(6)和测量角锥棱镜(11)之间设有用于检测温度、湿度、压强、二氧化碳等环境参数值的环境参数测量模块(12),环境参数测量模块(12)连接到计算机(19)。

3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置,其特征在于:所述的光源系统(I)中,第一激光器(2)的输出波长λa固定,第二激光器(3)的输出波长λb是变化的,且λa和λb分别属于可见光和近红外光光谱波段。

4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置,其特征在于:所述的光源系统(I)和信号处理系统(III)中,第一分色镜(5)和第二分色镜(13)均对第一激光器(2)输出波长λa的光束进行透射,对第二激光器(3)输出波长为λb的光束进行反射。

5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置,其特征在于:所述的信号处理系统(III)中通过数据采集模块(18)同时采集信号发生器(9)输出信号以及第一光电探测器(15)和第二光电探测器(17)的信号,然后传输至计算机(19)进行信号处理,根据PGC解调原理对测量干涉仪和补偿干涉仪对应的干涉信号进行实时相位解调,得到待测绝对距离的值。

6.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置,其特征在于:

所述的信号处理系统(III)中,第一滤光片(14)对第一激光器(2)输出波长λa的光束有透射作用,阻止第二激光器(3)输出波长为λb的光束通过;第二滤光片(16)对第二激光器(3)输出波长为λb的光束有透射作用,阻止第一激光器(2)输出波长λa的光束通过。

7.用于权利要求1所述测距装置的一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距方法,其特征在于:在测量角锥棱镜(11)沿光轴移动过程中,所述方法步骤如下:

1)t0时刻,采用所述测距装置,将第一激光器(2)和第二激光器(3)分别锁定至飞秒光频梳(1)上,通过飞秒光频梳(1)锁定第一激光器(2)和第二激光器(3)输出激光的频率分别为νa和νb0;

记录t0时刻第一激光器(2)和第二激光器(3)输出频率为νa、νb0的两路激光各自对应的干涉条纹小数εa0、εb0,0≤εa0,εb0<1;并且由环境参数测量模块(12)采集到的环境参数值,由环境参数值转换计算获得t0时刻第一激光器(2)和第二激光器(3)输出频率为νa和νb0的两路激光各自对应的空气折射率na0、nb0;

2)t0时刻后,解除飞秒光频梳(1)对第二激光器(3)的频率锁定,对第二激光器(3)的PZT调制输入端施加一个扫描电压,使第二激光器(3)的输出频率进行正向扫描;

t1时刻,将第二激光器(3)重新锁定至飞秒光频梳(1),锁定后第二激光器(3)输出激光的频率为νb1,νb1>νb0,记录t0至t1时刻第二激光器(3)输出激光对应的干涉条纹整数变化Δm10、t1时刻第二激光器(3)输出激光对应的干涉条纹小数εb1、t0至t1时刻第一激光器(2)输出激光对应的干涉条纹变化量ΔNa1以及t1时刻由环境参数测量模块(12)采集到的环境参数值,由环境参数值转换计算获得t1时刻第一激光器(2)和第二激光器(3)输出频率为νa和νb1的两路激光各自对应的空气折射率na1和nb1;

然后采用以下两个公式联立进行求解获得绝对距离粗测值L1和t0至t1时刻待测绝对距离的漂移量为ΔL1:

其中,λS1为第二激光器(3)频率正向扫描所构建的首级合成波长,λS1=c/(nb1νb1-nb0νb0),c表示真空光速;

3)t1时刻后,再次解除飞秒光频梳(1)对第二激光器(3)的频率锁定,通过控制第二激光器(3)内部的直流电机使第二激光器(3)的频率发生增加跳变;

t2时刻,将第二激光器(3)重新锁定至飞秒光频梳(1),锁定后第二激光器(3)输出激光的频率为νb2,νb2>νb1,记录t2时刻第二激光器(3)输出激光对应的干涉条纹小数εb2、t0至t2时刻第一激光器(2)输出激光对应的干涉条纹变化量ΔNa2以及t2时刻由环境参数测量模块(12)采集到的环境参数值,由环境参数值转换计算获得t2时刻第一激光器(2)和第二激光器(3)输出频率为νa和νb2的两路激光各自对应的空气折射率na2和nb2,0≤εb2<1;

然后采用以下公式求解获得t0至t2时刻待测绝对距离的漂移量为ΔL2:

4)采用以下公式计算获得t0至t2时刻待测绝对距离漂移引起的第二激光器(3)输出激光的干涉条纹变化量ΔNb20:再采用以下公式根据干涉条纹变化量ΔNb20对干涉条纹小数εb2进行修正:

其中,frac()表示求取小数部分,εb′2表示修正后的干涉条纹小数εb2;

5)t0至t2时刻第二激光器(3)输出激光的频率从νb0跳变至νb2对应的二级合成波长为λS2,采用以下公式计算二级合成波长λS2对应的干涉条纹小数εS2:其中,εS2表示二级合成波长λS2对应的干涉条纹小数;

再采用以下公式计算二级合成波长λS2对应的干涉条纹整数mS2:

其中,mS2表示二级合成波长λS2对应的干涉条纹整数,floor()表示向下取整;

最后采用以下公式计算获得待测绝对距离的精测值L2:

其中,λS2表示t0至t2时刻第二激光器(3)输出激光的频率从νb0跳变至νb2对应的二级合成波长,λS2=c/(nb2νb2-nb0νb0)。