1.一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
方法采用基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置,所述的多波长干涉绝对距离测量装置包括光源模块(I)、干涉测量模块(II)和信号处理模块(III);光源模块(I)的输出端连接到干涉测量模块(II)的输入端,干涉测量模块(II)输出干涉信号至信号处理模块(III),信号处理模块(III)输出调制信号至光源模块(I);
所述方法的步骤如下:
1)通过光电探测器(13)探测得到的干涉信号为多个波长对应干涉信号的叠加,即频分复用多波长干涉信号S(t):其中,Si为干涉信号的幅值,N为激光器的个数,i表示激光器的序号,i=1,2,…,N,L表示待测距离,ni为激光波长λi对应的空气折射率, 为第i个激光器在装置中对应干涉仪的干涉相位, J2k(zi)和J2k‑1(zi)分别为偶数阶贝塞尔函数和奇数阶贝塞尔函数,J0(zi)为零阶贝塞尔函数,k为正整数参数;zi是第i个激光器在装置中对应干涉仪的相位调制深度;
2)数字频率合成器(17)产生载波信号cosωi(t)及其二倍频cos2ωi(t),同时产生每个激光器对应的角频率为ωi(t)的正弦调制信号加载到各自的电光相位调制器中;
频分复用多波长干涉信号S(t)分别通过第一乘法器(18)和第二乘法器(19)与数字频率合成器(17)产生的载波信号cosωi(t)及其二倍频cos2ωi(t)相乘,再分别通过第一低通滤波器(20)和第二低通滤波器(21)滤除载波信号的基频及高次谐波信号,得到一对关于待解调相位 的正交信号:其中,LPF[]表示低通滤波操作, 表示t时刻的干涉相位;
3)根据相位调制深度zi获得相位调制深度zi下的一阶贝塞尔函数J1(zi)和二阶贝塞尔函数J2(zi)的值,将正交信号通过除法器(22)相除再通过反正切运算器(23),同时得到各激光波长对应的干涉相位,表示为:
4)设多个激光器发出各自激光的波长分别满足λ1>λ2>…>λN,计算第1级合成波长λS1对应的干涉相位 得到第1级合成波长对应的测量距离为:λS1=λ1λ2/(λ1‑λ2)
其中,floor()表示向下取整,nS1为第1级合成波长λS1对应的空气折射率,L0表示初测距离,距离初测不确定度满足u(L0)<λS1/4,u()表示不确定度函数;
同理,除了第1级合成波长以外的其他第i级合成波长λSi对应的测量距离为:
λSi=λ1λi+1/(λ1‑λi+1)
其中, Φi表示第i级合成波长对应的干涉相位,nSi为第i级合成波长λSi对应的空气折射率,第i‑1级合成波长对应的距离测量不确定度满足u(Li‑1)<λSi/4。
2.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:所述1)中,每个激光器的激光波长的调制频率及其谐频不与其它任一波长的调制频率及谐频重叠,使得多波长相位调制频率的选择满足如下关系:aωi≠bωj,a=1,2,...,[zi+1];b=1,2,...,[zj+1];i,j=1,2,...,N;i≠j.其中,α、β分别表示第一、第二频率的倍数,ωi和ωj分别表示第i电光相位调制器和第j电光相位调制器加载的调制信号的角频率,N表示激光器的总数,[]表示向上取整。
3.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:所述2)中,第一低通滤波器(20)和第二低通滤波器(21)的截止频率ωL的选择满足如下条件:其中,min{}表示取最小值,||表示取绝对值。
4.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:所述1)和3)中的第i个激光器在装置中对应干涉仪的相位调制深度zi计算为:zi=(1/Vπoi‑1/Vπei)Aiπ
其中,Vπei和Vπoi分别为激光波长λi对应的非寻常光和寻常光的相位调制半波电压,Ai为第i电光相位调制器加载的调制信号的幅值。
5.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:所述的光源模块(I)包括多个激光器、多个电光相位调制器、光纤耦合器(7)和光纤准直器(8);多个激光器发出各自的激光,经各自的电光相位调制器相位调制后由光纤耦合器(7)合光后通过激光准直器(8)输出多波长激光进而输入至干涉测量模块(II);
所述的干涉测量模块(II)包括偏振分光镜(9)、参考角锥棱镜(10)、测量角锥棱镜(11)、偏振片(12)和光电探测器(13);多波长激光经过偏振分光镜(9)发生反射和透射,多波长激光中的垂直偏振光被偏振分光镜(9)反射后射向参考角锥棱镜(10),经参考角锥棱镜(10)的反射后回到偏振分光镜(9)再反射;多波长激光中的水平偏振光被偏振分光镜(9)透射后射向测量角锥棱镜(11),经测量角锥棱镜(11)的反射后回到偏振分光镜(9)再透射;
回到偏振分光镜(9)再透射的光和再反射的光合光后,入射到偏振片(12)处发生干涉,干涉光被光电探测器(13)探测获得干涉信号;
所述的信号处理模块(III)包括信号处理板(14)、高压放大器(15)和计算机(16);光电探测器(13)和信号处理板(14)电连接,信号处理板(14)分别和高压放大器(15)和计算机(16)连接,高压放大器(15)和光源模块(I)的各个电光相位调制器连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:所述电光相位调制器中电光晶体的光轴方向和激光器输出激光的偏振方向之间的夹角为45°,偏振片(12)的偏振化方向与激光器输出激光的偏振方向相同。
7.根据权利要求5所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:所述的测量角锥棱镜(11)和待测物体固定连接。
8.根据权利要求5所述的一种基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量方法,其特征在于:多个激光器发出不同波长的激光,在激光准直器(8)处合光。