1.一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置,其特征在于:
装置包括单频激光器(1)、光纤分束器(2)、声光移频器(3)、第一电光相位调制器(4)、第二电光相位调制器(5)、正交光纤合束器(6)、准直器(7)、分光棱镜(8)、偏振分光棱镜(9)、参考角锥棱镜(10)、测量角锥棱镜(11)、驱动放大器(12)、第一宽带放大器(13)、第二宽带放大器(14)、固定时钟源(15)、第一可调时钟源(16)、第二可调时钟源(17)、原子钟(18)、计算机(19)、信号处理模块(20)、第一光电探测器(21)、第二光电探测器(22)、第一检偏器(23)和第二检偏器(24);
单频激光器(1)的输出端连接至光纤分束器(2)的输入端,光纤分束器(2)的两个输出端分别连接至声光移频器(3)和第二电光相位调制器(5)的输入端,声光移频器(3)的输出端连接至第一电光相位调制器(4)的输入端,第一电光相位调制器(4)的输出端和第二电光相位调制器(5)的输出端连接至正交光纤合束器(6)的两个输入端,正交光纤合束器(6)的输出端连接至准直器(7)的输入端;原子钟(18)分别连接至固定时钟源(15)、第一可调时钟源(16)和第二可调时钟源(17)的输入端;固定时钟源(15)输出端连接至驱动放大器(12)的输入端,驱动放大器(12)输出端连接到声光移频器(3)的控制端;第一可调时钟源(16)和第二可调时钟源(17)的输出端分别连接至第一宽带放大器(13)和第二宽带放大器(14)的输入端,第一宽带放大器(13)和第二宽带放大器(14)的输出端分别书连接到第一电光相位调制器(4)的输出端和第二电光相位调制器(5)的控制端;
准直器(7)的输出端输出空间光入射至由分光棱镜(8)、偏振分光棱镜(9)、参考角锥棱镜(10)、测量角锥棱镜(11)、第一光电探测器(21)、第二光电探测器(22)、第一检偏器(23)和第二检偏器(24)组成的外差干涉光路,经外差干涉光路中的第一光电探测器(21)、第二光电探测器(22)采集两路干涉信号。
2.根据权利要求1所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置,其特征在于:
所述的外差干涉光路中,准直器(7)的输出空间光先入射分光棱镜(8)发生透射和反射,分光棱镜(8)的反射光经第一检偏器(23)后入射到第一光电探测器(21)中获得检测干涉信号,分光棱镜(8)的透射光再入射到参考角锥棱镜(10)的一处发生透射和反射,参考角锥棱镜(10)一处的反射光经参考角锥棱镜(10)内部的逆反射后在参考角锥棱镜(10)的另一处发生反射,参考角锥棱镜(10)一处的透射光经测量角锥棱镜(11)逆反射后回到参考角锥棱镜(10)的另一处发生透射,参考角锥棱镜(10)的另一处的反射光和透射光合束后经反射镜后再经第二检偏器(24)入射到第二光电探测器(22)中获得测量干涉信号。
3.根据权利要求1所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置,其特征在于:
还包括双动态边带控制与信号处理模块,双动态边带控制与信号处理模块具体包括相互连接的计算机(19)和信号处理模块(20),原子钟(18)连接至信号处理模块(20)的输入端;计算机(19)的输出端连接至第一可调时钟源(16)和第二可调时钟源(17)的输入端,第一光电探测器(21)和第二光电探测器(22)的输出端连接至信号处理模块(20)的输入端,信号处理模块(20)的相位输出端连接至计算机(19),计算机(19)分别和第一可调时钟源(16)和第二可调时钟源(17)连接。
4.一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于,方法包括如下步骤:
1)单频激光器输出单频激光并分为两束激光,其中一束激光经声光调制器AOM移频获得,另一束激光与移频后的激光通过一对频率可调的电光相位调制器EOPM进行高频正弦相位调制,产生一对频率间隔不同并且动态可调的双动态边带;
2)不同频率的双动态边带分别形成测量光和参考光,经多外差干涉探测得测量光与参考光的干涉信号,分别获得测量干涉信号与监测干涉信号;
3)控制一对电光相位调制器的调制频率以同样的跳频量进行动态跳频,并测量获得每次跳频后的测量干涉信号和监测干涉信号,根据干涉信号处理获得一级合成波长,根据一级合成波长获得二级合成波长,并处理获得一级合成波长和二级合成波长的合成波长相位差;
4)控制双动态边带循环执行步骤1)到步骤4),一共进行P次动态跳频,每次动态跳频时有2Q个动态边带同时参与测量并可同时构建Q个二级合成波长,P次动态跳频共构建PQ个二级合成波长,将这PQ个二级合成波长记为Q×P矩阵形式获得二级合成波长矩阵Λss;
5)完成步骤4)所述P次动态跳频后,控制双动态边带频率跳回初始值k=0,以二级合成波长矩阵中的最小二级合成波长Λss[Q](P)对应的最终合成波长过渡结果Lss[Q](P)作为一级合成波长的合成波长过渡初始值,再次进一步逐阶进行一级合成波长过渡,求得各阶激光边带的一级合成波长Λs[j](k)对应的合成波长过渡结果Ls[j],将各阶动态跳频后的一级合成波长Λs[j](k)对应的合成波长过渡结果Ls[j]进行加权平均获得最终绝对距离。
5.根据权利要求4所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
所述3)中,每次第k次动态跳频后,双动态边带中测量光与参考光的的激光频率分别设置为fM[i](k)和fR[i](k):fM[i](k)=fo+i·fr1(k)
fR[i](k)=(fo‑fa)+i·fr2(k)
其中,fo表示单频激光的频率,fa表示声光移频器的移频频率,fr1(k)与fr2(k)分别表示一对电光相位调制器在第k次动态跳频下的调制频率,k表示电光相位调制器的调制频率的序号,k=0,1,2,3……P,P表示动态跳频的总次数;i表示调制产生的激光边带的阶数,i=
0,±1,±2,……±Q,Q表示最大阶数;fM[i](k)和fR[i](k)分别表示第k次动态跳频后的测量光与参考光中第i阶激光边带的激光频率;fM[j](k)和fM[‑j](k)分别表示第k次动态跳频后的测量光中第j阶和第‑j阶激光边带的激光频率。
6.根据权利要求5所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
所述3)中,采用测量光中对称的正负阶边带构建一级合成波长Λs[j](k),公式如下:
其中,Λs[j](k)表示第k次动态跳频下的第j阶激光边带的一级合成波长,下标s表示一级,λM[j](k)、λM[‑j](k)分别表示测量光中第j阶激光边带与第‑j阶激光边带的激光波长,c表示真空光速;取±Q阶以内的激光边带用于构建合成波长,j=1,2,3……Q;
第k次跳频量与一对电光相位调制器的调制频率之间建立以下关系:
Δfr(k)=fr1(k)‑fr1(k‑1)=fr2(k)‑fr2(k‑1)
然后每次第k次动态跳频后,利用第k次的一级合成波长与第k‑1次的一级合成波长来构建获得二级合成波长,公式如下:其中,Λss[j](k)表示第k次动态跳频下的第j阶激光边带的二级合成波长,下标ss表示二级,Δfr(k)表示两电光相位调制器调制频率第k次的跳频量。
7.根据权利要求4所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
所述3)中,对测量与监测干涉信号进行放大滤波和下混频,下混频后的两路信号通过现场可编程门阵列信号处理器(FPGA)进行信号处理,按照以下公式获得测量干涉信号与监测干涉信号中的同阶边带信号的相位差:其中, 表示第k次动态跳频下的测量干涉信号中频率等于Fi(k)的干涉信号的相位, 表示第k次动态跳频下的监测干涉信号中频率等于Fi(k)的干涉信号的相位,表示测量干涉信号与监测干涉信号中第i阶激光边带的相位差;
再按照以下公式求解一级合成波长Λs[j](k)的合成波长相位差 与二级合成波长Λss[j](k)的合成波长相位差 表示如下:φss[j](k)=φss[j](k)‑φss[j](k‑1)
其中, 表示第k次动态跳频下的由测量光中±j阶激光边带构建的一级合成波长
的合成波长相位差, 表示第k次动态跳频下的由测量光中±j阶激光边带构建的二级合成波长的合成波长相位差。
8.根据权利要求4所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
所述3)中,控制每次的跳频量大小使得二级合成波长随着跳频次数k的增加而逐级缩小,同时每次跳频时二级合成波长随着动态边带阶数序号j的增加而逐阶缩小。
9.根据权利要求4所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
所述4)中,采用双循环方式对二级合成波长矩阵Λss进行合成波长“列过渡”与“行过渡”计算,实现从Λss[1](1)到Λss[Q](P)的合成波长过渡:“列过渡”指从第1列到第P列逐列进行合成波长过渡,“行过渡”指每一列中从第1行到第Q行逐行进行合成波长链过渡;
针对每一列每一行的二级合成波长,均根据当前的合成波长过渡初始值进行合成波长过渡;
所述的合成波长过渡按照以下公式进行处理:
其中,int[]表示就近取整,Lin表示当前的合成波长过渡初始值,Lout表示合成波长过渡结果,Λ与ε表示当前列当前行的二级合成波长与对应的合成波长相位差;
最终完成二级合成波长矩阵Λss中所有二级合成波长Λss[j](k)的合成波长过渡,获得最终二级合成波长过渡结果,即第P列第Q行的二级合成波长Λss[Q](P)的合成波长过渡结果Lss[Q](P)。
10.根据权利要求4所述的一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法,其特征在于:
所述5)中,将各次动态跳频后的一级合成波长Λs[j](k)对应的合成波长过渡结果Ls[j]进行加权平均获得最终绝对距离,计算过程如下:其中,LADM为双动态边带多外差干涉绝对距离测量的最终结果。