CN102168944B - 用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法，该双频激光干涉仪的结构包括光源、光纤耦合器、隔离器、准直器、光电探测器、压电陶瓷、数据采集卡和计算机。所述的光源是两个波长不相等的半导体激光器，且带有光源控制器；光电探测器将接收到的干涉信号转换成电信号输入到数据采集卡内，并通过计算机进行数据处理得到待测距离。本发明干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合，扩大了测量范围，利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，提高了测量精度。

Description

用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及绝对距离测量干涉仪，特别是一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法。

背景技术

距离测量在工业生产及科研中占有重要地位。干涉测量技术因为具有高精度、高分辨率、非接触性等优点被广泛应用于绝对距离测量。正弦相位调制干涉技术是一种国际前沿的干涉测量技术，具有精度高、调制方便、结构简单等优点，长期以来受到研究人员的重视，在绝对距离测量领域得到了很大发展。

用于绝对距离测量的正弦相位调制干涉仪具有纳米精度，但测量范围只有半个波长。为了解决这个问题，O.Sasaki等提出了一种双波长半导体激光干涉仪(在先技术[1]：“Two-wavelength sinusoidal phase modulating laser-diodeinterferometer insensitive to external disturbances”，Appl.Opt.30，4040-4045，1991)。此干涉仪采用两个光源，利用合成波长技术将测量范围扩大到152μm，扩大了测量范围，但仍然无法满足厘米量级的大范围测量，此外，由于在测量过程中，利用近似的干涉信号表达式对数据进行处理：

S(t)＝A₀+A₁cos(z₁cosω₁t+α₁)+A₂cos(z₂cosω₂t+α₂)

上式在信号处理得过程中没有考虑光强调制项的影响，从而引入了一定的系统误差测量精度只有6μm，无法满足高精度测量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种大范围高精度的绝对距离测量干涉仪。该干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合，扩大了测量范围，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，提高了测量精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪，特点在于其结构包括：带有第一光源控制器的第一光源、带有第二光源控制器的第二光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、隔离器、准直器、光电探测器、压电陶瓷、数据采集卡和计算机，所述的第一光源控制器为第一光源提供直流驱动电流和正弦交流电流，由第一光源发射的光束通过第一段光纤进入第一光纤耦合器内，由第一光纤耦合器出射后，通过第二段光纤进入隔离器，由隔离器出射后，通过第三段光纤进入第二光纤耦合器内，由第二光纤耦合器出射后通过第四段光纤，经过准直器准直后照射到被测物体上，由被测物体表面反射的光和由准直器出射端面反射的光通过准直器后，经过第五段光纤入射到光电探测器内，所述的第二激光控制器为第二光源提供直流驱动电流和正弦交流电流，第二光源的中心波长λ₂不等于第一光源的中心波长，由第二光源发射的光束通过第六段光纤进入第一光纤耦合器内，由第一光纤耦合器出射后，通过第二段光纤射入隔离器，由隔离器出射后，通过第三段光纤进入第二光纤耦合器内，由第二光纤耦合器出射后通过第四段光纤，经过准直器准直后照射到被测物体上，由被测物体表面反射的光和由准直器端面反射的光通过准直器后，经过第五段光纤进入光电探测器内，准直器上固定有压电陶瓷，数据采集卡包含三个输出端口：第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和两个输入端口：第一输入端口、第二输入端口，第一输出端口与第一光源控制器相连，第二输出端口与第二光源控制器相连，第三输出端口与计算机的输入端相连，第四输出端口与压电陶瓷相连，第一输入端口与光电探测器的输出端相连，第二输入端口与计算机的输出端口相连。计算机带有绝对距离测量程序，该程序包括粗测模块和细测模块，在测量过程中，粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值，细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。

上面所说的第一光源、第二光源均是半导体激光器，均作为测量光源用，而且两光源的发射波长λ₁、λ₂不相等。

所说的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第一光源的温度，使第一光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。

所说的第二光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第二光源的温度，使第二光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第二光源提供直流偏置和交流信号。

所说的隔离器只能使第一光源和第二光源发射的光通过，而从光路中返回的光束不能通过，也就是从光路中返回的光束射不到原发射光源上。

所说的准直器是指其出射光为平行光的光学元件。

所说的光电探测器内部集成有放大电路。

利用所说的绝对距离测量的双频激光干涉仪进行绝对距离的测量方法，具体测量步骤如下：

①参数测定：

开启第一光源，并使其注入电流保持为直流，利用数据采集卡产生的正弦信号驱动压电陶瓷PZT，使PZT产生一个振幅大于λ₀₁/8而小于λ₀₁/4正弦振动，此时所述的光电探测器所探测到的干涉信号为：

P₁′(t)＝S₁S₀₁+S₁S₁₁cos[α₁(t)+α₀₁]，

提取干涉信号P₁′(t)的直流分量S₁S₀₁，并利用公式S₁S₁₁cos[α₁(t)+α₀₁]＝P₁′(t)-S₁S₀₁计算干涉信号P₁′(t)的交流幅值S₁S₁₁。

开启第二光源，利用相同的方法确定P₂′(t)的直流分量S₂S₀₂与交流幅值S₂S₁₂。

②将相关参数S₁S₀₁，S₁S₁₁，S₂S₀₂，S₂S₁₂导入绝对距离测量程序

③距离粗测值l_c确定：

距离粗测模块控制数据采集卡输出三角波信号对第一光源的注入电流进行调制，并采集光电探测器探测到的线性调频信号：

$S_c\left(t\right)=C_1\cos [\mathrm{\α}-(2\mathrm{\π}/{\mathrm{\λ}}_0^2)l{{\mathrm{\β}}_1}^{\′}\mathrm{bt}]$

其中β₁′为第一光源的波长调制系数，b为三角波信号的幅值。截取一段干涉信号进行数波数可得

其中Δt所截取的干涉信号的时间，m为该干涉信号的波数。根据数据处理可得

线性调频干涉测量技术的测量精度较低，因此只能获得与待测距离l近似的粗测值l_c；

④通过数据采集卡获取光电探测器探测到的正弦相位调制干涉信号：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

＝g₁(t)[S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]+g₂(t)[S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

＝β₁′[I₀₁+I_m1(t)][S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]

+β₂′[I₀₂+I_m2(t)][S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

＝S₁(1+β₁cosω₁t)[S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]

+S₂(1+β₂cosω₂t)[S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

其中：g₁(t)和g₂(t)分别为第一光源和第二光源产生的干涉信号的光强调制项；S₁＝β₁′I₀₁，S₂＝β₂′I₀₂分别为第一光源和第二光源输出光强的直流分量；β₁＝a₁/I₀₁，β₂＝a₂/I₀₂分别为第一光源和第二光源注入电流交流成分的幅值与直流偏置的比值；S₀₁和S₁₁分别为不考虑光强调制时，干涉信号项S₁(t)和S₂(t)的直流成分，S₀₂和S₁₂分别为不考虑光强调制时，干涉信号项S₁(t)和S₂(t)的交流成分；和

为两干涉信号S₁(t)和S₂(t)对应的正弦相位调制深度；α₁＝(4π/λ₀₁)l和α₂＝(4π/λ₀₂)l为由准直器和待测物体之间的距离l所决定的相位。

⑤对干涉信号进行带通滤波，并利用快速傅里叶变换提取干涉信号的一阶和二阶频谱分量：

P₁₁＝β₁{S₁S₀₁+S₁S₁₁[J₀(z₁)-J₂(z₁)]cosα₁}-2S₁S₁₁J₁(z₁)sinα₁，

P₂₁＝-β₁S₁S₁₁[J₁(z₁)-J₃(z₁)]sinα₁-2S₁S₁₁J₂(z₁)cosα₁，

P₁₂＝β₂{S₂S₀₂+S₂S₁₂[J₀(z₂)-J₂(z₂)]cosα₂}-2S₂S₁₂J₁(z₂)sinα₂，

P₂₂＝-β₂S₂S₁₂[J₁(z₂)-J₃(z₂)]sinα₂-2S₂S₁₂J₂(z₂)cosα₂，

⑥将步骤⑤中由第一光源产生的干涉信号提取出的一阶和二阶频谱分量

P₁₁＝β₁{S₁S₀₁+S₁S₁₁[J₀(z₁)-J₂(z₁)]cosα₁}-2S₁S₁₁J₁(z₁)sinα₁，

P₂₁＝-β₁S₁S₁₁[J₁(z₁)-J₃(z₁)]sinα₁-2S₁S₁₁J₂(z₁)cosα₁

看作关于cosα₁和sinα₁的线性方程组，利用由粗测模块计算得到的距离粗测值l_c利用公式

确定细测时与第一光源对应的干涉信号的正弦相位调制深度z₁，结合相关参数S₁S₁₁，S₁S₀₁通过求解线性方程组，计算与第一光源对应的干涉信号相位的正弦值与余弦值：

$\left\{\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_1=\frac{K_{21}{A}_{21}-K_{41}{A}_{11}}{K_{31}{K}_{21}-K_{11}{K}_{41}}\\ \sin {\mathrm{\α}}_1=\frac{K_{31}{A}_{11}-K_{11}{A}_{21}}{K_{31}{K}_{21}-K_{11}{K}_{41}}\end{array}\right.,$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{11}=\frac{1}{S_1{S}_{11}}(P_{11}-{\mathrm{\β}}_1{S}_1{S}_{01})\\ A_{21}=\frac{1}{S_1{S}_{11}}{P}_{21}\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{11}={\mathrm{\β}}_1[J_0\left(z_1\right)-J_2\left(z_1\right)]\\ K_{21}=-2J_1\left(z_1\right)\\ K_{31}=-2J_2\left(z_1\right)\\ K_{41}=-{\mathrm{\β}}_1[J_1\left(z_1\right)-J_3\left(z_1\right)]\end{array}\right.$

根据正弦值与余弦值计算干涉信号的相位α₁。

⑦利用与步骤⑥类似的方法计算α₂。

⑧根据α₁和α₂计算与合成波长对应的相位：α＝α₁-α₂。

⑨将距离粗测值l_c导入，对2l_c/λ_e向下取整，计算满足

的整数n，其中λ_e＝λ₀₁λ₀₂/(λ₀₂-λ₀₁)为合成波长。并根据α和n通过下式计算待测距离l：

$l=\frac{1}{2}n{\mathrm{\λ}}_e+\frac{{\mathrm{\λ}}_e}{4\mathrm{\π}}\mathrm{\α}$

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、与在先技术[1]相比，本发明的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合，扩大了测量范围。

2、与在先技术[1]相比，本发明的用于绝对距离测量的双频激光干涉测量方法在处理干涉信号的过程中考虑了光源光强调制项的影响，通过求解线性方程组对相位进行计算，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明双波长绝对距离测量干涉仪的结构示意图。

图2是本发明绝对距离测量程序的流程图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明双波长绝对距离测量干涉仪的结构示意图如图1所示。由图可见，本发明双波长绝对距离测量干涉仪，包括带有第一光源控制器2的第一光源1、带有第二光源控制器11的第二光源10、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器5、隔离器4、准直器6、光电探测器7、压电陶瓷9、数据采集卡12和计算机13，所述的第一光源控制器2为第一光源1提供直流驱动电流和正弦交流电流，由第一光源1发射的光束通过第一段光纤301进入第一光纤耦合器3内，由第一光纤耦合器3出射后，通过第二段光纤302进入隔离器4，由隔离器4出射后，通过第三段光纤501进入第二光纤耦合器5内，由第二光纤耦合器5出射后通过第四段光纤502，经过准直器6准直后照射到被测物体8上，由被测物体8表面反射的光和由准直器6出射端面反射的光通过准直器6后，经过第五段光纤503入射到光电探测器7内，所述的第二激光控制器11为第二光源10提供直流驱动电流和正弦交流电流，第二光源10的中心波长λ₂不等于第一光源1的中心波长，由第二光源10发射的光束通过第六段光纤303进入第一光纤耦合器3内，由第一光纤耦合器3出射后，通过第二段光纤302射入隔离器4，由隔离器4出射后，通过第三段光纤501进入第二光纤耦合器5内，由第二光纤耦合器5出射后通过第四段光纤502，经过第一准直器6准直后照射到被测物体8上，由被测物体8表面反射的光和由准直器6端面反射的光通过准直器6后，经过第五段光纤503进入光电探测器7内，准直器6上固定有压电陶瓷9，数据采集卡12包含三个输出端口：第一输出端口12b、第二输出端口12c、第三输出端口12e和两个输入端口：第一输入端口12a、第二输入端口12d，第一输出端口12b与第一光源控制器2相连，第二输出端口12c与第二光源控制器11相连，第三输出端口12e与计算机13的输入端相连，第四输出端口12f与压电陶瓷9相连，第一输入端口12a与光电探测器7的输出端相连，第二输入端口12d与计算机13的输出端口相连。计算机13带有绝对距离测量程序，程序包括粗测模块和细测模块，在测量过程中，粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值，细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。

光电探测器7内部集成有放大电路。

绝对距离测量程序包括距离粗测模块和距离细测模块，其中计算机距离粗测模块通过数据采集卡12输出三角波信号对第一光源1的注入电流进行调制，采集光电探测器7探测到的线性调频信号，然后通过拍频法计算并存储待测距离的粗测值。

距离细测模块通过数据采集卡12获取光电探测器7探测到的正弦相位调制干涉信号，然后利用快速傅里叶变换提取干涉信号的一阶和二阶频谱分量，并利用由粗测模块计算得到的距离粗测值确定细测时与第一光源1和第二光源10对应的干涉信号的正弦相位调制深度，结合与反射率和光强相关的参数通过求解线性方程组计算与第一光源1和第二光源10对应的干涉信号相位的正弦值与余弦值，根据正弦值与余弦值计算出干涉信号的相位，并计算与合成波长对应的相位。最后根据与合成波长对应的相位和粗测模块得到的距离粗测值计算出待测距离。

第一光源控制器2为第一光源1提供直流、三角波交流或正弦交流电流，第二光源控制器11为第二光源10提供直流和正弦交流电流，两个光源控制器的交流信号由计算机控制数据采集卡12产生。第一光源1和第二光源10的出射光的波长和强度被正弦调制，两束被调制的光分别经过第一段光纤301和第六段光纤303进入第一光纤耦合器3，从第一光纤耦合器3出射的光经过第二段光纤302进入隔离器4，并依次经过第三段光纤501、第二光纤耦合器5、第四段光纤502和准直器6，一部分光在准直器与空气交界的端面反射，另一部分光经过准直器6后以平行光出射，经待测物体8表面反射后，又经准直器6进入光纤。被准直器6端面反射回去的参考光与物体表面反射的物光进行干涉，产生的干涉信号经过第四段光纤502、第二光纤耦合器5和第五段光纤503后，由光电探测器7检测。由光电探测器7检测到的信号由数据采集卡12采集并送入计算机13，经过计算机13数据处理后得到待测距离。

本发明的双波长绝对距离测量干涉仪工作时，先通过线性调频波长扫描技术获得距离粗测值，然后对第一光源1和第二光源10的注入电流进行正弦调制并采集干涉信号，根据距离粗测值计算干涉信号的正弦相位调制深度，并通过求解线性方程组精确地求出两个干涉信号相位的正弦值和余弦值，进而精确地求出与两个光源对应的干涉信号相位和与合成波长对应的相位以及待测距离。

如图2所示，测量程序距离粗测模块控制数据采集卡12输出三角波信号对第一光源1的注入电流进行调制，并采集光电探测器探测到的线性调频信号：

$S_c\left(t\right)=C_1\cos [\mathrm{\α}-(2\mathrm{\π}/{\mathrm{\λ}}_0^2)l{{\mathrm{\β}}_1}^{\′}\mathrm{bt}]$

其中β₁′为第一光源1的波长调制系数，b为三角波信号的幅值。截取一段干涉信号进行数波数可得

其中Δt所截取的干涉信号的时间，m为该干涉信号的波数。根据数据处理可得

线性调频干涉测量技术的测量精度较低，因此只能获得与待测距离l近似的粗测值l_c(在先技术[2]：“调频激光干涉绝对距离测量技术及其信号处理”，航空计测技术，17(2)，31～35，1997)。

测量程序细测模块通过绝对距离测量程序控制数据采集卡12向第一光源1和第二光源10注入电流后，第一光源1的波长λ₁(t)和强度g₁(t)，第二光源10的波长λ₂(t)和强度g₂(t)分别表示为：

λ₁(t)＝λ₀₁+β₀₁I_m1(t)，                              (1)

λ₂(t)＝λ₀₂+β₀₂I_m2(t)

g₁(t)＝β₁′[I₀₁+I_m1(t)]，                             (2)

g₂(t)＝β₂′[I₀₂+I_m2(t)]

其中：λ₀₁和λ₀₂分别为第一光源1和第二光源10的中心波长，β₀₁和β₀₂分别为第一光源1和第二光源10的波长随驱动电流的变化系数，β₁′和β₂′分别为第一光源1和第二光源10的光强随驱动电流的变化系数。I₀₁和I₀₂分别为第一光源控制器2和第二光源控制器11提供的直流偏置电流，I_m1(t)和I_m2(t)分别为第一光源控制器2和第二光源控制器11提供的正弦交流电流，它们可以表示为：

I_m1(t)＝a₁cosω₁t，                                    (3)

I_m2(t)＝a₂cosω₂t

其中：ω₁和ω₂分别为第一光源1和第二光源10正弦调制的角频率，a₁和a₂分别为第一光源控制器2和第二光源控制器11提供的正弦交流电流的幅度。

光电探测器7检测到的干涉信号可以表示为：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

＝g₁(t)[S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]+g₂(t)[S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

＝β₁′[I₀₁+I_m1(t)][S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]

+β₂′[I₀₂+I_m2(t)][S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]’                          (4)

＝S₁(1+β₁cosω₁t)[S₀₁+S₁₁cos(z₁cosω₁t+α₁)]

+S₂(1+β₂cosω₂t)[S₀₂+S₁₂cos(z₂cosω₂t+α₂)]

其中：S₁＝β₁′I₀₁，S₂＝β₂′I₀₂是分别为第一光源1和第二光源10输出光强的直流分量；β₁＝a₁/I₀₁，β₂＝a₂/I₀₂分别为第一光源1和第二光源10注入电流交流成分的幅值与直流偏置的比值；A₀₁和A₁₁分别为不考虑光强调制时，干涉信号项A₁(t)和A₂(t)的直流成分，S₀₂和S₁₂分别为不考虑光强调制时，干涉信号项S₁(t)和S₂(t)的交流成分；和

为两干涉信号S₁(t)和S₂(t)对应的正弦相位调制深度；α₁＝(4π/λ₀₁)l和α₂＝(4π/λ₀₂)l为由准直器6和待测物体8之间的距离l所决定的相位。

通过数据采集卡12采集正弦相位调制干涉信号，经过带通滤波后，利用快速傅里叶变换对干涉信号进行频谱分析提取与第一光源1波长对应的干涉信号的一阶和二阶频谱分量，其中一阶频谱分量表示为：

P₁₁＝β₁{S₁S₀₁+S₁S₁₁[J₀(z₁)-J₂(z₁)]cosα₁}-2S₁S₁₁J₁(z₁)sinα₁    (5)

二阶频谱分量表示为：

P₂₁＝-β₁S₁S₁₁[J₁(z₁)-J₃(z₁)]sinα₁-2S₁S₁₁J₂(z₁)cosα₁，        (6)

(5)式和(6)式可以看作关于cosα₁和sinα₁的线性方程组，对公式中的参量进行变换，令

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{11}=\frac{1}{S_1{S}_{11}}(P_{11}-{\mathrm{\β}}_1{S}_1{S}_{01})\\ A_{21}=\frac{1}{S_1{S}_{11}}{P}_{21}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{11}={\mathrm{\β}}_1[J_0\left(z_1\right)-J_2\left(z_1\right)]\\ K_{21}=-2J_1\left(z_1\right)\\ K_{31}=-2J_2\left(z_1\right)\\ K_{41}=-{\mathrm{\β}}_1[J_1\left(z_1\right)-J_3\left(z_1\right)]\end{array}\right.---\left(8\right)$

(5)式和(6)式可改写为：

A₁₁＝K₁₁cosα₁+K₂₁sinα₁

                                                (9)

A₂₁＝K₃₁cosα₁+K₄₁sinα₁

则cosα₁和sinα₁的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_1=\frac{K_{21}{A}_{21}-K_{41}{A}_{11}}{K_{31}{K}_{21}-K_{11}{K}_{41}}\\ \sin {\mathrm{\α}}_1=\frac{K_{31}{A}_{11}-K_{11}{A}_{21}}{K_{31}{K}_{21}-K_{11}{K}_{41}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

(10)式中的参数K₁₁，K₂₁，K₃₁，K₄₁为与正弦相位调制深度z₁有关的参数，根据公式

可以计算出干涉信号的正弦相位调制深度，其中第一光源1的调制电流幅值a₁为已知，距离l可利用粗测模块的运行得到的距离粗测值l_c近似。通过公式

计算得到的调制深度z₁，利用(8)式可以求得参数K₁₁，K₂₁，K₃₁，K₄₁的值。

由(7)式可知，(10)式中的参量A₁₁，A₂₁与常量S₁S₀₁和S₁S₁₁有关。S₁S₀₁和S₁S₁₁是与反射率和光强有关测参数，这些参数难以通过直接计算获得，需要通过压电陶瓷9振动间接测量获得。如图1所示，开启第一光源1，并使其注入电流保持为直流，利用数据采集卡产生正弦信号驱动压电陶瓷9，使压电陶瓷9产生一个振幅大于λ₀₁/8而小于λ₀₁/4正弦振动。此时，光电探测器7所探测到的干涉信号为：

P₁′(t)＝S₁S₀₁+S₁S₁₁cos[α₁(t)+α₀₁]，            (11)

由于压电陶瓷的振幅大于λ₀₁/8，cos[α₁(t)+α₀₁]的值可以达到±1，干涉信号P₁′(t)的交流幅值即为S₁S₁₁，而干涉信号的直流分量即为S₁S₀₁，通过信号处理与分析，可以得到S₁S₀₁和S₁S₁₁的值。

将上述计算得到的相关参数导入绝对距离测量程序，利用(10)式即可得到sinα₁和cosα₁的值，则α₁的值可以通过反正切函数求得：

α₁＝arctan(sinα₁/cosα₁)，                    (12)

类似的，α₂的值可以通过绝对距离测量程序求得。则合成波长的相位α＝α₁-α₂也可以求得。

将距离粗测值l_c导入，对2l_c/λ_e向下取整，计算满足

的整数n，其中λ_e＝λ₀₁λ₀₂/(λ₀₂-λ₀₁)为合成波长。则绝对距离的测量值可通过下式计算求得：

$l=\frac{1}{2}n{\mathrm{\λ}}_e+\frac{{\mathrm{\λ}}_e}{4\mathrm{\π}}\mathrm{\α},---\left(13\right)$

实验结果表明(13)式中等号右边的第一项能达到小于1nm的精度，由于考虑了光源光强调制的影响，第二项能达到1μm的精度，因此绝对距离的测量精度为1μm。

如图1所示的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪，第一光源1和第二光源10采用波长分别为1309.49nm和1311.51nm的半导体激光器。两个光源的最大输出功率均为10mW。在测量前，驱动压电陶瓷9产生正弦振动，并使光源的注入电流为直流，通过对干涉信号进行处理与分析，测得与物体的反射率和光源光强有关的参数，并将参数导入绝对距离测量程序。之后利用程序的粗测模块控制数据采集卡12产生频率为20Hz的三角波信号对第一光源1进行调制并保持第二光源2的注入电流为直流，利用干涉信号计算出待测距离的粗测值l_c。然后，程序切换到细测模块，通过信号触发数据采集卡12产生正弦信号对第一光源1和第二光源10的注入电流进行调制，其中第一光源1的正弦相位调制角频率为ω₁＝9000Hz，第二光源10的正弦相位调制角频率为ω₂＝5600Hz。对采集到的干涉信号进行分析与处理，其中干涉信号的正弦相位调制深度利用距离粗侧值l_c和交流调制电流的幅值计算求得，之后根据计算得到的调制深度，计算出与两个光源相对应的干涉信号的相位α₁和α₂，进而求得合成波长的相位α，并结合粗测模块计算得到的距离粗测值l_c，即可计算得到待测距离l。

由于结合了线性调频技术，该测量装置可以在50mm至300mm的范围内进行测量。此外，系统利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，实验结果和理论分析表明，测量的精度可以达到1μm。

Claims (5)

1.一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪，特征在于其结构包括：所述的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪构成包括带有第一光源控制器(2)的第一光源(1)、带有第二光源控制器(11)的第二光源(10)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(5)、隔离器(4)、准直器(6)、光电探测器(7)、压电陶瓷(9)、数据采集卡(12)和计算机(13)，所述的第一光源控制器(2)为第一光源(1)提供直流驱动电流、三角波交流电流或正弦交流电流，由第一光源(1)发射的光束通过第一段光纤(301)进入第一光纤耦合器(3)内，由第一光纤耦合器(3)出射后，通过第二段光纤(302)进入隔离器(4)，由隔离器(4)出射后，通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内，由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502)，经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上，由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)出射端面反射的光通过准直器(6)后，经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503)入射到光电探测器(7)内，所述的第二光源控制器(11)为第二光源(10)提供直流驱动电流和正弦交流电流，第二光源(10)的中心波长不等于第一光源(1)的中心波长，由第二光源(10)发射的光束通过第六段光纤(303)进入第一光纤耦合器(3)，由第一光纤耦合器(3)出射后，通过第二段光纤(302)射入隔离器(4)，由隔离器(4)出射后，通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内，由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502)，经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上，由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)端面反射的光通过准直器(6)后，经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503)进入所述的光电探测器(7)内，准直器(6)上固定有压电陶瓷(9)，数据采集卡(12)的第一输出端口(12b)与第一光源控制器(2)相连，第二输出端口(12c)与第二光源控制器(11)相连，第三输出端口(12e)与计算机(13)的输入端相连，第四输出端口(12f)与压电陶瓷(9)相连，第一输入端口(12a)与所述的光电探测器(7)的输出端相连，所述的数据采集卡(12)的第二输入端口(12d)与计算机(13)的输出端口相连，所述的计算机(13)具有绝对距离测量模块，该模块包括粗测模块和细测模块，在测量过程中，粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值，细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。

2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第一光源和第二光源均是半导体激光器，而且两光源的发射波长λ₁、λ₂不相等。

3.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第一光源的温度，使第一光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。

4.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第二光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第二光源的温度，使第二光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第二光源提供直流偏置和交流信号。

5.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的隔离器只能使第一光源和第二光源发射的光通过，而从光路中返回的光束不能通过。

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