CN103234461A - 一种新的激光干涉测长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于光学测量技术领域的一种新的激光干涉测长方法。具体是将被测物与光电探测器固联，通过采用时间序列干涉测量的原理，利用计算机图像处理法，直接通过光电探测器接收一段时间内的时间序列强度图后，储存于计算机中；在计算机处理中，对一系列干涉强度进行滤波后，再对其做傅里叶逆变换，进行去包裹处理，最终得到连续相位，再进行相位展开，得出物体的位移信息；本发明采用将被测物与光电探测器固联，不需要复杂的干涉光路，不需要价格昂贵的双频激光发生装置，具有光路简单，可以测得任意时刻的长度值、测量成本低，有双频激光测量的抗干扰能力强，信噪比高的优点。

Description

一种新的激光干涉测长方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种新的激光干涉测长方法。尤其涉及以激光测量物体位移的计算机时间序列图像测量的测长方法。 

背景技术

传统的干涉测量技术具有很高的测量精度，在噪声被抑制的情况下，测量的重复性也很好，但是存在可测量的范围比较小的局限性。解决这一问题主要有两种方法：一是通过使用长波长的红外光源，但采用红外光源后，干涉系统的所有光学元件都要换成适应红外光的光学材料，且光路不易进行搭建；方法二是采用双波长测量的方法，通过光波场叠加的方法构造出波长比较大的等效波长对被测物的位移进行测量。 

传统的双频激光干涉测量技术是以双频激光干涉原理为基础进行测量的一门技术。双频激光干涉仪由美国HP（Hewlett-Packard）公司首创并获专利，第一批为HP5500A，1970年投放市场。HP5500A的量程为61m，精度为5*10⁷，测量速度为330mm/s。继5500A后，HP公司还研制了5501A、5525A、5526A、5527A、5528A以及5529A。80年代前期开发的5528A激光测量系统的测量显示器（5508A）采用了微处理机控制，增加了测量的灵活性，方便了用户。5528A双频测量激光系统的最高测量速度为18.3m/min，线性测量范围为40m。中国第一台双频激光干涉仪由中国计量科学研究院与陕西机械学院共同研制，1976年4月通过国家鉴定；1993年中国科学院上海光学精密机械研究所施志果，王润文发明了一种双频激光器系统，具有激光频率可以沿着拍频曲线进行调谐，工作寿命长、制造、安装、调试和维修有简明性和可靠性的优点^[1]；2004年中国科学院物理研究所吴令 安，侯岩雪，马海强发明了一种测量弱光光源拍频的方法及装置，公开了一种测量弱光光源拍频的方法及装置，通过将激光衰减后分成两束，分别经过干涉滤光后输入两个单光子探测器，其中一路经过鉴别放大器后直接进入时副转换仪，另一路经过鉴别放大器后先经延时线，再输入时副转换仪；然后将时幅转换仪输出的信号输进多道分析仪，经过积累在多道分析仪上即可获得时域下光源的拍频数据，经过数值傅立叶分析后可以得到频域下弱光光源的拍频，可在不依赖于频谱分析仪的情况下，对弱光光源的拍频进行测量，又不受探测器和前置放大器的响应时间的限制^[2]；2004年清华大学刘刚，张书练，朱钧，李岩发明了一种基于自混合干涉效应的多普勒测速仪，该测速仪由光源，测量部分和信号处理3个部分组成。其系统光源使用的是双频激光器，并且自混合干涉系统的测量部分即系统外腔放置了一块四分之一波片，该波片快轴方向与两偏振光的偏振方向分别夹45°角，这样光束在外腔行进一个来回，其偏振方向将变为原先的垂直方向。当没有多普勒频移时，激光器的功率谱上将只有一条谱线，而当多普勒频移存在时，功率谱上的原先谱线将变为两条，两条谱线对应拍频信号的差值的正负代表速度的方向，两谱线间的距离可以换算成速度的大小，此发明所设计的自混合干涉测速仪是一种结构紧凑简单，性价比高，并且易于实现速度方向识别的测速装置^[3]；2008年中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所王霁发明了一种双频激光干涉测量装置。光源分光光路将入射光源分成两束有频差的激光，进入测量光路部分；经测量反射镜和参考反射镜两次反射实现光学倍程后，被相位差90°接收信号部分的光电接收器接收，使用了声光移频装置，使测量光和参考光从一开始就分开，避免频率混叠；另外还采用偏振分光、偏振接收技术，得到对比度好，细分精度高的干涉信号^[4]；2009年浙江理工大学陈本永，张恩政，严利平，杨涛，周砚江发明了一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方 法，该测量方法采用双频激光器输出含有正交线偏振光的激光束经普通分光镜分光，消偏振分光棱镜分光，渥拉斯顿棱镜分束，直角棱镜反射，渥拉斯顿棱镜透射，偏振分光棱镜分光，检偏器拍频，最终得到能体现光程变化的一路参考信号和两路测量信号。该测量方法利用了光学器件的分光特性和偏振特性，组成了基于外差干涉原理的双光路测量结构，通过测量双光路的光程差实现了直线度及其位置的同时测量，具有纳米级的直线度及其位置的测量精度^[5]；2010年清华大学霍玉晶，张艳艳，何淑芳，巩轲发明提出一种双频激光多普勒测速方法，该方法包括生成双频激光束，分成两个双频光束，分别作为参考光束以生成参考拍频信号和测量光束以生成测量拍频信号；将参考拍频信号和测量拍频信号进行混频，以得到与待测速物体的运动速度成正比的拍频信号；根据与测速物体的运动速度成正比的拍频信号，计算待测速物体的运动速度。此发明可以大大提高了双频激光多普勒测速方法的最高可测速度，扩大速度量程^[6]。 

传统的双频激光测量原理是通过两束频率不同的激光合成频率为(ν₁-ν₂)的拍频信号，这个信号相当于是一个载波信号，当被测物移动时，会引起多普勒频移量Δν信号，是对载波进行频率调制的位移信号，Δν包含位移信息，进而解调出实际位移。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的激光干涉测长方法，其特征在于，该测长方法使用两束波长非常接近的激光，通过光波场的叠加，构造出波长比较大的等效波长，用于对被测物的测量，其中，所测长度为可动光电探测器移动的距离； 

具体是将被测物与光电探测器固联，通过采用时间序列干涉测量的原理，利用计算机图像处理法，直接通过光电探测器接收一段时间内的时间序列强度图后，储存于计算机中；在计算机处理中，对一系列干涉强度进行滤波后，再对其 做傅里叶逆变换，进行去包裹处理，最终得到连续相位，再进行相位展开，得出物体的位移信息；具体步骤如下： 

1）选择两个激光波长非常接近的激光器，分别以45°入射角照射到分光平片上； 

2）经过分光平片的透射和反射作用，两束激光叠加为一束合成激光，叠加后的激光光束通过准直扩束系统，进行准直扩束； 

3）经过准直扩束后的激光直接照射到与被测物固联的光电探测器上，当被测物发生位移时，光电探测器将接收一段时间内的物体位移的过程记录下来，获得含有物体位移信息的时间序列的接收光强强度，储存到计算机上； 

4）计算机对光电探测器获得的时间序列光强强度数据进行傅里叶变换，得到光强强度频谱图，并对频谱图进行滤波，逆傅里叶变换获得相位，进行相位去包裹的数据处理后，最终获得物体位移的信息。 

所述激光准直扩束系统由空间滤波器4和凸透镜5组成。 

所述激光干涉测长的测量范围取决于所使用激光器的相干长度，以测定出物体在任意时刻的位移长度。 

本发明的有益效果是： 

1.本发明采用将被测物与光电探测器固联，不需要复杂的干涉光路，不需要价格昂贵的双频激光发生装置，是一种光路简单，测量成本低的测量方法； 

2.通过使两个波长非常接近的激光的叠加，合成出一个频率可测量的合成频率，可以通过光电探测器直接进行检测，有双频激光测量的抗干扰能力强，信噪比高的优点； 

3.时间序列干涉测量可以测得任意时刻的长度值，及对物体的长度值进行动态测试而不是只测出初始位移值和结束位移值； 

4.图像处理的方法针对相位进行处理，最终获得位移值，与传统记录条纹的方法相比，精度更高，随着光电探测装置的发展，可提高的空间会更大； 

5.本发明为非接触测量，具有较高的测量灵敏度和精度。 

附图说明

图1是时间序列干涉测量物体位移的光路图。 

图中：（1）激光器A，（2）激光器B，（3）分光平片，（4）空间滤波器，（5）凸透镜，（6）光电探测器，（7）被测物，（8）计算机。 

具体实施方式

本发明提供一种新的激光干涉测长方法。该测长方法使用两束波长非常接近的激光，通过光波场的叠加，构造出波长比较大的等效波长，用于对被测物的测量，其中，所测长度为可动光电探测器移动的距离；随着大容量计算机、高速CCD等设备的出现，使得在一定时间间隔内记录数字序列图像变成了现实,因此时间序列干涉测长得到了发展。时间序列干涉测长是将整个物体位移的全过程记录下来，然后用傅里叶变换技术提取物体位移的相位信息，观察物体上每一个点随时间的位移变化。下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。 

如图1所示，具体是将被测物与光电探测器固联，通过采用时间序列干涉测量的原理，利用计算机图像处理法，直接通过光电探测器接收一段时间内的时间序列强度图后，储存于计算机中；在计算机处理中，从一系列干涉强度图中任意选取一点，对其做傅里叶变换，进行滤波后，再对其做傅里叶逆变换，进行去包裹处理，最终得到连续相位，再进行相位展开，得出物体的位移信息 

本发明所述测长方法是光源采用激光波长接近的A激光器1和B激光器2。A激光器1和B激光器2正交布置，二者发出的激光光束分光平片3，A激光器1的光束透射过分光平片3后，与分光平片3反射的B激光器2的激光光束叠加为 一束激光。叠加后的激光经过空间滤波器4和凸透镜5组成的激光准直扩束系统，准直扩束后的合成激光直接照射到与被测物7固联的光电探测器6，当被测物7发生位移时，光电探测器6将接收被测物发生位移时间段内的物体位移的过程记录下来，记录的含有物体位移信息的激光信号，并将信号传输到计算机8上进行干涉强度图的处理，获得的时间序列光强强度数据进行傅里叶变换，得到光强强度频谱图，并对频谱图进行滤波，逆傅里叶变换获得相位，进行相位去包裹的数据处理后，最终获得物体位移的信息。 

根据现有理论结合本发明叙述一下合成波长的概念：假设使用的A激光器1和B激光器2的两束激光的波长分别为λ_a和λ_b其中λ_a>λ_b使用面阵光电探测器探测到的各点的相位值为： 

λ=λ_a时，φ_1a,φ_2a,φ_3a,......φ_ka

λ=λ_b时，φ_1b,φ_2b,φ_3b,......φ_kb

k为一维方向的有效采样点数，假如干涉条纹较密，使相邻点的位相变化大于2π，则上述用单波长测得的位相值都带有无法立即校正的2π整数倍跳变问题，它们与实际光程差L之间的关系为： 

$L_i=[\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ia}}}{2\mathrm{\π}}+m]{\mathrm{\λ}}_a$ $L_i=[\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ib}}}{2\mathrm{\π}}+n]{\mathrm{\λ}}_b$

式中i为第i个采样点；m,nm'，n'分别对应于λ_a,λ_b的条纹整数级次。 

与i相邻的像素i+1的光程并为 

$L_{i+1}=[\frac{{\mathrm{\φ}}_{(i+1)a}}{2\mathrm{\π}}+m^{\′}]{\mathrm{\λ}}_a$ $L_{i+1}=[\frac{{\mathrm{\φ}}_{(i+1)b}}{2\mathrm{\π}}+n^{\′}]{\mathrm{\λ}}_b$

令ΔL=L_i+1-L_i；Δφ_(i+1)a=φ_(i+1)a-φ_ia；Δφ_(i+1)b=φ_(i+1)b-φ_ib

他们与实际光程差之间的关系为： 

$\mathrm{\ΔL}=[\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{(i+1)a}}{2\mathrm{\π}}+(m^{\′}-m)]{\mathrm{\λ}}_a$ $\mathrm{\ΔL}=[\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{(i+1)b}}{2\mathrm{\π}}+(n^{\′}-n)]{\mathrm{\λ}}_b$

假定任何两相邻像素间的条纹级数差对λ_a和λ_b相同，即m-m'=n-n'，可得 

式中：称为双波长的等效波长，即相当于使用了波长为

的激光进行干涉测量。双波长测量的实质是以等效波长λ_eq来代替原来的单波长，当所使用两束激光的波长（频率）比较接近时，可以生成一束波长比较大的等效波长。 

由等效波长的概念可知，两束激光合成的等效波长的光波场可表示为： 

E_eq=A_eqcos[ω_eqt-k_eqΔz+φ] 

因此，接收到的光强 

$I_{\mathrm{eq}}={A_{\mathrm{eq}}}^2{\cos }^2({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eq}}t-k_{\mathrm{eq}}\mathrm{\Δz}\left(t\right)+\mathrm{\φ})$

$=\frac{1}{2}{A_{\mathrm{eq}}}^2[1+\cos 2({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eq}}t-k_{\mathrm{eq}}\mathrm{\Δz}\left(t\right)+\mathrm{\φ})]---\left(1\right)$

其中，A_eq是等效波长的振幅，ω_eq是等效波长的时间频率，k_eq是等效波长的空间频率，φ是初始相位，不妨设其为0，Δz(t)是被测物的变形函数。通过时间序列干涉测量的方法，利用傅里叶变换方法将被测物位移函数提取出来，进而能够直观的观察被测物的位移信息。 

被测物进行连续的运动后，引起光电探测器上激光强度的时间调制变化，这个过程被光电探测器接收，并将光强信号记录下来。对光电探测器获得的被测物位移强度数据进行傅里叶变换，处理数据可获得频谱图，对频谱图进行滤波、逆傅里叶变换后可获得相位的变化，即总的相位变化量可以求出。由于两束激光的频率已知，等效激光的波长λ_eq是已知的，因此ω_eq和k_eq也是已知的，而总的 相位变化由式（1）可知，Δφ=2(ω_eqt-k_eqΔz)可以通过傅里叶变换的方法求出，因此可以求出一定时间内物体的实际位移Δz 

参考文献 

[1]施志果;王润文.双频激光器系统:中国.93112556.1[P].1994-07-20. 

[2]吴令安;侯岩雪;马海强.一种测量弱光光源拍频的方法及装置:中国.200410046006.9[P].2005.02.23 

[3]刘刚;张书练;朱钧;李岩.基于双频激光器的自混合干涉多普勒测速仪:中国.200410009261.6[P].2005-03-16. 

[4]王霁.双频激光干涉测量装置:中国.200810117028.8[P].2009-04-22. 

[5]陈本永;张恩政;严利平;杨涛;周砚江.基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法:中国.200910100065.2[P].2009-11-18 

[6]霍玉晶;张艳艳;何淑芳;巩轲.一种双频激光多普勒测速方法及装置:中国.201010220246.1[P].2010-11-17 。

Claims (3)

1.一种新的激光干涉测长方法，其特征在于，该测长方法使用两束波长非常接近的激光，通过光波场的叠加，构造出波长比较大的等效波长，用于对被测物的测量，其中，所测长度为可动光电探测器移动的距离；具体步骤如下：

1）选择两个激光波长非常接近的激光器，分别以45°入射角照射到分光平片上；

2）经过分光平片的透射和反射作用，两束激光叠加为一束合成激光，叠加后的激光光束通过准直扩束系统，进行准直扩束；

3）经过准直扩束后的激光直接照射到与被测物固联的光电探测器上，当被测物发生位移时，光电探测器将接收一段时间内的物体位移的过程记录下来，获得含有物体位移信息的时间序列的接收光强强度，储存到计算机上；

4）计算机对光电探测器获得的时间序列光强强度数据进行傅里叶变换，得到光强强度频谱图，并对频谱图进行滤波，逆傅里叶变换获得相位，进行相位去包裹的数据处理后，最终获得物体位移的信息。

2.根据权利要求1所述一种新的激光干涉测长方法，其特征在于，所述激光准直扩束系统由空间滤波器4和凸透镜5组成。

3.根据权利要求1所述一种新的激光干涉测长方法，其特征在于，所述激光干涉测长的测量范围取决于所使用激光器的相干长度，以测定出物体在任意时刻的位移长度。

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