基于电流调制的频率扫描绝对距离测量方法设计研究

第1章 绪论

1.1 选题依据及背景
绝对距离测量在计量科学与工业应用领域具有重要理论价值与实用意义。传统的干涉测量方法虽然在精度上可以达到要求，同时也具有稳定性的优点，但这种测量方法需要进行连续不间断的扫描，从而获取测量信息，这就导致该测量方法很难大范围的应用于计量科学与工业领域。基于此，本课题研究一种非接触式、无导轨、非连续的绝对距离测量方法。
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1.2 本课题研究的目的与意义
近些年来，随着科技的发展，工业技术的不断进步，各领域对绝对距离测量的精度要求越来越高。尽管双频激光干涉仪可以在精度上达到要求，但是其在测量过程中，需要借助导轨进行测量。然而，在许多测量现场，很难有条件进行导轨的铺设，这就限制了双频激光干涉仪在复杂条件下的使用。因此，研究一种新型的非接触式、无导轨、非连续的绝对距离测量方法就很有必要了。
同时，随着激光技术的不断发展，激光被广泛应用在绝对距离测量领域。许多学者针对绝对位移尺寸测量的激光干涉技术进行了很多研究，也开发了许多基于激光干涉技术的距离测量仪器。但是该技术也存在着一些缺陷，就是由于测量时受到环境因素的影响，使得测量结果存在着系统误差。随着科技的发展，我们对于生产生活中的一些测量的精确度要求更高，有时一点点精度的增加，就会产生巨大的经济效应，因此对于该项目的研究就十分必要了。

1.3 国内外研究现状
大量程非接触光学距离测量方法，主要采用飞行时间法[1]、激光三角法与干涉法等。其中干涉法测量精度最高。由于常规的干涉测量方法采用波长脉冲计数的增量方式，只适合连续测量或实现半波长以内的绝对测量。因此，为了延展绝对测量的范围，目前衍生出了很多以激光干涉测量为基础的绝对距离测量方法，主要有激光频率梳法、频率或波长扫描法及多波长法。
首先，利用激光频率梳实现绝对距离的测量[2-7]，是当前被广泛研究的一种测量方法。一种是直接利用飞秒激光器输出的等周期超短脉冲所具有梳状频率特性，一方面通过外差干涉与锁相技术，在 PZT 的驱动下，分别寻找等光程参考干涉峰值点与目标测量干涉峰值点位置，两峰值点位置之差，即为测量结果的小数部分，另一方面通过脉冲频率的微小改变，比较微小改变前后测量结果小数部分的差异，计算测量结果的整数部分，结合这两种结果实现大范围绝对位移的测量[2-3]。由于这种方法需要借助于 PZT 的驱动完成绝对距离的测量，且在驱动过程中没有增加任何补偿措施，难以克服在 PZT 驱动前后测量位移微小变化的影响，会带来较大的动态测量误差。
这种方法实现的关键在于产生频率十分稳定的飞秒激光光源[3-4]，因此需要优化激光光源，文献[3]对铷原子频率标准器产生的频率进行 150 分频后，作为输入与激光脉冲频率比较后，通过 PI 调节，驱动 PZT 反馈控制激光腔长，稳定激光频率；文献[4]也是通过反馈驱动腔长来控制激光频率的目的，并用这种方法克服环境变化带来的对测量结果的影响。
激光频率梳的另外一种测量方法利用飞秒激光器作为多波长尺度进行测量[5-7]，文献[5]优化选择用飞秒激光器依次产生的 770.000058nm、770.001180nm、770.099117nm 与 778.761319nm 四个波长，通过外差法，得到测量结果的相位差，然后通过波长差与相位差的结果计算绝对测量距离。并借助连续频率扫描提高绝对距离的测量范围。由于所选定的波长是依次参与测量的，同前一种测量方法类似，难以适应动态绝对距离的测量。
文献[6]利用飞秒激光器产生的频率梳同步干涉，把干涉信号通过光栅分离送入线阵 CCD，在线阵 CCD 上得到不同频率光的干涉相位，通过频差与相差的求解，计算绝对位移，这种方法简单直观。受 CCD 分辨率与接收最大频差的影响，测量范围限制在 5um-0.78m 内，当测量距离太小，在 CCD 上产生的干涉条纹数目少，测量分辨率主要受相位分辨率的影响；测量距离过大时，干涉条纹的周期宽小于CCD 像元尺寸，无法求解相差。这种方法理论上只要线阵 CCD 采样频率足够高，能够截取动态干涉条纹信息，就能满足动态测量的要求。
其次，是基于频率扫描的方法[8-16]，其主要思路是获取激光频率或波长的连续变化过程中，干涉相位的相应变化结果，利用波长变化与相位变化的信息计算绝对光程差（或绝对距离）。文献[8-10]利用频率可调激光器与波长计量器，在频率调制的过程中，通过计量器反馈光频的变化，通过光电接收，获取干涉相位的变化。其中文献[10]利用了两个频率可调激光器与两个波长计量器，在频率扫描的过程中，两个可调激光器进行同步正、逆反向扫描，抵消扫描过程中振动的影响，提高绝对测量的精度。
文献[14]建立参考光路与测量光路同步频率扫描的测量方法，通过频率扫描过程中，测量光路的相位变化与参考光路相位变化之比，得到测量光路的光程差。在比对测量过程中，文章提出同时采用另外一个固定光源的测量结果补偿频率扫描过程中振动的影响，提高仪器的测量精度。这种方法理论上消除了环境变化带来的折射率变化的影响。测量系统频率调制采用外腔调制的方式，调制范围较大，且频率扫描测量作为粗测，精度要求较高，达到 70um。在测量光路中，固定波长与扫描波长通过光纤耦合形成同光路光源，在干涉条纹的接收端，通过光栅分离不同波长的干涉信号，并采用 sin-cos 方法提取正交干涉条纹信号。
这些频率扫描方法，实现了大范围的绝对测量，但频率扫描的一个致命缺点是：在扫描过程中，被测对象的振动被高倍放大，极大影响测量精度，某些情况下，导致测量结果无效。为此，在频率扫描过程中，需要补偿或消除振动的影响。除了文献[10、14]给出了消除振动的影响之外，文献[15、16]也从理论上分析了误差的影响，并提出了消除误差的方法。其中文献[15]通过建立相位与时间关联的多方程组，利用数学演算推导，逐个消除时间低次项，得到相位与时间无关的常数项、时间有关的高次项之间的关系。在考虑匀速或匀加速运动中，高次项几乎为零的情况下，认为消除了运动误差的影响，这种方案不适合规则性差的振动运动，且它对所选取的波长点相位计算精度要求严格，否则又会带来更大的计算误差。
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第2章 基于电流调制的绝对距离测量系统及原理


本文编号：8486