一種新的雷射幹涉測長方法

2023-10-04 11:21:54

專利名稱：一種新的雷射幹涉測長方法
技術領域：
本發明屬於光學測量技術領域，特別涉及一種新的雷射幹涉測長方法。尤其涉及以雷射測量物體位移的計算機時間序列圖像測量的測長方法。
背景技術：
傳統的幹涉測量技術具有很高的測量精度，在噪聲被抑制的情況下，測量的重複性也很好，但是存在可測量的範圍比較小的局限性。解決這一問題主要有兩種方法:一是通過使用長波長的紅外光源，但採用紅外光源後，幹涉系統的所有光學元件都要換成適應紅外光的光學材料，且光路不易進行搭建；方法二是採用雙波長測量的方法，通過光波場疊加的方法構造出波長比較大的等效波長對被測物的位移進行測量。傳統的雙頻雷射幹涉測量技術是以雙頻雷射幹涉原理為基礎進行測量的一門技術。雙頻雷射幹涉儀由美國HP (Hewlett-Packard)公司首創並獲專利，第一批為HP5500A，1970年投放市場。HP5500A的量程為61m，精度為5*107，測量速度為330mm/s。繼5500A後，HP 公司還研製了 5501A、5525A、5526A、5527A、5528A 以及 5529A。80 年代前期開發的 5528A雷射測量系統的測量顯示器(5508A)採用了微處理機控制，增加了測量的靈活性，方便了用戶。5528A雙頻測量雷射系統的最高測量速度為18.3m/min，線性測量範圍為40m。中國第一臺雙頻雷射幹涉儀由中國計量科學研究院與陝西機械學院共同研製，1976年4月通過國家鑑定；1993年中國科學院上海光學精密機械研究所施志果，王潤文發明了一種雙頻雷射器系統，具有雷射頻率可以沿著拍頻曲線進行調諧，工作壽命長、製造、安裝、調試和維修有簡明性和可靠性的優點[1] ;2004年中國科學院物理研究所吳令安，侯巖雪，馬海強發明了一種測量弱光光源拍頻的方法及裝置，公開了一種測量弱光光源拍頻的方法及裝置，通過將雷射衰減後分成兩束，分別經過幹涉濾光後輸入兩個單光子探測器，其中一路經過鑑別放大器後直接進入時副轉換儀，另一路經過鑑別放大器後先經延時線，再輸入時副轉換儀；然後將時幅轉換儀輸出的信·號輸進多道分析儀，經過積累在多道分析儀上即可獲得時域下光源的拍頻數據，經過數值傅立葉分析後可以得到頻域下弱光光源的拍頻，可在不依賴於頻譜分析儀的情況下，對弱光光源的拍頻進行測量，又不受探測器和前置放大器的響應時間的限制[2] ;2004年清華大學劉剛，張書練，朱鈞，李巖發明了一種基於自混合幹涉效應的都卜勒測速儀，該測速儀由光源，測量部分和信號處理3個部分組成。其系統光源使用的是雙頻雷射器，並且自混合幹涉系統的測量部分即系統外腔放置了一塊四分之一波片，該波片快軸方向與兩偏振光的偏振方向分別夾45 °角，這樣光束在外腔行進一個來回,其偏振方向將變為原先的垂直方向。當沒有都卜勒頻移時，雷射器的功率譜上將只有一條譜線，而當都卜勒頻移存在時，功率譜上的原先譜線將變為兩條，兩條譜線對應拍頻信號的差值的正負代表速度的方向，兩譜線間的距離可以換算成速度的大小，此發明所設計的自混合幹涉測速儀是一種結構緊湊簡單，性價比高，並且易於實現速度方向識別的測速裝置M ;2008年中國航空工業第一集團公司北京長城計量測試技術研究所王霽發明了一種雙頻雷射幹涉測量裝置。光源分光光路將入射光源分成兩束有頻差的雷射，進入測量光路部分；經測量反射鏡和參考反射鏡兩次反射實現光學倍程後，被相位差90°接收信號部分的光電接收器接收，使用了聲光移頻裝置，使測量光和參考光從一開始就分開，避免頻率混疊；另外還採用偏振分光、偏振接收技術，得到對比度好，細分精度高的幹涉信號[4] ;2009年浙江理工大學陳本永，張恩政，嚴利平，楊濤，周硯江發明了一種基於雙頻幹涉原理的直線度及其位置的測量方法，該測量方法採用雙頻雷射器輸出含有正交線偏振光的雷射束經普通分光鏡分光，消偏振分光稜鏡分光，渥拉斯頓稜鏡分束，直角稜鏡反射，渥拉斯頓稜鏡透射，偏振分光稜鏡分光，檢偏器拍頻，最終得到能體現光程變化的一路參考信號和兩路測量信號。該測量方法利用了光學器件的分光特性和偏振特性，組成了基於外差幹涉原理的雙光路測量結構，通過測量雙光路的光程差實現了直線度及其位置的同時測量，具有納米級的直線度及其位置的測量精度M ;2010年清華大學霍玉晶，張豔豔，何淑芳，鞏軻發明提出一種雙頻雷射都卜勒測速方法，該方法包括生成雙頻雷射束，分成兩個雙頻光束，分別作為參考光束以生成參考拍頻信號和測量光束以生成測量拍頻信號；將參考拍頻信號和測量拍頻信號進行混頻，以得到與待測速物體的運動速度成正比的拍頻信號；根據與測速物體的運動速度成正比的拍頻信號，計算待測速物體的運動速度。此發明可以大大提高了雙頻雷射都卜勒測速方法的最高可測速度，擴大速度量程[6]。傳統的雙頻雷射測量原理是通過兩束頻率不同的雷射合成頻率為(V r V 2)的拍頻信號，這個信號相當於是一個載波信號，當被測物移動時，會引起都卜勒頻移量△ V信號，是對載波進行頻率調製的位移信號，△ V包含位移信息，進而解調出實際位移。

發明內容
本發明的目的在於提供一種新的雷射幹涉測長方法，其特徵在於，該測長方法使用兩束波長非常接近的雷射，通過光波場的疊加，構造出波長比較大的等效波長，用於對被測物的測量，其中，所測長度為可動光電探測器移動的距離；具體是將被測物與光電探測器固聯，通過採用時間序列幹涉測量的原理，利用計算機圖像處理法，直接通過光電探測器接收一段時間內的時間序列強度圖後，儲存於計算機中；在計算機處理中，對一系列幹涉強度進行濾波後，再對其做傅立葉逆變換，進行去包裹處理，最終得到連續相位，再進行相位展開，得出物體的位移信息；具體步驟如下:I)選擇兩個雷射波長非常接近的雷射器，分別以45°入射角照射到分光平片上；2)經過分光平片的透射和反射作用，兩束雷射疊加為一束合成雷射，疊加後的雷射光束通過準直擴束系統，進行準直擴束；3)經過準直擴束後的雷射直接照射到與被測物固聯的光電探測器上，當被測物發生位移時，光電探測器將接收一段時間內的物體位移的過程記錄下來，獲得含有物體位移信息的時間序列的接收光強強度，儲存到計算機上；4)計算機對光電探測器獲得的時間序列光強強度數據進行傅立葉變換，得到光強強度頻譜圖，並對頻譜圖進行濾波，逆傅立葉變換獲得相位，進行相位去包裹的數據處理後，最終獲得物體位移的信息。所述雷射準直擴束系統由空間濾波器4和凸透鏡5組成。

所述雷射幹涉測長的測量範圍取決於所使用雷射器的相干長度，以測定出物體在任意時刻的位移長度。
本發明的有益效果是:1.本發明採用將被測物與光電探測器固聯，不需要複雜的幹涉光路，不需要價格昂貴的雙頻雷射發生裝置，是一種光路簡單，測量成本低的測量方法；2.通過使兩個波長非常接近的雷射的疊加，合成出一個頻率可測量的合成頻率，可以通過光電探測器直接進行檢測，有雙頻雷射測量的抗幹擾能力強，信噪比高的優點；3.時間序列幹涉測量可以測得任意時刻的長度值，及對物體的長度值進行動態測試而不是只測出初始位移值和結束位移值；4.圖像處理的方法針對相位進行處理，最終獲得位移值，與傳統記錄條紋的方法相比，精度更聞，隨著光電探測裝置的發展，可提聞的空間會更大；5.本發明為非接觸測量，具有較高的測量靈敏度和精度。


圖1是時間序列幹涉測量物體位移的光路圖。圖中:(I)雷射器A，(2)雷射器B，(3)分光平片，(4)空間濾波器，(5)凸透鏡，(6)光電探測器，(7)被測物，(8)計算機。
具體實施例方式本發明提供一種新的雷射幹涉測長方法。該測長方法使用兩束波長非常接近的雷射，通過光波場的疊加，構 造出波長比較大的等效波長，用於對被測物的測量，其中，所測長度為可動光電探測器移動的距離；隨著大容量計算機、高速CCD等設備的出現，使得在一定時間間隔內記錄數字序列圖像變成了現實，因此時間序列幹涉測長得到了發展。時間序列幹涉測長是將整個物體位移的全過程記錄下來，然後用傅立葉變換技術提取物體位移的相位信息，觀察物體上每一個點隨時間的位移變化。下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。如圖1所示，具體是將被測物與光電探測器固聯，通過採用時間序列幹涉測量的原理，利用計算機圖像處理法，直接通過光電探測器接收一段時間內的時間序列強度圖後，儲存於計算機中；在計算機處理中，從一系列幹涉強度圖中任意選取一點，對其做傅立葉變換，進行濾波後，再對其做傅立葉逆變換，進行去包裹處理，最終得到連續相位，再進行相位展開，得出物體的位移信息本發明所述測長方法是光源採用雷射波長接近的A雷射器I和B雷射器2。A雷射器I和B雷射器2正交布置，二者發出的雷射光束分光平片3，A雷射器I的光束透射過分光平片3後，與分光平片3反射的B雷射器2的雷射光束疊加為一束雷射。疊加後的雷射經過空間濾波器4和凸透鏡5組成的雷射準直擴束系統，準直擴束後的合成雷射直接照射到與被測物7固聯的光電探測器6，當被測物7發生位移時，光電探測器6將接收被測物發生位移時間段內的物體位移的過程記錄下來，記錄的含有物體位移信息的雷射信號，並將信號傳輸到計算機8上進行幹涉強度圖的處理，獲得的時間序列光強強度數據進行傅立葉變換，得到光強強度頻譜圖，並對頻譜圖進行濾波，逆傅立葉變換獲得相位，進行相位去包裹的數據處理後，最終獲得物體位移的信息。根據現有理論結合本發明敘述一下合成波長的概念:假設使用的A雷射器I和B雷射器2的兩束雷射的波長分別為、和Xb其中X a> Xb使用面陣光電探測器探測到的各點的相位值為:
權利要求
1.一種新的雷射幹涉測長方法，其特徵在於，該測長方法使用兩束波長非常接近的雷射，通過光波場的疊加，構造出波長比較大的等效波長，用於對被測物的測量，其中，所測長度為可動光電探測器移動的距離；具體步驟如下: 1)選擇兩個雷射波長非常接近的雷射器，分別以45°入射角照射到分光平片上； 2)經過分光平片的透射和反射作用，兩束雷射疊加為一束合成雷射，疊加後的雷射光束通過準直擴束系統，進行準直擴束； 3)經過準直擴束後的雷射直接照射到與被測物固聯的光電探測器上，當被測物發生位移時，光電探測器將接收一段時間內的物體位移的過程記錄下來，獲得含有物體位移信息的時間序列的接收光強強度，儲存到計算機上； 4)計算機對光電探 測器獲得的時間序列光強強度數據進行傅立葉變換，得到光強強度頻譜圖，並對頻譜圖進行濾波，逆傅立葉變換獲得相位，進行相位去包裹的數據處理後，最終獲得物體位移的信息。
2.根據權利要求1所述一種新的雷射幹涉測長方法，其特徵在於，所述雷射準直擴束系統由空間濾波器4和凸透鏡5組成。
3.根據權利要求1所述一種新的雷射幹涉測長方法，其特徵在於，所述雷射幹涉測長的測量範圍取決於所使用雷射器的相干長度，以測定出物體在任意時刻的位移長度。
全文摘要
本發明公開了屬於光學測量技術領域的一種新的雷射幹涉測長方法。具體是將被測物與光電探測器固聯，通過採用時間序列幹涉測量的原理，利用計算機圖像處理法，直接通過光電探測器接收一段時間內的時間序列強度圖後，儲存於計算機中；在計算機處理中，對一系列幹涉強度進行濾波後，再對其做傅立葉逆變換，進行去包裹處理，最終得到連續相位，再進行相位展開，得出物體的位移信息；本發明採用將被測物與光電探測器固聯，不需要複雜的幹涉光路，不需要價格昂貴的雙頻雷射發生裝置，具有光路簡單，可以測得任意時刻的長度值、測量成本低，有雙頻雷射測量的抗幹擾能力強，信噪比高的優點。
文檔編號G01B11/02GK103234461SQ201310163418
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月7日 優先權日2013年5月7日
發明者高瞻, 李光宇, 汪盛佳, 馮子昂, 馮其波 申請人:北京交通大學