基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法，其中第一扫频光源和第二扫频光源发出的相干光进入光纤耦合器，经分光后分别进入主干涉仪和级联马赫曾德干涉仪，进入主干涉仪部分的相干光先经过光纤耦合器分光，其中一部分再经过光纤环行器进入包含样品的共路干涉仪，返回的样品干涉光谱信号和光纤耦合器另一端输出一起进入干涉光谱信号的平衡探测装置，形成干涉光谱信号，与级联马赫曾德干涉仪中形成的参考干涉信号同步进行采集。第二扫频光源发出的光进入光纤耦合器，经分光后的另一部分光进入光源频率检测单元，波长信号进行同步采集。本发明专利技术能够提高测量的准确性和可靠性。

Ranging System and Method of Dual Sweeping Light Source Based on Cascaded Interferometer

【技术实现步骤摘要】
基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法
本专利技术涉及绝对距离测量
，特别是涉及一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法。
技术介绍
随着高端制造、航空航天制造、汽车制造及无人驾驶等领域的发展，距离测量是尤为重要的方面。目前采用的绝对距离动态测量系统和方法中，扫频干涉测量法具有测量范围大、测量精度高等优点。为提高扫频干涉测量法的测量精度，国内外很多高校及研究机构对该方法进行研究报道。中国专利公布号CN106226775A，申请公布日2016年12月14日，名称为“一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统及其测量方法”，在系统中利用单频激光器加上声光调制器构成额外的一个外差干涉仪对目标的位移进行实时监测，消除测量光路变化引入的多普勒效应带来的影响。但该方法中，光电器件多、结构复杂、器件体积大、成本高，参考干涉仪易受外界环境影响，引入测量误差，并且系统对扫频光源的线性度有要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法，能够提高测量的准确性和可靠性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，包括第一扫频光源和第二扫频光源，所述第一扫频光源发出的光进入第一光耦合器的第一输入端，所述第二扫频光源发出的光进入第二光耦合器的第一输入端，所述第二光耦合器的第一输出端与第一光耦合器的第二输入端相连，所述第一光耦合器的第一输出端与级联马赫曾德干涉仪的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪的输出端与平衡探测器的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪用于形成一路光谱信号，并提供光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号；所述第一光耦合器的第二输出端进入主干涉仪，所述主干涉仪的样品臂和参考臂共路，包括光纤环形器和准直器，所述光纤环形器的第一端与第一光耦合器的第二输出端相连，第二端的光经所述准直器，所述准直器内部的反射镜反射部分光回所述光纤环形器，所述准直器的透射光投射在被测样品上，准直器中的反射部分光和射到被测样品后的反射光汇合形成干涉，形成的干涉光经光纤环行器的第三端与进入第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的两个输出端与所述平衡探测器的两个输入端相连，所述平衡探测器探测的信号经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理；所述第二光耦合器的第二输出端与基于PID算法的光源频率检测单元的输入端相连；所述光源频率检测单元用于对第二扫频光源的频率点进行鉴定，并将结果输出至数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。所述级联马赫曾德干涉仪包括第一2×2宽带光纤耦合器、第二2×2宽带光纤耦合器、第三2×2宽带光纤耦合器和第四2×2宽带光纤耦合器，所述第一光耦合器的第一输出端输出的光经过所述第一2×2宽带光纤耦合器分光后，分别通过长度为l1和l2的光纤臂进入第二2×2宽带光纤耦合器的两个输入端，光经过第二2×2宽带光纤耦合器的第一输出端进入第三2×2宽带光纤耦合器的输入端，经过第二次分光后分别通过为l3和l4的光纤臂进入第四2×2宽带光纤耦合器的输入端，第四2×2宽带光纤耦合器的两路输出端分别与所述平衡探测器的输入端相连；所述第二2×2宽带光纤耦合器的第二输出端与光电探测器相连。所述光源频率检测单元包括准直器、扩束镜、分光镜、第一探测器、F-P腔和第二探测器，所述第二光耦合器的第二输出端的光进入所述准直器，经准直后进入所述扩束镜进行扩束，扩束后的光一部分经所述分光镜反射后进入所述第一探测器，另一部分经所述分光镜的透射后进入F-P腔后再进入第二探测器；所述第一探测器和第二探测器的信号直接进入所述数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。所述基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统的测量方法，包括以下步骤：(1)利用平衡探测器将级联马赫曾德干涉仪的光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号进行分离；(2)通过光源频率检测单元获得多个不同的频率点，通过拟合光程差最小的参考信号对应的干涉仪的相位与第二扫频光源的频率曲线来确定光程差最小的参考信号对应的干涉仪的整数倍相位和小数倍相位；(3)使用第一扫频光源和第二扫频光源同时测量，基于光程差最小的参考信号对应的干涉仪的整数倍相位和小数倍相位通过迭代的方式获得获得所有干涉仪的整数倍相位和小数倍相位；(4)在第ω次采样时根据计算动态绝对距离值，其中，vω为第ω次采样时第二扫频光源的频率，c为光速，为所有干涉仪的整数倍相位，为所有干涉仪的小数倍相位。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术可对绝对距离进行动态测量，测距范围大，精度达到位移干涉测量的精度。本专利技术提供了整数倍相位及小数倍相位的迭代计算方法，使距离具有更高的准确性、可靠性。本专利技术提供了参考频率的测量方法，使距离具有更稳定的长度参考值，使距离具有更高的重复性、精确度。附图说明图1是本专利技术的结构方框图；图2是本专利技术中级联马赫曾德干涉仪的结构方框图；图3是本专利技术中光源频率检测单元的结构方框图；图4是本专利技术中光源频率检测单元的F-P腔透射谱线图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术的实施方式涉及一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，如图1所示，包括第一扫频光源1和第二扫频光源2，所述第一扫频光源1发出的光进入第一光耦合器4的第一输入端，所述第二扫频光源2发出的光进入第二光耦合器3的第一输入端，所述第二光耦合器3的第一输出端与第一光耦合器4的第二输入端相连，所述第一光耦合器4的第一输出端与级联马赫曾德干涉仪5的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪5的输出端与平衡探测器10的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪5用于形成一路光谱信号，并提供光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号；所述第一光耦合器4的第二输出端进入主干涉仪，所述主干涉仪的样品臂和参考臂共路，包括光纤环形器6和准直器7，所述光纤环形器6的第一端与第一光耦合器4的第二输出端相连，第二端的光经所述准直器7，所述准直器7内部的反射镜反射部分光回光纤环形器6，所述准直器7的透射光投射在被测样品8上，准直器7中的反射部分光和射到被测样品8后的反射光汇合形成干涉，形成的干涉光经光纤环行器6的第三端与进入第三光纤耦合器9的输入端，第三光纤耦合器9的两个输出端与所述平衡探测器10的两个输入端相连，所述平衡探测器10探测的信号经数据采集卡11和计算机12进行数据采集和数据处理；所述第二光耦合器3的第二输出端与基于PID算法的光源频率检测单元13的输入端相连；所述光源频率检测单元13用于对第二扫频光源的频率点进行鉴定，并将结果输出至数据采集卡11和计算机12进行数据采集和数据处理。该测距系统的第一扫频光源和第二扫频光源发出的相干光进入光纤耦合器，经分光后分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，包括第一扫频光源和第二扫频光源，其特征在于，所述第一扫频光源发出的光进入第一光耦合器的第一输入端，所述第二扫频光源发出的光进入第二光耦合器的第一输入端，所述第二光耦合器的第一输出端与第一光耦合器的第二输入端相连，所述第一光耦合器的第一输出端与级联马赫曾德干涉仪的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪的输出端与平衡探测器的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪用于形成一路光谱信号，并提供光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号；所述第一光耦合器的第二输出端进入主干涉仪，所述主干涉仪的样品臂和参考臂共路，包括光纤环形器和准直器，所述光纤环形器的第一端与第一光耦合器的第二输出端相连，第二端的光经所述准直器，所述准直器内部的反射镜反射部分光回所述光纤环形器，所述准直器的透射光投射在被测样品上，准直器中的反射部分光和射到被测样品后的反射光汇合形成干涉，形成的干涉光经光纤环行器的第三端与进入第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的两个输出端与所述平衡探测器的两个输入端相连，所述平衡探测器探测的信号经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理；所述第二光耦合器的第二输出端与基于PID算法的光源频率检测单元的输入端相连；所述光源频率检测单元用于对第二扫频光源的频率点进行鉴定，并将结果输出至数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。...

【技术特征摘要】
1.一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，包括第一扫频光源和第二扫频光源，其特征在于，所述第一扫频光源发出的光进入第一光耦合器的第一输入端，所述第二扫频光源发出的光进入第二光耦合器的第一输入端，所述第二光耦合器的第一输出端与第一光耦合器的第二输入端相连，所述第一光耦合器的第一输出端与级联马赫曾德干涉仪的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪的输出端与平衡探测器的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪用于形成一路光谱信号，并提供光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号；所述第一光耦合器的第二输出端进入主干涉仪，所述主干涉仪的样品臂和参考臂共路，包括光纤环形器和准直器，所述光纤环形器的第一端与第一光耦合器的第二输出端相连，第二端的光经所述准直器，所述准直器内部的反射镜反射部分光回所述光纤环形器，所述准直器的透射光投射在被测样品上，准直器中的反射部分光和射到被测样品后的反射光汇合形成干涉，形成的干涉光经光纤环行器的第三端与进入第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的两个输出端与所述平衡探测器的两个输入端相连，所述平衡探测器探测的信号经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理；所述第二光耦合器的第二输出端与基于PID算法的光源频率检测单元的输入端相连；所述光源频率检测单元用于对第二扫频光源的频率点进行鉴定，并将结果输出至数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。2.根据权利要求1所述的基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，其特征在于，所述级联马赫曾德干涉仪包括第一2×2宽带光纤耦合器、第二2×2宽带光纤耦合器、第三2×2宽带光纤耦合器和第四2×2宽带光纤耦合器，所述第一光耦合器的第一输出端输出的光经过所述第一2×2宽带光纤耦合器分光后，分别通过长度为l1和l2...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹建建，丁志华，方旭，马晓伟，
申请(专利权)人：宁波核芯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33