波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法技术

本发明专利技术波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法属于精密测量技术领域，该方法在激光外差干涉法测量的过程中，将携带被测物理量信息的干涉光由两个光电探测器接收，通过光程差的调整或设置，使探测到的两路中周期性的非线性误差的相位反向，然后，在后续的电子学处理中消除周期性的非线性误差中占据主部的基波成分等。本发明专利技术的方法可以消除非线性误差的主部，提高精度，可以将非线性误差降低２－３个数量级以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密测量技术中采用波动方法，包括外差干涉法的
，涉及一种波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法。
技术介绍
在真实的物质世界中，波动这一类运动形式存在着多种物质载体。我们可以不失一般性地采用光波或其它形式的电磁波为例来讨论，激光外差干涉法是一个典型的利用波动来测量的方法。激光外差干涉法可以用来测量位移和振动等物理量，是目前最好的纳米测量方法之一。该方法是将被测位移量转变到外差信号的频率或者相位变化中，再将这种变化测量出来，由于外差信号的频率比光频低得多，光电信号容易处理，容易经过电子细分而达到较高的测量分辨率。这种方法可以达到皮米(pm)或更好的测量分辨率。但是在光外差干涉法这类技术中普遍存在着非线性(nonlinearity)问题，这个问题也同样存在于其它种类波动的外差干涉测量中，比如普通电磁波，这些因素是纳米测量的主要误差来源，使其精度一般只有纳米级，甚至十几纳米，其原因是作为外差干涉的测量光和参考光中两个频率不同的光线成分不能很好的分离，相互“串扰”。这些周期性的非线性误差问题，多年来一直是该领域技术进一步发展的障碍。多年来，国内外学者不断地专利技术了一些改善的方法，但也多存在一些限制或问题，例如文献‘V G Badami，and S R Patterson，A frequency domain method for the measurement of nonlinearity in heterodyne interferometry，Prec.Eng.，Vol.24，pp.41-9，2000.’公开了使用速率计和频谱仪在移动系统直接测量非线性误差成分并进行补偿；文献‘Tae Bong Eom，Tae Young Choi，Keon Hee Lee et al..A simple method for the compensation of the nonlinearity in the heterodyne interferometer[J].Meas.Sci.Technol.，2002，13：222～225’公开了对相位信号积分后进行椭圆拟合的方法来补偿非线性误差；文献‘High resolution heterodyne interferometer without detectable periodic nonlinearity，Ki-Nam Joo，Jonathan D.Ellis，Eric S.Buice，Jo W.Spronck，and Robert H.Munnig Schmidt，Optics Express，Vol.18，Issue 2，pp.1159-1165 2010’公开了使用双频激光器加上两个声光器件移频等手段来消除非线性误差。这些方法可以在没有其它的辅助干涉仪存在时补偿非线性误差，但系统复杂，而且有些还需要大量的波动信号周期和相对大量的运算，影响测量的实时性。2007年，我国业界著名学者侯文玫等(外差激光干涉仪非线性的细分和消除，上海理工大学光电学院，上海200093，计量学报-2007，28(3).-210～215)公布了一种可以有效地减小双频激光干涉仪的各种非线性误差的方法，它可以成倍地减小测量结果的相对误差。其方法是改变干涉仪的结构，增加测量光程的折返倍数。这样就提高了测量灵敏度。即提高了单位位移量对应的光电探测器输出的交流电信号的相位变化量，使其呈同样倍数地增加。而非线性误差对应的相角(误差)的振幅是不变的。即成倍地减小了测量结果的相对误差。在一定的范围内，这个方法有很好的效-->果。但问题是如果要成数量级地减小非线性误差，比如将非线性误差减小到百分之一，那就需要上百倍的折返光路，而一般的讲，这是困难的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种波动探测方法中非线性误差的基波(也称基频，在业内的文章中也被叫做一次谐波)和奇次谐波的消除法，可以消除周期性的非线性误差，提高测量精度，将非线性误差降低2-3个数量级以上。光外差干涉系统测量光臂的光电探测器所获得的，是以形成干涉的两束异频光的光频差为频率的交流电信号，这个交流电信号还包含一个应该与被测位移成精确的比例关系的，反应了被测物体位移量的相位差，而这个相位差正是由异频的两束光的相位差产生的。这种形成干涉的两光束的相位差信号就是我们在外差干涉法中所要得到的，包含着被探测物理量信息的信号。但是，由于形成干涉的两光束不能在频率上彻底分开，存在“串扰”现象等，因此在产生检测目标信号的同时，还产生了周期性的、主要分布在傅立叶频谱的基波上的非线性误差干扰信号，该干扰信号的相角可以通过测量形成干涉的两光束——即参考光和测量光之间的光程差来确定。基于上述内容，本专利技术采用下面的方法来消除非线性误差的基波和奇次谐波成分：将被探测信号所在光臂上的干涉光光电探测器由一个增加到两个，通过调整探测器接收到的参考光和测量光之间的光程差，来改变形成干涉的两光束的相位差，从而使两个探测器接收到的两束干涉光中，形成周期性的非线性误差的两个干扰信号的相位差为180°(或180°+2nπ，其中，n是整数，以下类似之处不再重复说明)，进而便可以在后续的电子学处理中消除非线性误差成分。上述调整探测器接收到的参考光和测量光之间的光程差(对于其它波动形式可以叫做波程差)的方法中的一种方式是，将测量光和参考光各自再分成两束，然后再分别作差频干涉后，分别得到两路外差干涉光束，送至两个光电探测器各自检测，并通过调节测量光或参考光之中的任一光束的光程，来调它们之间的光程差。本专利技术采用两个对称放置的楔形光学介质块对干涉光的相位进行微调：对于这个起微调作用的子系统，在光线的入射和出射的位置处，介质表面垂直于入射和出射光线；而两介质块相邻的两个平面平行但不垂直于入射和出射光线；在进行相位调节时，这两个平面保持距离不变，并且两个介质块之间不做转动。这样便能够单纯地调节光程，而不影响被调节的干涉光的出射光线的位置和角位置。同时，可对光线的幅度做调节，使两路光信号通道中，产生非线性误差的干扰信号的振幅值相等。基于上述的调节之后，光电探测器所获得的两个信号中，不但非线性误差信号中基频的幅度相等、方向相反，而且当被探测物理量变化时，两通道中代表被测物理量的相位变化的方向相同。即便此时两路光电信号中的被探测信号也存在着相位差，那么也可以在后续电子学处理电路中将相位差调整，以使两路信号中的被探测信号的相位一致，并通过运算电路-->使两路电信号相加，便保留了被探测的信号成分，同时，这两路检出的电信号中包含的非线性误差干扰成分，由于在相位差调整的过程中，大小和相位角偏移量均未改变，即保持了所谓的大小相等，方向相反的状态，而彼此抵消掉了。实际上，当两路中的非线性误差信号基波成分的相位相反时，其他的奇次谐波成分的相位也是相反的，所以其他的奇次谐波成分也会被彼此抵消。因此，应用上述的方法，就能够使得光外差干涉法检测中，造成非线性误差干扰的信号中基波成分等被消除或抑制，从而提高激光外差干涉法的测量精度。从理论上讲，如果欲消除或减小的周期性非线性误差成分不是一次谐波，即基波，而是n次谐波，甚至是任意的频率成分f或f的奇数倍的频率成分的情况，则可以利用同样的装置和原理，本文档来自技高网...

【技术保护点】
波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法，其特征在于，该方法是：在存在对于被测量的周期性的非线性误差的波动信号的通道上，将混频部分或相位检出部分由一路增加到两路，并通过对检出信号中所包含的周期性误差信号的相位做连续的调节或设置，使这两路输出中的周期性误差干扰成分的基波的相位差互为１８０°或１８０°＋２ｎπ，其中，ｎ是整数，然后，通过后续的电子学处理来消除或减小这些周期性误差的基波和奇次谐波成分。

【技术特征摘要】
1.波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法，其特征在于，该方法是：在存在对于被测量的周期性的非线性误差的波动信号的通道上，将混频部分或相位检出部分由一路增加到两路，并通过对检出信号中所包含的周期性误差信号的相位做连续的调节或设置，使这两路输出中的周期性误差干扰成分的基波的相位差互为180°或180°+2nπ，其中，n是整数，然后，通过后续的电子学处理来消除或减小这些周期性误差的基波和奇次谐波成分。2.如权利要求1所述的波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法，其特征在于，若所述的波动探测方法为光外差干涉测量法，则该光外差干涉测量法中非线性误差的基波和奇次谐波的消除法是：在存在周期性非线性误差的干涉光路上，将光电探测部分由一个增加到两个，并通过连续地调节或设置其至少一路的光电探测器接收到的参考光与测量光之间的相位差，来实现使两个光电探测器接收到的干涉光中的周期性非线性误差干扰成分基波的相位差互为180°或180°+2nπ，其中，n是整数，然后，通过后续的电子学处理来消除或减小非线性误差的基波和奇次谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙强，李也凡，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]