基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法属于相位激光测距技术，所述测距装置包括测尺生成单元、激光移频单元、扩束准直镜组、测量光路及电路单元；其测距方法包括步骤如下：步骤一、开启频率基准激光器和半导体激光器；步骤二、一束作为参考激光束，另一束作为测量激光；步骤三、以作为精测尺；步骤四、以作为粗测尺；步骤五、移动测量棱镜至目标端，分别得到精测尺与粗测尺的相位差Φ1和Φ2，最后通过公式得到被测距离值；本发明专利技术解决了相位激光测距技术中缺少一种能兼顾大功率、多测尺同步性与可溯源性的激光测距装置与方法的问题，具有测距灵活性高、测量效率和测量精度高、稳定性和实时性强的特点。
【技术实现步骤摘要】
基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法
本专利技术属于相位激光测量技术，主要涉及一种相位激光测距装置与方法。
技术介绍
大尺寸测量在发展大型精密机械制造、重大科技工程、航空航天工业、船舶工业和微电子装备业等大型光机电一体化装备加工制造中备受关注，其中几米至几百米范围的大尺寸测量是航空航天器及巨型船舶中的大型零部件加工和整体装配的重要基础，其测量方法与设备性能的优劣直接影响工件质量及装配精度，进而影响整套装备的运行质量、性能及寿命。多测尺相位测距方法利用一组从大到小的测尺波长对被测距离进行逐级精化测量，解决了测量范围和测量精度之间的相互矛盾，能在数百米超长作用距离内达到亚毫米至微米级的静态测量精度。在多测尺相位激光测距技术中，尽管多测尺逐级测量的方式兼顾了测量范围与测量精度的需求，但由于光源技术的限制，粗测尺与精测尺不能够同时产生并进行相位测量，造成了测量时间过长，测量结果实时性差的问题，另一方面由于在多测尺相位激光测距技术中以测尺波长大小为基准进行测量，测尺波长的稳定性和准确性直接影响激光测距的精度，因此如何获得高稳定性可溯源的粗测尺与精测尺波长，并且使之同时参与测量是目前提高多测尺相位激光测距精度与实时性的主要问题。在长距离甚至超长距离的测量背景下，光源的输出功率是重要的方面之一，通过对现有的激光光源分析可知，目前比较常用的光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器和染料激光器。其中气体激光器结构简单，光束质量好，但同时其输出功率有限，文献[曾明,丁金星,袁晓东.提高稳频He-Ne激光器输出功率的研究.光学学报.1996.1]提到常用的He-Ne激光器最大输出功率也只在5毫瓦以内，不能满足长距离测量的需要。而半导体激光器是一种高效率、宽波段、便于调制的激光器，其最大输出功率远远大于气体激光器，且结构简单，符合超长距离的测距的发展要求和趋势。在绝对距离测量中另一关键点是测尺的稳定性与可溯源性，它与光源技术有关，通过对相位激光测距法激光的光源技术的分析可知，目前国内外相位法的调制手段有电流直接调制、光调制和模间拍频调制等。直接电流调制法利用半导体激光器，光强随电流变化而变化的特点，来对半导体激光器的输出光强进行调制，具有简单易调制等优点。文献[SiyuanLiu,JiubinTanandBinkeHou.MulticycleSynchronousDigitalPhaseMeasurementUsedtoFurtherImprovePhase-ShiftLaserRangeFinding.Meas.Sci.Technol.2007,18:1756–1762]与专利[多频同步调制的大量程高精度快速激光测距装置与方法,公开号：CN1825138]都阐述了一种基于半导体激光器的电流调制方法，其采用多频同步合成的复合信号对激光输出功率进行同步调制，实现了在同一时刻得到多频调制测距中各测尺频率针对被测距离的测量结果，但是为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流使其输出信号不失真，直流偏置的引入加大了功耗，在长时间工作时温度升高，会影响输出光功率的稳定性，导致调制波形变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，导致调制波形变形，不能进行高频调制，限制了精测尺波长的大小及稳定度；另一方面在大尺寸测量的实际应用过程中，激光在长距离传输过程中容易造成激光功率的损失，造成对调制波波形的影响，进而影响测尺的准确度及稳定度，其测尺的频率稳定度一般小于10-7。利用光调制方法主要为声光调制法和电光调制法，其调制带宽受到激光光束直径等等多因素的影响，也会带来波形变形，特别是在高频(千兆赫兹)时就更为严重，因此它所形成大的测尺，测量精度由于受到最大测尺频率的限制而难以提高。利用激光器不同模式输出所形成的拍频信号作为测尺的方法，称为模间调制。此方法的调制带宽与激光器的腔长相关，He-Ne激光器稳频技术成熟，它的频率稳定度高，由其所获得的测尺的稳定度高，专利[高精度多频同步相位激光测距装置与方法,公开号：CN102419166]和专利[基于双声光移频的多频同步相位激光测距装置与方法,公开号：CN102305591A]都利用了He-Ne激光器的模间调制并结合声光移频技术，获得了高精度的精测尺和粗测尺，但该方法所产生的测尺不具备可溯源性，其测量时绝对测尺长度需另一检测系统给出，增加了测量的复杂性；另一方面，这种利用外差法获得精测尺相位的方法，其处理信号的频率较高，会对后续的相位测量难度和测量精度造成一定的影响，假定测相精度为0.05°，距离测量精度要达到1um-10um，则信号频率至少为2GHz-20GHz,远远超出信号处理电路的带宽。专利[超外差式接收装置以及接收方法、以及接收装置用半导体集成电路,公开号：CN102484492A]都介绍了一种超外差干涉信号处理技术，清华大学张存满[张存满等，超外差干涉绝对距离测量研究综述，光学技术1998，(1):7-9.]和日本ShukoYokoyama教授[ShukoYokoyamaetal.Real-timeandhigh-resolutionabsolute-distancemeasurementusingatwo-wavelengthsuperheterodyneinterferometer.Meas.Sci.Technol.1999,10:1233-1239]都介绍了超外差的绝对距离测量方法，该方法降低了信号的处理频率，更容易达到较高的测量精度。但该技术一方面，只能得到一个测尺，且不具备可溯源性，不能进行多测尺测量，更谈不上多测尺的同步性；另一方面超外差得到测尺波长较小，一般在微米量级，只能用于表面微形状的测量。为了提高激光器输出频率的稳定性，出现了以碘饱和吸收稳频激光器的输出激光频率作为稳频基准的稳频方法，利用碘的饱和吸收谱线对He-Ne激光器和半导体激光器进行偏频锁定控制。我国也进行了研究，例如专利ZL200910072518.5和专利ZL200910072519.X等都描述了一种利用碘饱和吸收He-Ne稳频激光器的偏频锁定装置，使偏频锁定后的激光输出频率具有很高的频率稳定度，具有输出频率可溯源的优点，但激光的输出频率达到1014Hz，所对应的测尺在400-700nm之间，测量范围在nm级别，不能用于远距离激光测距，亟需一种将高频率稳定度激光频率转换为可溯源的大范围激光测距测尺，并使之同步产生的技术。综上所述，目前在相位激光测距技术中缺少一种能兼顾大功率、多测尺同步性与可溯源性的长距离高精度激光测距装置与方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有在相位激光测距技术中缺少一种能兼顾大功率、多测尺同步性与可溯源性的激光测距装置与方法的问题，提供一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法，达到增加测距灵活性、简化测距步骤、提高测量效率与精度及稳定度、实时性的目的。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，由测尺生成单元、激光移频单元、扩束准直镜组和测量光路及电路单元组成，其中测尺生成单元发出的激光输出到激光移频单元的输入端，激光移频单元中的七号分光镜输出的一路激光通过扩束准直镜组输出到测本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，包括扩束准直镜组（3），其特征在于：所述装置由测尺生成单元（1）、激光移频单元（2）、扩束准直镜组（3）和测量光路及电路单元（4）组成，其中测尺生成单元（1）发出的激光输出到激光移频单元（2）的输入端，激光移频单元（2）输出的一路激光通过扩束准直镜组（3）输出到测量光路及电路单元（4）的一个输入端，激光移频单元（2）输出的另一路激光直接输入到测量光路及电路单元（4）的另一个输入端；所述测尺生成单元（1）的结构是：频率基准激光器（5）发射的激光束到达分光器（6）的输入端，分光器（6）的第一个输出端连接一号分光镜（7）的一个输入端, 一号分光镜（7）的一个输出端连接二号光电探测器（12）的输入端，分光器（6）的第二个输出端连接二号分光镜（8）的一个输入端，二号分光镜（8）的输出端连接一号光电探测器（11）的输入端，一号光电探测器（11）和二号光电探测器（12）的输出端都连接单片机（14）的输入端，单片机（14）的两个输出端分别连接半导体稳频控制器（13）的输入端，半导体稳频控制器（13）的输出端分别连接二号半导体激光器（16）和三号半导体激光器（17）的输入端，一号半导体激光器（15）的输出端连接半导体激光器稳频装置（18）的输入端，半导体激光器稳频装置（18）的输出端连接一号偏振片（21）的输入端，二号半导体激光器（16）的一个输出端连接四号分光镜（19）的一个输入端，四号分光镜（19）一个输出端连接二号分光镜（8）的输入端，四号分光镜（19）的另一个输出端连接二号偏振片（22）的输入端，二号偏振片（22）的输出端连接五号分光镜（20）的一个输入端，三号半导体激光器（17）的一个输出端连接三号分光镜（9）的一个输入端，三号分光镜（9）的一个输出端连接三号偏振片（23）的输入端，三号分光镜（9）的另一个输出端连接一号分光镜（7）的另一个输入端，三号偏振片（23）的输出端通过一号反射镜（10）连接五号分光镜（20）的另一个输入端；所述激光移频单元（2）的结构是：测尺生成单元（1）的一个输出端连接七号反射镜（41）的输入端，七号反射镜（41）的输出端连接六号分光镜（32）的一个输入端，六号分光镜（32）的输出端连接七号分光镜（42）的一个输入端，测尺生成单元（1）的另一个输出端连接一号偏振分光镜（24）的输入端，一号偏振分光镜（24）的一个输出端连接一号半波片（25）的输入端，一号半波片（25）的输出端连接二号偏振分光镜（26）的输入端，二号偏振分光镜（26）的一个输出端连接三号偏振分光镜（31）的一个输入端，二号偏振分光镜（26）的另一个输出端连接二号反射镜（27）的输入端，二号反射镜（27）的输出端连接一号激光移频器（29）的一个输入端，一号DDS信号源（28）的输出端连接一号激光移频器（29）的另一个输入端，一号激光移频器（29）的输出端连接三号反射镜（30）的输入端，三号反射镜（30）的输出端连接三号偏振分光镜（31）的另一个输入端，三号偏振分光镜(31)的输出端连接六号分光镜(32)的另一个输入端，六号分光镜(32)的输出端连接七号分光镜(42)的一个输入端，一号偏振分光镜(24)的另一个输出端连接四号反射镜(33)的输入端，四号反射镜(33)的输出端经过二号半波片(34)连接四号偏振分光镜(35)的输入端，四号偏振分光镜(35)的一个输出端连接五号偏振分光镜（40）的一个输入端，四号偏振分光镜（35）的另一个输出端连接五号反射镜（36）的输入端，五号反射镜（36）的输出端连接二号激光移频器(38)的一个输入端，二号DDS信号源(37)的输出端连接二号激光移频器(38)的另一个输入端，二号激光移频器（38）的输出端连接六号反射镜（39）的输入端，六号反射镜（39）的输出端连接五号偏振分光镜（40）的另一个输入端，五号偏振分光镜（40）的输出端连接七号分光镜（42）的另一个输入端；所述测量光路及电路单元（4）的结构是：激光移频单元（2）的一个输出端连接十号分光镜（43）的输入端，十号分光镜（43）的输出端连接八号分光镜（44）的输入端，八号分光镜（44）的一个输出端通过四号偏振片（45）与三号光电探测器（46）的输入端连通，三号光电探测器（46）的输出端连接一号低通滤波器（47）的输入端，一号低通滤波器（47）的输出端连接一号混频器（48）的一个输入端，三号DDS信号源（49）的一个输出端连接一号混频器（48）的另一个输入端，一号混频器（48）的输出端连接一号鉴相器（50）的一个输入端，八号分光镜（44）的另一个输出端通过五号偏振片（51）与四号光电探测器（52）的输入端连通，四号光电探测器（52）的输出端连接二号低通滤波器（53）的输入端，二号低通滤波器（53）的输出端连接二号鉴相...
【技术特征摘要】
1.一种基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置，其特征在于：所述装置由测尺生成单元(1)、激光移频单元(2)、扩束准直镜组(3)和测量光路及电路单元(4)组成，其中测尺生成单元(1)发出的激光输出到激光移频单元(2)的输入端，激光移频单元(2)中的七号分光镜(42)输出的一路激光通过扩束准直镜组(3)输出到测量光路及电路单元(4)中的六号偏振分光镜(55)的一个输入端，激光移频单元(2)中的七号分光镜(42)输出的另一路激光直接输入到测量光路及电路单元(4)中的八号反射镜(43)的输入端；所述测尺生成单元(1)的结构是：频率基准激光器(5)发射的激光束到达分光器(6)的输入端，分光器(6)的第一个输出端连接一号分光镜(7)的一个输入端,一号分光镜(7)的一个输出端连接二号光电探测器(12)的输入端，分光器(6)的第二个输出端连接二号分光镜(8)的一个输入端，二号分光镜(8)的输出端连接一号光电探测器(11)的输入端，一号光电探测器(11)和二号光电探测器(12)的输出端都连接单片机(14)的输入端，单片机(14)的两个输出端分别连接半导体稳频控制器(13)的输入端，半导体稳频控制器(13)的输出端分别连接二号半导体激光器(16)和三号半导体激光器(17)的输入端，一号半导体激光器(15)的输出端连接半导体激光器稳频装置(18)的输入端，半导体激光器稳频装置(18)的输出端连接一号偏振片(21)的输入端，二号半导体激光器(16)的一个输出端连接四号分光镜(19)的一个输入端，四号分光镜(19)一个输出端连接二号分光镜(8)的输入端，四号分光镜(19)的另一个输出端连接二号偏振片(22)的输入端，二号偏振片(22)的输出端连接五号分光镜(20)的一个输入端，三号半导体激光器(17)的一个输出端连接三号分光镜(9)的一个输入端，三号分光镜(9)的一个输出端连接三号偏振片(23)的输入端，三号分光镜(9)的另一个输出端连接一号分光镜(7)的另一个输入端，三号偏振片(23)的输出端通过一号反射镜(10)连接五号分光镜(20)的另一个输入端；所述激光移频单元(2)的结构是：测尺生成单元(1)中的一号偏振片(21)的输出端连接七号反射镜(41)的输入端，七号反射镜(41)的输出端连接六号分光镜(32)的一个输入端，六号分光镜(32)的输出端连接七号分光镜(42)的一个输入端，测尺生成单元(1)中的五号分光镜(20)的输出端连接一号偏振分光镜(24)的输入端，一号偏振分光镜(24)的一个输出端连接一号半波片(25)的输入端，一号半波片(25)的输出端连接二号偏振分光镜(26)的输入端，二号偏振分光镜(26)的一个输出端连接三号偏振分光镜(31)的一个输入端，二号偏振分光镜(26)的另一个输出端连接二号反射镜(27)的输入端，二号反射镜(27)的输出端连接一号激光移频器(29)的一个输入端，一号DDS信号源(28)的输出端连接一号激光移频器(29)的另一个输入端，一号激光移频器(29)的输出端连接三号反射镜(30)的输入端，三号反射镜(30)的输出端连接三号偏振分光镜(31)的另一个输入端，三号偏振分光镜(31)的输出端连接六号分光镜(32)的另一个输入端，六号分光镜(32)的输出端连接七号分光镜(42)的一个输入端，一号偏振分光镜(24)的另一个输出端连接四号反射镜(33)的输入端，四号反射镜(33)的输出端经过二号半波片(34)连接四号偏振分光镜(35)的输入端，四号偏振分光镜(35)的一个输出端连接五号偏振分光镜(40)的一个输入端，四号偏振分光镜(35)的另一个输出端连接五号反射镜(36)的输入端，五号反射镜(36)的输出端连接二号激光移频器(38)的一个输入端，二号DDS信号源(37)的输出端连接二号激光移频器(38)的另一个输入端，二号激光移频器(38)的输出端连接六号反射镜(39)的输入端，六号反射镜(39)的输出端连接五号偏振分光镜(40)的另一个输入端，五号偏振分光镜(40)的输出端连接七号分光镜(42)的另一个输入端；所述测量光路及电路单元(4)的结构是：激光移频单元(2)中的七号分光镜(42)的一个输出端连接八号反射镜(43)的输入端，八号反射镜(43)的输出端连接八号分光镜(44)的输入端，八号分光镜(44)的一个输出端通过四号偏振片(45)与三号光电探测器(46)的输入端连通，三号光电探测器(46)的输出端连接一号低通滤波器(47)的输入端，一号低通滤波器(47)的输出端连接一号混频器(48)的一个输入端，三号DDS信号源(49)的一个输出端连接一号混频器(48)的另一个输入端，一号混频器(48)的输出端连接一号鉴相器(50)的一个输入端，八号分光镜(44)的另一个输出端通过五号偏振片(51)与四号光电探测器(52)的输入端连通，四号光电探测器(52)的输出端连接二号低通滤波器(53)的输入端，二号低通滤波器(53)的输出端连接二号鉴相器(54)的一个输入端，扩束准直镜组(3)的输出端连接六号偏振分光镜(55)的一个输入端，六号偏振分光镜(55)的一个输出端通过一号四分之一波片(56)与九号反射镜(57)的输入端连通，九号反射镜(57)的输出端通过一号四分之一波片(56)与六号...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，杨宏兴，胡鹏程，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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