一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，利用单频激光器和两个声光调制器产生带有多普勒频移信息的拍频信号，同时可调谐激光器经过测量干涉光路也会产生含有多普勒信息的测量拍频信号，对这两个测量拍频信号进行处理即可消除振动对频率扫描干涉绝对测距系统的影响。该发明专利技术相比较于双可调谐激光器测量系统，降低了硬件成本和装置复杂度，同时单频激光器相比较于可调谐激光器体积和质量更小，更易于集成和在现场使用，双可调谐激光器也需要有同样的频率调制速度，这在目前几乎是做不到的，因为可调谐激光器普遍存在调频非线性的现象，而本发明专利技术使用单频激光器，很好的避免了这个问题。

【技术实现步骤摘要】
一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法
本专利技术涉及频率扫描干涉绝对测距领域，特别涉及一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法。
技术介绍
绝对距离测量系统可用于距离测量高达几十米，相对不确定度小于3ppm，这在测量领域具有重大意义。绝对距离测量系统可以提高大型装配件在飞机制造，汽车工程和现代风车叶片生产等领域的制造效率和精度。目前的绝对距离测量系统通常基于三种不同的光学方法：飞行时间法，合成波长法，频率扫描干涉测量法。频率扫描干涉绝对测距技术是一种无需靶标或标记点、能够快速测量漫反射体表面信息并且测量精度很高的测距方式，因此得到了人们的广泛关注。但在实际测量中，随着振动引起的多普勒效应的存在，距离谱会变宽，这将导致测量误差比光程差的实际变化大1000倍以上。为了解决这种振动的影响，Swinkels等采用一个三角波频率扫描的激光器，通过四个连续的相位测量解算消除振动影响的距离值；Jia等将频率扫描干涉绝对测距技术与时变卡尔曼滤波器相结合来跟踪目标的瞬时运动，对于运动速度为1mm/s的目标，测量标准差仅为2.5μm。
技术实现思路
针对现有待测目标在实际应用场合、很难保证测量处于完全静止条件下，传统的频率扫描干涉绝对测距系统测量误差很大的情况，本专利技术提出一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，利用单频激光器加两个声光调制器、可调谐激光器分别产生包含振动信息的测量拍频信号，通过对这两个拍频信号进行处理以消除振动对频率扫描干涉绝对测距系统的影响，而辅助拍频信号用来消除可调谐激光器调频非线性对测量拍频信号产生的影响。本专利技术无需两个可调谐激光器，而是将双可调谐激光器系统中的一个可调谐激光器换成了单频激光器，降低了硬件成本和装置复杂度，同时不采用实时测量出振动位移进行补偿的方式，而是通过两个同步的测量拍频信号直接获取抵消振动位移的距离值，简化了算法，使得频率扫描干涉绝对测距系统的应用范围更广。本专利技术所采用的技术方案是：一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，利用单频激光器、可调谐激光器、两个声光调制器、若干耦合器、光环形器、准直透镜、压电位移台、目标镜、粗波分复用器得到两个含有多普勒频移信息的测量拍频信号，两个所述测量拍频信号包含了待测目标镜的振动信息；利用可调谐激光器、延时光纤得到辅助拍频信号；采用所述辅助拍频信号消除可调谐激光器调频非线性对两个所述测量拍频信号产生的影响后，对两个所述测量拍频信号进行处理，消除振动对频率扫描干涉绝对测距系统的影响,计算得出消除振动影响的距离值。进一步的，本专利技术一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，具体包括以下步骤：测距信号的产生：1-1步骤、单频激光器产生单频信号，可调谐激光器产生频率扫描信号；所述单频信号经过第一分束器分为A路和B路，所述频率扫描信号经过第二分束器分为C路和D路，A路、B路、C路进入测量干涉系统，D路进入辅助干涉系统；1-2步骤、测量干涉系统中：A路信号经过第二声光调制器达到第一耦合器，C路信号经过第三分束器分为E路和F路，E路信号与A路信号在第一耦合器耦合并送入光环形器；所述光环形器采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光环形器，所述光环形器的第一端口与所述第一耦合器的输出相连接，第二端口与准直透镜相连接，第三端口连接至第三耦合器的一个输入端；B路信号经过第一声光调制器达到第二耦合器，F路信号与B路信号在第二耦合器耦合并送入第三耦合器的另一个输入端；所述A路与E路激光经过第一耦合器、光环形器、准直透镜，经目标镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入所述第三耦合器的一个输入端，其中A路激光与B路激光在第三耦合器汇合并发生干涉，E路激光与F路激光在第三耦合器汇合并发生干涉，由于来自单频激光器的A路激光、B路激光与来自可调谐激光器的E路激光、F路激光为两个频率段的激光信号，采用粗波分复用器将两个频率段的激光信号分开，A路激光与B路激光在第一光电探测器上形成第一测量拍频信号，E路激光与F路激光在第二光电探测器上形成第二测量拍频信号；1-3步骤、辅助干涉系统中：D路信号经过第四分束器分为G路和H路，G路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后进入第四耦合器，G路激光与H路激光在第四耦合器汇合并发生干涉，第四耦合器的输出端连接至第三光电探测器，G路激光与H路激光在第三光电探测器上形成辅助拍频信号；其中，A路和B路形成了一路测量干涉光路、E路和F路形成了另一路测量干涉光路，G路和H路形成了参考干涉光路；同步数据采集：同步数据采集系统对测量干涉系统产生的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号以及辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样，步骤如下：2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间ts、采样频率fs；2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到第一测量拍频信号、第二测量拍频信号和辅助拍频信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；数据处理：目前使用的可调谐激光器输出的光频率并非完全线性调制，当输出的光频率并非完全线性调制时，测量拍频信号会发生严重的展宽现象，从而导致极大的测量误差，因此，采用辅助干涉系统消除测量干涉系统的调频非线性的影响，具体包括以下步骤：3-1步骤、将经过同步数据采集系统的辅助拍频信号作为时钟信号，对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号同时进行等光频重采样；3-2步骤、对于运动物体，A路激光和B路激光将产生干涉，由于第一测量拍频信号和第二测量拍频信号均含有物体的运动信息，故将等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘得到新信号，新信号包含两个余弦项，其中一个频率中包含多普勒频移的余弦项为干扰项，另一个频率中不包含多普勒频移的余弦项为所需项；利用快速傅里叶变换或chirp-z变换求得所需项的频率，根据所需项的频率求得待测真实距离值。其中，3-1步骤具体包括：所述第一测量拍频信号表示为：P1(t)＝Acos{2π[(106-fd)t+fdτ+f0τ+80×106τ]}(1)式(1)中，P1(t)为第一测量拍频信号，A表示第一测量拍频信号的振幅，fd表示由于物体运动导致测量拍频信号中引入的多普勒频移，f0表示单频激光器的频率，τ表示待测距离对应的时间延迟，t表示时间；所述第二测量拍频信号表示为：式(2)中，P2(t)为第二测量拍频信号，B表示第二测量拍频信号的振幅，α1表示可调谐激光器的调制速度，f1表示可调谐激光器发射激光的初始频率，ε1(t)表示偏离理想线性扫频的频率非线性误差；辅助拍频信号的表达式为：式(3)中，P3(t)为辅助拍频信号，M表示辅助拍频信号的振幅，τr表示参考干涉光路的光程差对应的时间延迟。取辅助拍频信号的峰谷值位置点对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号进行重采样，其结果为：式(4)中，P1(k)为重采样后的第一测量拍频信号；式(5)中，P2(k)为重采样后的第二测量拍频信号。其中，3-2步骤具体包括：将等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘得到新信号：式(6)中，P4(k)为等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘得到新信号；由式(6)可知，第一个余弦项的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，其特征在于，利用单频激光器、可调谐激光器、两个声光调制器、若干耦合器、光环形器、准直透镜、压电位移台、目标镜、粗波分复用器得到两个含有多普勒频移信息的测量拍频信号，两个所述测量拍频信号包含了待测目标镜的振动信息；利用可调谐激光器、延时光纤得到辅助拍频信号；采用所述辅助拍频信号消除可调谐激光器调频非线性对两个所述测量拍频信号产生的影响后，对两个所述测量拍频信号进行处理，消除振动对频率扫描干涉绝对测距系统的影响,计算得出消除振动影响的距离值。

【技术特征摘要】
1.一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，其特征在于，利用单频激光器、可调谐激光器、两个声光调制器、若干耦合器、光环形器、准直透镜、压电位移台、目标镜、粗波分复用器得到两个含有多普勒频移信息的测量拍频信号，两个所述测量拍频信号包含了待测目标镜的振动信息；利用可调谐激光器、延时光纤得到辅助拍频信号；采用所述辅助拍频信号消除可调谐激光器调频非线性对两个所述测量拍频信号产生的影响后，对两个所述测量拍频信号进行处理，消除振动对频率扫描干涉绝对测距系统的影响,计算得出消除振动影响的距离值。2.根据权利要求1所述的一种频率扫描干涉绝对测距系统的振动补偿方法，其特征在于，具体包括以下步骤：测距信号的产生：1-1步骤、单频激光器产生单频信号，可调谐激光器产生频率扫描信号；所述单频信号经过第一分束器分为A路和B路，所述频率扫描信号经过第二分束器分为C路和D路，A路、B路、C路进入测量干涉系统，D路进入辅助干涉系统；1-2步骤、测量干涉系统中：A路信号经过第二声光调制器达到第一耦合器，C路信号经过第三分束器分为E路和F路，E路信号与A路信号在第一耦合器耦合并送入光环形器；所述光环形器采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光环形器，所述光环形器的第一端口与所述第一耦合器的输出相连接，第二端口与准直透镜相连接，第三端口连接至第三耦合器的一个输入端；B路信号经过第一声光调制器达到第二耦合器，F路信号与B路信号在第二耦合器耦合并送入第三耦合器的另一个输入端；所述A路与E路激光经过第一耦合器、光环形器、准直透镜，经目标镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入所述第三耦合器的一个输入端，其中A路激光与B路激光在第三耦合器汇合并发生干涉，E路激光与F路激光在第三耦合器汇合并发生干涉，由于来自单频激光器的A路激光、B路激光与来自可调谐激光器的E路激光、F路激光为两个频率段的激光信号，采用粗波分复用器将两个频率段的激光信号分开，A路激光与B路激光在第一光电探测器上形成第一测量拍频信号，E路激光与F路激光在第二光电探测器上形成第二测量拍频信号；1-3步骤、辅助干涉系统中：D路信号经过第四分束器分为G路和H路，G路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后进入第四耦合器，G路激光与H路激光在第四耦合器汇合并发生干涉，第四耦合器的输出端连接至第三光电探测器，G路激光与H路激光在第三光电探测器上形成辅助拍频信号；其中，A路和B路形成了一路测量干涉光路、E路和F路形成了另一路测量干涉光路，G路和H路形成了参考干涉光路；同步数据采集：同步数据采集系统对测量干涉系统产生的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号以及辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样，步骤如下：2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间ts、采样频率fs；2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到第一测量拍频信号、第二测量拍频信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福民，李雅婷，曲兴华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12