一种激光干涉位移测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光干涉位移测量系统和方法，利用光纤跳线的出射端面和被测物表面构成开放式法布里珀罗腔，将激光光束在光纤跳线的出射端面与空气端面发生后向菲涅尔反射的部分作为参考光，将透射至被测物表面并反射耦合进光纤跳线的部分作为测量光，使参考光与测量光在光纤跳线内部发生干涉。当被测物发生位移时，法布里珀罗腔的腔长发生相应改变，相当于改变了测量光和参考光之间的光程差，从而导致测量光和参考光的相位差发生变化，最终影响二者的干涉信号，通过干涉信号调理模块和信号解调模块对干涉信号进行处理，计算得到被测物的位移量，从而实现了对位移的非接触、高精度测量。度测量。度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种激光干涉位移测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及超精密干涉测量领域，特别是涉及一种激光干涉位移测量系统及方法。

技术介绍

[0002]高端装备与大科学装置雄踞制造业技术链和价值链的顶端，对国家的发展和进步意义重大，其最本质的特征是高质量，包括高性能、高稳定性和高可靠性。中国高端装备及大科学装置的研制要实现突破，首先要解决制造质量的问题，其关键是能否建立起坚实的技术基础支撑能力，而核心关键是能否首先建立起超精密测量能力，尤其是超精密的位移测量能力。
[0003]随着科学研究的进步和制造业水平的飞速发展，前沿科学研究和高端装备对于位移测量的要求越来越高，位移测量的精度需要达到亚纳米甚至皮米级别。
[0004]现有技术中通常采用激光干涉测量技术进行位移测量。激光干涉测量技术是基于光的叠加原理，当空间中两束光满足频率相同、振动方向相同、相位差恒定的条件时，产生干涉现象。当把被测物位移变化量引入干涉测量光路中，位移的变化导致两束光的光程差发生变化，进而导致两者相位差发生变化，得到的干涉信号也随之改变，通过对干涉信号的分析和处理，可以计算出位移的变化和各种与位移有关的物理量。随着激光稳频、光电子器件、光学元器件、干涉信号处理等各项关键技术的发展，激光干涉位移测量系统的精度越来越高，测量范围越来越大，重复性越来越好，抗干扰能力越来越强，并且测量结果以激光频率为桥梁，可溯源至国家基准，提高测量结果的可靠性和真实性，为我国高端装备发展与前沿研究奠定重大共性技术基础。
[0005]然而传统空间激光干涉位移测量系统通常需要采用分光镜、透镜、棱镜等分离光学器件，存在体积庞大，调节困难，光能量损耗严重，易受环境扰动等诸多问题，并且器件的表面加工质量会导致光信号的畸变，降低干涉信号的信噪比，限制整个干涉测量系统的测量能力，无法实现更高精度位移测量的目的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种激光干涉位移测量系统及方法，以提高位移测量精度。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种激光干涉位移测量系统，所述系统包括光纤激光干涉模块、干涉信号调理模块和信号解调模块；
[0009]所述光纤激光干涉模块包括：
[0010]光纤激光器，用于发射激光光束；
[0011]第一光纤分束器，与所述光纤激光器连接，用于将所述激光光束分为第一光束和第二光束；
[0012]光纤环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述第一光纤
分束器连接；
[0013]光纤跳线；所述光纤跳线的输入端与所述第二端口连接；所述光纤跳线的出射端面与被测物相对设置，以使所述光纤跳线的出射端面与被测物表面构成开放式法布里珀罗腔；所述第二光束依次通过所述第一端口及所述第二端口入射至所述光纤跳线，并在所述光纤跳线的出射端面发生菲涅尔反射和透射，产生反射光和出射光；将所述反射光和所述出射光分别作为参考光和测量光；
[0014]光纤准直器，设置在所述光纤跳线和被测物之间，且与所述光纤跳线的输出端连接，用于对所述测量光进行准直，得到准直后的测量光；所述准直后的测量光在被测物表面发生反射后沿原路返回，经过所述光纤准直器，进入所述光纤跳线，与所述参考光发生干涉，产生干涉光；
[0015]第二光纤分束器，与所述第三端口连接；所述干涉光依次经过所述第二端口和所述第三端口进入所述第二光纤分束器；所述第二光纤分束器用于将所述干涉光分为第一干涉光束和待调控光束；
[0016]第一光电探测器，与所述第二光纤分束器连接，用于将所述第一干涉光束的光信号转换为电信号，作为第一干涉信号；
[0017]光纤相位延迟线，与所述第一光纤分束器连接，用于通过调整延迟量对所述第一光束进行相位调控，得到调控光；
[0018]光纤合束器，分别与所述光纤相位延迟线及所述第二光纤分束器连接，用于将所述调控光与所述待调控光束进行耦合，得到与所述第一干涉光束相互正交的第二干涉光束；
[0019]第二光电探测器，与所述光纤合束器连接，用于将所述第二干涉光束的光信号转换为电信号，作为第二干涉信号；
[0020]所述干涉信号调理模块，分别与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器连接，用于分别对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号进行调理，得到调理后的第一干涉信号和调理后的第二干涉信号；
[0021]所述信号解调模块，与所述干涉信号调理模块连接，用于对所述调理后的第一干涉信号和所述调理后的第二干涉信号进行解调，得到被测物的位移量。
[0022]可选地，所述干涉信号调理模块包括：
[0023]直流量消除子模块，分别与所述第一光电探测器及所述第二光电探测器连接，用于消除所述第一干涉信号和所述第二干涉信号中的直流量，得到消除直流量后的第一干涉信号和消除直流量后的第二干涉信号；
[0024]正交调节子模块，与所述直流量消除子模块连接，用于对所述消除直流量后的第一干涉信号和所述消除直流量后的第二干涉信号的非正交误差进行修正，得到相互正交的第一干涉信号和第二干涉信号；
[0025]幅度调节子模块，分别与所述正交调节子模块及所述信号解调模块连接，用于对所述相互正交的第一干涉信号和第二干涉信号的幅度进行调节，得到幅度相等的第一干涉信号和第二干涉信号，并将所述幅度相等的第一干涉信号和第二干涉信号分别作为调理后的第一干涉信号和调理后的第二干涉信号。
[0026]可选地，所述信号解调模块包括：
[0027]模数转换器，与所述干涉信号调理模块连接，用于将所述调理后的第一干涉信号和所述调理后的第二干涉信号转换为对应的数字量信号；
[0028]数字信号处理器，用于计算所述调理后的第二干涉信号与所述调理后的第一干涉信号对应的数字量信号的比值，得到所述光纤跳线的出射端面接收的所述测量光与所述参考光的相位差的正切值；
[0029]现场可编程门阵列，分别与所述模数转换器及所述数字信号处理器连接，用于对所述正切值进行反正切运算，得到所述相位差，并根据所述相位差的变化量与被测物位移量的关系计算得到被测物的位移量；所述现场可编程门阵列还用于接收所述数字量信号，并将所述数字量信号发送至所述数字信号处理器。
[0030]可选地，所述光纤激光器为窄线宽稳频光纤激光器；所述光纤环形器为三端口非互易性光纤环形器；所述第一光纤分束器及所述第二光纤分束器均为1X2光纤分束器；所述光纤合束器为2X1光纤合束器。
[0031]可选地，所述相位差的变化量与被测物位移量的关系为：
[0032][0033]其中，Δx为被测物的位移量，为所述相位差，为所述相位差的变化量，λ为激光的波长，n为测量环境的空气折射率。
[0034]可选地，所述信号解调模块还包括：
[0035]上位机，与所述现场可编程门阵列连接，用于对所述位移量进行实时显示与记录。
[0036]可选地，所述光纤激光器、所述第一光纤分束器、所述光纤环形器、所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光干涉位移测量系统，其特征在于，所述系统包括光纤激光干涉模块、干涉信号调理模块和信号解调模块；所述光纤激光干涉模块包括：光纤激光器，用于发射激光光束；第一光纤分束器，与所述光纤激光器连接，用于将所述激光光束分为第一光束和第二光束；光纤环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述第一光纤分束器连接；光纤跳线；所述光纤跳线的输入端与所述第二端口连接；所述光纤跳线的出射端面与被测物相对设置，以使所述光纤跳线的出射端面与被测物表面构成开放式法布里珀罗腔；所述第二光束依次通过所述第一端口及所述第二端口入射至所述光纤跳线，并在所述光纤跳线的出射端面发生菲涅尔反射和透射，产生反射光和出射光；将所述反射光和所述出射光分别作为参考光和测量光；光纤准直器，设置在所述光纤跳线和被测物之间，且与所述光纤跳线的输出端连接，用于对所述测量光进行准直，得到准直后的测量光；所述准直后的测量光在被测物表面发生反射后沿原路返回，经过所述光纤准直器，进入所述光纤跳线，与所述参考光发生干涉，产生干涉光；第二光纤分束器，与所述第三端口连接；所述干涉光依次经过所述第二端口和所述第三端口进入所述第二光纤分束器；所述第二光纤分束器用于将所述干涉光分为第一干涉光束和待调控光束；第一光电探测器，与所述第二光纤分束器连接，用于将所述第一干涉光束的光信号转换为电信号，作为第一干涉信号；光纤相位延迟线，与所述第一光纤分束器连接，用于通过调整延迟量对所述第一光束进行相位调控，得到调控光；光纤合束器，分别与所述光纤相位延迟线及所述第二光纤分束器连接，用于将所述调控光与所述待调控光束进行耦合，得到与所述第一干涉光束相互正交的第二干涉光束；第二光电探测器，与所述光纤合束器连接，用于将所述第二干涉光束的光信号转换为电信号，作为第二干涉信号；所述干涉信号调理模块，分别与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器连接，用于分别对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号进行调理，得到调理后的第一干涉信号和调理后的第二干涉信号；所述信号解调模块，与所述干涉信号调理模块连接，用于对所述调理后的第一干涉信号和所述调理后的第二干涉信号进行解调，得到被测物的位移量。2.根据权利要求1所述的激光干涉位移测量系统，其特征在于，所述干涉信号调理模块包括：直流量消除子模块，分别与所述第一光电探测器及所述第二光电探测器连接，用于消除所述第一干涉信号和所述第二干涉信号中的直流量，得到消除直流量后的第一干涉信号和消除直流量后的第二干涉信号；正交调节子模块，与所述直流量消除子模块连接，用于对所述消除直流量后的第一干
涉信号和所述消除直流量后的第二干涉信号的非正交误差进行修正，得到相互正交的第一干涉信号和第二干涉信号；幅度调节子模块，分别与所述正交调节子模块及所述信号解调模块连接，用于对所述相互正交的第一干涉信号和第二干涉信号的幅度进行调节，得到幅度相等的...

【专利技术属性】
技术研发人员：施玉书，张树，王芳，皮磊，马英瀚，史舟淼，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：