双路调频激光绝对距离测量系统的设计

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1、双路调频激光绝对距离测量系统的设计孙栋王逸平林洪沂厦门理工学院光电与通信工程学院福建省光电技术与器件重点实验室结合双路调频干涉的高精度优点，以四波混频技术取代其屮一路调频激光器，设计了双路调频激光绝对距离测量系统。Matlab数值模拟结果显示:在不考虑四波混频等非线性效应影响的情况下，双路调频激光绝对距离测量系统的测量精度较单路调频测距系统提高了近1个数量级，可以显著降低单路调频测距系统因待测物体振动、气流扰动等因素对测距精度的影响，所设计的系统是合理奋效的，并具有简便性和经济实用性的特点。关键词：距离测量系统;系统设计;干涉;调频;四波混频;尤其是激光绝对距离测量技术，由于

2、具有测量范围大、响应速度快、不依赖于导轨、精度高等优点，长期以来一直是该领域的研究热点。依据测量原理不同，激光绝对距离测量技术主要有飞行法、相位法和干涉法3种。飞行法又称为脉冲法，是最早发展的激光测距方法，测量范围较大但分辨率相对较低，主要应用于工程测绘领域。近几年来，结合飞秒激光技术，测量精度有所提升。相位法测量精度较高，但由于存在位移测量的周期性模糊度问题m，精度和应用范围受到一定的限制。干涉法是利用激光在空间屮干涉所形成的拍频开发的测量技术，测距精度最高，是高精度测距主耍的技术发展方向。早期的干涉法测距主要是采用多波长干涉法。赵洋等m开展的基于多频干涉法绝对测距研宄，在

3、25m测量范围内，其误差低于140pm。但由于多频干涉的系统结构比较复杂，操作难度较高，限制了其进一步应用。近年来，随着半导体激光器调频技术的发展m，干涉系统的集成度提高，系统的复杂程度降低，调频干涉法有了很大发展。Satyan等［4］率先获得了1.5mm的测距分辨率，iiyama等进一步将精度提高到250Pm。结合光纤自混频技术，Roos等M获得了31ym的分辨率。Baumann等HI利用光学频率梳对激光器的光频进行校正，将测距分辨率的重复精度提升到了纳米级。欧洲航天局的Cabral等M利用F_P标准具辅助系统，获得丫小于10um的误差。时光等m，Wu等［10］利用辅助光路

4、光梳间隔取样，也获得了10Pm的精度。利用飞秒激光光梳技术，还有研究获得了微米级的测距精度［11-12］。这些调频测距分辨率主要是在1m左右的测量距离内实现，对于更大尺、？的高精度测距，精度还较低。Yang等1^1将调频频率扫描激光干涉测法和双频率干涉测法相结合的绝对测距干涉仪，测量范围可达20m,测量误差小于12um，但是测量系统过于复杂，实用性不佳。相比1m范围内的距离测量，大尺寸距离测量，待测量工件自身的振动、气流扰动等，己经成为影响精度测量的一个主要因素。为了克服振动造成的误差，进一步提高调频激光器测距的精度，木文设计了一套四波混频技术辅助的双光路调频测距系统，并通过

5、理论分析和数值模拟，验证了其合理性。1理论模型调频激光干涉测距系统的基木结构类似于迈克逊干涉仪。激光光束通过分光镜被分成两支，其中一束经由参考镜反射，另一束经待测物体反射，重冋到分光镜发生干涉并被信号采集卡记录。与经典的迈克尔逊干涉系统不同，调频干涉测距系统中所有的元器件位置，以及待测物体都是固定的，在整个测量过程中没有任何的和对位移，唯一的变量是调频连续波激光器的工作频率。两支反射光束在分光镜上，将形成图1所示的拍频信号。图1调频激光干涉原理图Fig.1Principleoffrequencymodulatedlaserinterferometry图1中实线是参考镜的反射光

6、朿，虚线是待测物体的反射光朿。若调频激光器的工作周期为T，调频带宽为w，待测物体与参考镜的距离差为z，则计算可得两束光所形成的拍频干涉信号频率其中:n为光路的折射率，c为真空中的光速，P是调频激光器的调频速度。相应的待测距离为严格来说，调频激光器的变频是非线性过程，但是在较小的范围内，非线性效应不是非常明显。为了使计算简化，按照线性调频来进行分析。线性调频下，P是常数，则距离测量的误差即绝对距离的测量精度，由拍频信号f的测量精度和调频速度共同决定。在相同的频率釆样精度下，调频激光器的调频速度越快，测量误差越低，相应的调频激光器的参数要求也越高。受连续波激光器的调频机制限制，在

7、可保证的稳定调频范围激光器的输出功率较小。在实验室环境下，测量距离相对较小，待测物体的反射信号比较强，可以不借助合作目标的辅助。对于较大的距离测量，需耍增加掺铒光纤放大器(EDFA)对调频光信号放大，或者使用合作目标增强待测物体的信号反馈。2实验设计与分析分光镜所获得的拍频信号将由数据采集卡收集并经快速傅里叶变换来获得相应的距离信息。由于调频速度PU)不是恒定的常数，采集的干涉信号频率精度较低，达不到需要的距离测量精度。一种可行的方案是使用辅助回路增加信号的频率间隔取样数，降低调频非线性对频率精度的干扰