基于振动抑制高精度宽带激光扫频干涉测量方法

本文研究了基于振动抑制的高精度宽带激光扫频干涉测量方法.在激光扫频干涉测量中振动引起目标位移,导致在测量信号拍频中叠加了多普勒频移,该频移量通常远大于目标实际位移产生的频率变化,直接计算目标距离将造成测距精度下降.为解决该问题,本文首先建立了振动对宽带激光扫频干涉测距系统的影响模型,分析了振动对测距的影响机理,通过对测量系统的色散失配效应进行补偿降低了色散影响,然后对测量信号进行交叠分时Chirp Z变换计算不同时刻目标距离,进一步结合卡尔曼滤波方法对目标距离信息进行状态估计,使测量的标准差由185.4μm降低到9.0μm,有效降低了环境振动对测量结果的影响,提高了测量精度.该方法在不需要改变激光扫频干涉绝对距离测量装置的条件下,为进一步提高振动环境中的测距精度提供了解决方法,降低了装置复杂度和成本.     

一种光学频率梳绝对测距的新方法

采用光学频率梳的高精度绝对距离测量技术在航空航天、科学研究和工业生产等领域都发挥着重要作用.提出一种利用光学频率梳技术,通过检测光强实现绝对距离测量的新方法,研究了光学频率梳发出脉冲的时间相干性,分析了光强与被测距离之间的关系、干涉条纹峰值点位置与被测距离之间的关系.建立了基于Michelson干涉原理的测距系统,通过测量光强信息得到被测距离.以高精度纳米位移平台的位移量作为长度基准进行了绝对测距实验,在每个被测距离点都重复进行了10次实验,将10次实验测得的光强值取平均后用于距离的计算.实验结果表明,该方法可以实现绝对距离测量,在10μm测量范围内,最大误差为47 nm.因此,该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量.     

光频扫描干涉绝对测距漂移误差与补偿方法研究

光频扫描干涉(OFSI)技术是一种具有广阔发展前景的高精度绝对测距技术。在实际应用中,该技术对光程差漂移非常敏感,测量过程中光程差的微小漂移通过放大因子的放大,引入显著的测量误差。详细分析了由于测量臂光程漂移引入的多普勒效应对测量结果的影响,并根据频移误差放大项的符号与光频扫描方向相一致的特点,使用光频三角波扫描方法对漂移误差进行补偿。实验结果显示,对距离为3.6m的目标进行10次重复测量的标准差从21.51μm减小到2.85μm。另外,与干涉仪的对比实验结果显示,本方法所得残余误差的标准差由补偿前的18.6μm减小到5.6μm,提高了测量精度。     

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.     

具有位移和绝对距离测量能力的回馈干涉系统

提出一种基于半导体激光器泵浦Nd∶YAG微片激光器的回馈干涉系统，适合于非配合目标的位移和绝对距离测量。该测量系统包括移频回馈干涉光学系统，基于泵浦调制的微片激光器调频系统和相敏检波信号处理系统3部分。介绍了移频回馈干涉的原理，给出了位移测量和绝对距离测量应用的原理和测量方法，分析了测量的分辨率。实际测量了发黑工件表面的位移和绝对距离。实验结果表明，该回馈干涉系统灵敏度高，对被测表面反射率的要求很低，兼有对非配合目标的高分辨率位移测量和绝对距离测量的能力。     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距新方法的理论分析

本文提出了一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距的新方法, 结合基于双光梳互相关的多外差距离测量和基于重复频率的梳间拍频距离测量, 在不需要依靠脉冲飞行时间先验判断以及扫描重复频率或扫描参考光路的前提下实现km量程高精度绝对测距. 文章在光梳基本原理和测距方案的基础上, 建立了基于双光梳的大尺寸距离测量链理论模型, 讨论了多外差最低谱线和光梳重复频率稳定度对测量结果的影响, 并进行了大量仿真计算; 仿真结果表明, 在理想相位解调精度的前提下, 该方法的测距误差优于± 50 pm, 且多外差最低谱线的频率偏差对测距造成的影响远低于多外差测量的测距分辨力, 验证了该方法能够用于开展大尺寸高精度绝对测距研究. 关键词： 激光测距 飞秒光梳 重复频率 多外差干涉     

基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪中准直误差的分析

通过对基于多级微反射镜的空间调制傅里叶变换红外光谱仪准直误差的分析,模拟了准直误差的存在而导致的干涉图大光程差处对比度反转和光谱图边频噪声的产生。讨论了在不同的误差系数下复原光谱图的信噪比和分辨率,并且分析了干涉图大光程差处对比反转以及光谱图边频分量的产生原因。仿真结果表明,在误差系数α=0.15°.mm-1时,光谱的信噪比会下降到6 dB,同时光谱分辨率会退化到13.4cm-1。本文的结论将应用于微型光谱仪系统的光学设计与装调。     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

调频连续波分布式光纤布拉格光栅复用系统

研究了利用调频连续波(FMCW)技术对分布式光纤布拉格光栅(FBG)复用系统进行寻址的基本原理;仿真分析了FBG传感器复用距离是系统最小分辨距离的整数倍或非整数倍时,对频谱信号的影响;搭建了基于FMCW的FBG复用系统实验平台,当传感距离1000m时,分别验证了不同扫描周期与复用系统差频信号的线性关系,及不同扫频范围与系统差频信号的线性关系。实验结果表明:FBG复用距离是系统最小分辨距离整数倍时,在测量距离1100 m范围内,系统测量最大误差为243 Hz,最大相对误差小于5%,可以实现FBG传感器的地址查询功能。     

双光反馈半导体激光测距传感器模型

利用线性调频半导体激光器的光反馈效应，可实现绝对距离的测量，但由于半导体激光器光频受环境温度影响较大，限制了该方法的测量精度和稳定性，为解决这一问题，本文提出了一种基于双光反馈的绝对测距方法，并给出了理论模型；理论分析表明，通过联合运用傅立叶变换技术和参考技术，可以降低由温度变化形成的误差，提高系统的测距精度及稳定性。     

HL-2Aװ��ECE����ϵͳ�궨�о�

在HL-2A装置的电子回旋辐射(ECE)外差测量中,为实现电子温度剖面分布的绝对测量,采用双温度法和磁场扫描法分别对扫频和多道ECE测量系统进行了标定,获得了各道间的相对标定系数,并利用等离子体中心道Thomson散射测量的电子温度对ECE测量系统进行了绝对标定。结果表明,这两种方法都能实现可靠的标定,并对两者的优劣进行了比较和讨论。     

Frequency scanning interferometry immune to length drift using a pair of vertical-cavity surface-emitting laser diodes

In laser frequency scanning interferometry for measurements of absolute lengths, a small drift in the measured length during the frequency scan yields an enlarged offset error in the measured result. Although such an error is unavoidable for an on-site interferometric system, methods for solving this problem have not been developed. We propose a frequency scanning interferometric system immune to the dynamic length change employing a pair of vertical-cavity surface-emitting laser diodes whose frequencies are equally scanned in opposite directions. The offset error is canceled by averaging the two phase shifts of the interferograms obtained from the light sources.     

Subpicometer length measurement using semiconductor laser tracking frequency gauge

We have demonstrated heretofore unattained distance precision of 0.14 pm (2 pm) incremental and 14 nm (2.9 μm) absolute in a resonant (nonresonant) interferometer at an averaging time of 1 s, using inexpensive telecommunications diode lasers. We have controlled the main source of error, that due to spurious reflection and the resulting amplitude modulation. In the resonant interferometer, absolute distance precision is well under λ/6. Therefore, after an interruption, an absolute distance measurement can be used to return to the same interferometer order.     

傅里叶望远镜重构图像虚像分析

研究了采用T型激光发射阵列情况下傅里叶望远镜重构图像的虚像问题, 基于系统成像基本原理, 明确了虚像的来源. 分析认为, 发射光束在x和y轴扫描时, 在俯仰角误差的作用下, 抽取目标的空间频率和设定值之间存在一定的偏差; 当进行轴向和象限相位闭合、计算目标的单一傅里叶分量时, 该偏差会对频谱的频移造成随机的相位影响, 反映在空域上使得重构图像存在虚影现象. 在不同扫描方式情况下, 采用下一步外场实验参数, 通过计算机模拟证实了上述分析的正确性.     

Passive ranging and three-dimensional imaging through chiral phase coding

We present a method for single-image passive ranging and three-dimensional (3D) imaging in incoherent light based on chiral phase coding. A chiral linear phase variation across the aperture of an optical system results in a frequency response with a characteristic pattern of fringes such that the spatial period and inclination of the pattern depend on the focusing error. From this dependency, the absolute focusing error and, hence, the distance to the object can be found. In the experiments a resolution of ~1.4 μm is achieved with a 20 mm aperture lens in a 4 mm interval at a distance of 140 mm from the lens. A resolution of ~0.7 mm is obtained at a distance of ~11 m with the range finder employing two 25.4 mm spherical mirrors spaced apart by ~140 mm. We also demonstrate 3D imaging of weakly textured objects.     

基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析

飞秒光梳被广泛用于时间频率技术和精密光谱测量,由其时频特性所衍生的绝对测距技术以可溯源、大尺寸、高精度等优点有望成为未来长度计量的最重要手段.本文提出了一种基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距方法,使多个连续波激光器通过光学锁相环技术同步锁定到飞秒光梳梳模上,通过多路同步相位测量和小数重合算法最终实现绝对距离测量.所提测量方法不仅能保留传统激光干涉测距的高分辨力和精度,而且可溯源至时间频率基准,对高精度长度测量、尤其是对物理复现“米”的定义具有重要计量意义.测距实验证明,四波长干涉测距的非模糊度量程达到44.6 mm,折射率波动导致非模糊度量程变化为纳米量级;多波长干涉测距的非模糊度量程也受制于空气折射率的测量误差,多波长干涉绝对测距的非模糊度量程在实验室环境下可达数米、甚至几十米,并通过2米线性位移实验证明了多波长绝对测距的大量程和线性测量性能.     

基于飞秒激光模间拍频法的大尺寸测距方法

本文基于飞秒激光模间拍频法实现多波长相位式绝对距离测量, 通过改变光频梳重复频率合成波长扩大测距量程, 并采用监测臂和双快门切换系统补偿和消除由电路产生的相位差单向漂移和大幅抖动. 实验中以20倍重复频率的拍频进行测量, 在30 min内相位测量的标准偏差为0.022°; 与双频激光干涉仪比对1125 mm行程内位移测量结果, 测距精度优于50 μm; 实验验证了合成波长方法扩大量程方案的可行性, 获得的测距重复性优于3 μm, 该系统理论上可扩展量程至7.5 km.     

Research on Theoretical Model of Linear Frequency Modulation Interferometry

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｌｉｎｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ(ＬＦＭ)ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙｂａｓｅｄｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｕｎｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ,ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇａｂｓｏｌｕｔｅｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅ[1].ＡＬＤｐｕｍｐｅｄｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓｏｌｉｄｌａｓｅｒｄｅｖｅｌｏｐｅｄ…