基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法与流程

本发明涉及绝对距离测量技术领域，特别是涉及一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法。

背景技术：

随着高端制造、航空航天制造、汽车制造及无人驾驶等领域的发展，距离测量是尤为重要的方面。目前采用的绝对距离动态测量系统和方法中，扫频干涉测量法具有测量范围大、测量精度高等优点。为提高扫频干涉测量法的测量精度，国内外很多高校及研究机构对该方法进行研究报道。中国专利公布号cn106226775a，申请公布日2016年12月14日，名称为“一种基于扫频干涉仪的绝对距离动态测量系统及其测量方法”，在系统中利用单频激光器加上声光调制器构成额外的一个外差干涉仪对目标的位移进行实时监测，消除测量光路变化引入的多普勒效应带来的影响。但该方法中，光电器件多、结构复杂、器件体积大、成本高，参考干涉仪易受外界环境影响，引入测量误差，并且系统对扫频光源的线性度有要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法，能够提高测量的准确性和可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，包括第一扫频光源和第二扫频光源，所述第一扫频光源发出的光进入第一光耦合器的第一输入端，所述第二扫频光源发出的光进入第二光耦合器的第一输入端，所述第二光耦合器的第一输出端与第一光耦合器的第二输入端相连，所述第一光耦合器的第一输出端与级联马赫曾德干涉仪的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪的输出端与平衡探测器的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪用于形成一路光谱信号，并提供光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号；所述第一光耦合器的第二输出端进入主干涉仪，所述主干涉仪的样品臂和参考臂共路，包括光纤环形器和准直器，所述光纤环形器的第一端与第一光耦合器的第二输出端相连，第二端的光经所述准直器，所述准直器内部的反射镜反射部分光回所述光纤环形器，所述准直器的透射光投射在被测样品上，准直器中的反射部分光和射到被测样品后的反射光汇合形成干涉，形成的干涉光经光纤环行器的第三端与进入第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的两个输出端与所述平衡探测器的两个输入端相连，所述平衡探测器探测的信号经数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理；所述第二光耦合器的第二输出端与基于pid算法的光源频率检测单元的输入端相连；所述光源频率检测单元用于对第二扫频光源的频率点进行鉴定，并将结果输出至数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。

所述级联马赫曾德干涉仪包括第一2×2宽带光纤耦合器、第二2×2宽带光纤耦合器、第三2×2宽带光纤耦合器和第四2×2宽带光纤耦合器，所述第一光耦合器的第一输出端输出的光经过所述第一2×2宽带光纤耦合器分光后，分别通过长度为l1和l2的光纤臂进入第二2×2宽带光纤耦合器的两个输入端，光经过第二2×2宽带光纤耦合器的第一输出端进入第三2×2宽带光纤耦合器的输入端，经过第二次分光后分别通过为l3和l4的光纤臂进入第四2×2宽带光纤耦合器的输入端，第四2×2宽带光纤耦合器的两路输出端分别与所述平衡探测器的输入端相连；所述第二2×2宽带光纤耦合器的第二输出端与光电探测器相连。

所述光源频率检测单元包括准直器、扩束镜、分光镜、第一探测器、f-p腔和第二探测器，所述第二光耦合器的第二输出端的光进入所述准直器，经准直后进入所述扩束镜进行扩束，扩束后的光一部分经所述分光镜反射后进入所述第一探测器，另一部分经所述分光镜的透射后进入f-p腔后再进入第二探测器；所述第一探测器和第二探测器的信号直接进入所述数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。

所述基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)利用平衡探测器将级联马赫曾德干涉仪的光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号进行分离；

(2)通过光源频率检测单元获得多个不同的频率点，通过拟合光程差最小的参考信号对应的干涉仪的相位与第二扫频光源的频率曲线来确定光程差最小的参考信号对应的干涉仪的整数倍相位和小数倍相位；

(3)使用第一扫频光源和第二扫频光源同时测量，基于光程差最小的参考信号对应的干涉仪的整数倍相位和小数倍相位通过迭代的方式获得获得所有干涉仪的整数倍相位和小数倍相位；

(4)在第ω次采样时根据计算动态绝对距离值，其中，vω为第ω次采样时第二扫频光源的频率，c为光速，为所有干涉仪的整数倍相位，为所有干涉仪的小数倍相位。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可对绝对距离进行动态测量，测距范围大，精度达到位移干涉测量的精度。本发明提供了整数倍相位及小数倍相位的迭代计算方法，使距离具有更高的准确性、可靠性。本发明提供了参考频率的测量方法，使距离具有更稳定的长度参考值，使距离具有更高的重复性、精确度。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2是本发明中级联马赫曾德干涉仪的结构方框图；

图3是本发明中光源频率检测单元的结构方框图；

图4是本发明中光源频率检测单元的f-p腔透射谱线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统，如图1所示，包括第一扫频光源1和第二扫频光源2，所述第一扫频光源1发出的光进入第一光耦合器4的第一输入端，所述第二扫频光源2发出的光进入第二光耦合器3的第一输入端，所述第二光耦合器3的第一输出端与第一光耦合器4的第二输入端相连，所述第一光耦合器4的第一输出端与级联马赫曾德干涉仪5的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪5的输出端与平衡探测器10的输入端相连，所述级联马赫曾德干涉仪5用于形成一路光谱信号，并提供光程差为d1的第一参考信号、光程差为d2的第二参考信号、光程差为d3的第三参考信号和光程差为d4的第四参考信号；所述第一光耦合器4的第二输出端进入主干涉仪，所述主干涉仪的样品臂和参考臂共路，包括光纤环形器6和准直器7，所述光纤环形器6的第一端与第一光耦合器4的第二输出端相连，第二端的光经所述准直器7，所述准直器7内部的反射镜反射部分光回光纤环形器6，所述准直器7的透射光投射在被测样品8上，准直器7中的反射部分光和射到被测样品8后的反射光汇合形成干涉，形成的干涉光经光纤环行器6的第三端与进入第三光纤耦合器9的输入端，第三光纤耦合器9的两个输出端与所述平衡探测器10的两个输入端相连，所述平衡探测器10探测的信号经数据采集卡11和计算机12进行数据采集和数据处理；所述第二光耦合器3的第二输出端与基于pid算法的光源频率检测单元13的输入端相连；所述光源频率检测单元13用于对第二扫频光源的频率点进行鉴定，并将结果输出至数据采集卡11和计算机12进行数据采集和数据处理。

该测距系统的第一扫频光源和第二扫频光源发出的相干光进入光纤耦合器，经分光后分别进入主干涉仪和级联马赫曾德干涉仪，进入主干涉仪部分的相干光先经过光纤耦合器分光，其中一部分再经过光纤环行器进入包含样品的共路干涉仪，返回的样品干涉光谱信号和光纤耦合器另一端输出一起进入干涉光谱信号的平衡探测装置，形成干涉光谱信号，与级联马赫曾德干涉仪中形成的参考干涉信号同步进行采集。第二扫频光源发出的光进入光纤耦合器，经分光后的另一部分光进入光源频率检测单元，波长信号进行同步采集。

如图2所示，所述级联马赫曾德干涉仪5包括第一2×2宽带光纤耦合器14、第二2×2宽带光纤耦合器15、第三2×2宽带光纤耦合器17和第四2×2宽带光纤耦合器18，所述第一光耦合器4的第一输出端输出的光经过所述第一2×2宽带光纤耦合器14分光后，分别通过长度为l1和l2的光纤臂进入第二2×2宽带光纤耦合器15的两个输入端，光经过第二2×2宽带光纤耦合器15的第一输出端进入第三2×2宽带光纤耦合器17的输入端，经过第二次分光后分别通过为l3和l4的光纤臂进入第四2×2宽带光纤耦合器18的输入端，第四2×2宽带光纤耦合器18的两路输出端分别与所述平衡探测器10的输入端相连；所述第二2×2宽带光纤耦合器15的第二输出端与光电探测器16相连。

如图3所示，所述光源频率检测单元13包括准直器19、扩束镜20、分光镜21、第一探测器22、f-p腔23和第二探测器24，所述第二光耦合器3的第二输出端的光进入所述准直器19，经准直后进入所述扩束镜20进行扩束，扩束后的光一部分经所述分光镜21反射后进入所述第一探测器22，另一部分经所述分光镜21的透射后进入f-p腔23后再进入第二探测器24；所述第一探测器22和第二探测器24的信号直接进入所述数据采集卡和计算机进行数据采集和数据处理。f-p腔透射谱线如图4所示。

采用该基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统进行测量时，第一扫频光源和第二扫频光源需要具备以下条件：第一扫频光源1与第二扫频光源2的扫频方向相反，例如第一扫频光源1的频率由小到大，则第二扫频光源2的频率由大到小。第一扫频光源1与第二扫频光源2在扫频时，有部分频率相等，即有相同的波长点。第一扫频光源1的扫频速度超过第二扫频光源2的扫频速度的2倍。第一扫频光源1和第二扫频光源2的扫频速度均超过100khz。第一扫频光源1和第二扫频光源2在真空中的相干距离大于1米。

整个系统由第二扫频光源2控制测量开始时间、扫描频率的起始时间，第二扫频光源2发出触发信号，第一扫频光源1和数据采集卡11接收触发信号后，分别开始扫描频率和采集信号。

鉴频器使用f-p腔作鉴频器。具体应用时，f-p腔放置于半导体控温模块上，控温系统采用比例积分微分算法控制电路；第一探测器22和第二探测器24用于消除光源调谐时功率波动带来的影响。

通过对级联马赫曾德干涉仪的光谱干涉条纹进行傅立叶变换和加窗滤波处理，得到光程差为d1、d2、d3和d4的干涉信号的空间谱，再经过逆傅立叶变换得到光程差为d1的参考干涉信号1、光程差为d2的参考干涉信号2、光程差为d3的参考干涉信号3、光程差为d4的参考干涉信号4。通过对级联马赫曾德干涉仪的光路进行分束，得到光程差d1的光谱干涉条纹，对其进行傅立叶变换和加窗滤波处理，得到光程差为d1的干涉信号的空间谱，再经过逆傅立叶变换得到光程差为d1的参考干涉信号1’，对比参考干涉信号1、2、3、4和干涉信号1’，可以对光程差为d1的干涉信号进行识别。具体过程如下：

考虑来自距离z处的反射率为r的干涉条纹，单侧轴向探测的干涉光谱信号的可表达式为：

其中，s(k)代表扫频光源的光谱密度函数，k(t)代表随时间变化的波数，一般情况下它并不是时间的线性函数。z代表样品深度坐标并且z＝0时对应参考臂样品臂的光程差为0。δz(t)代表深度z处的次分辨光程变化。

级联马赫曾德干涉仪干涉光谱信号的分析可基于单模光纤耦合器的散射矩阵，s2为级联马赫曾德干涉仪中2×2光纤耦合器的散射矩阵，若2×2宽带光纤耦合器的分光比为1：1，则s2可分别表示为：

对于一个简单的双延迟线系统，其传输矩阵可表示为(忽略了共同的相位因子exp(-ikl1))：

假设从光纤耦合器4进入到级联马赫曾德干涉仪的输入光场为该输入光场在干涉仪中经过两次干涉后由2×2光纤耦合器18输出的光用符号和表示，由s2和hdelay写出输出光场和的表达式为：

其中：

θ1＝k((l4-l3)-(l2-l1))

θ2＝k(l2-l1)

θ3＝k(l4-l3)

θ4＝k((l4-l3)+(l2-l1))

θ1、θ2、θ3和θ4代表马赫曾德干涉仪的传输相位差。公式(4)中忽略了共同项exp(-ikl1)、exp(-ikl2)、exp(-ikl3)和exp(-ikl4)。

耦合器15第二输出端输出光场为则探测器16探测到的光强信号可表示为：

平衡探测器10探测的光强信号可表示为：

又因为(l2-l1)-(l4-l3)＝d1，l2-l1＝d2，l4-l3＝d3，(l2-l1)+(l4-l3)＝d4，则

p16∝(coskd2)s(k)(6)

p10∝(coskd2+coskd3+coskd4-coskd1)s(k)(7)

从公式(7)可以看出光谱相位校准干涉仪探测的干涉光谱信号包括光程差分别为d1,d2,d3,d4互相关项，选择合适的l1、l2、l3和l4，使得光程差d2≈d3，d1＜d2，则d1≈0；可知，平衡探测器10中干涉信号1、4与2及3可以通过设置合理的滤波器进行分离，但是2、3之间由于光程差接近，滤波器无法对其分离；在级联干涉仪光路中加入探测器16对光程差d2的信号进行鉴别，区分出干涉信号2和干涉信号3。本实施方式中按光程差由小到大的干涉仪分别为光程差d1、光程差d2、光程差d3、光程差d4，光程差d5的主干涉仪，计算光程差d5是最终目的。

获得距离d5的相位信息具体步骤如下：

光源2经过光程差为d，其相位变化：

δφ＝2πdν/c(8)

式中，ν为光频率，c为真空中光速。

同时：

δφ＝2π(n+μ)(9)

式中，n代表整数，μ代表小数。

可知：

n+μ＝dν/c(10)

利用光程差最小的干涉仪和第h次采样时的激光器频率信息，这里是光程差为d1的干涉仪，确定其整数倍相位：

式中：中的1表示干涉仪1，h表示采样次数。

第二扫频光源2在扫频过程中，光源频率检测单元13获得2个或者2个以上不同频率点，标记m1、m2、...mn，对应的频率分别为νm1、νm2、...νmn；通过拟合光程差d1干涉仪相位与光源2频率的曲线来确定光程差d1干涉仪的整数倍相位：

定义：pmn＝2n(νmn)νmn/c，则(12)式改成：

使用最小二乘法拟合出和pmn曲线，确定l¹和

对取整：

由此可知，光程差d1越小，整数倍相位越准确。

使用第一扫频光源1与第二扫频光源2同时测量时，定义第一扫频光源1在光程差d1的干涉仪中的整数倍相位为上的横线代表第一扫频光源1。

定义参数sⁱ和δⁱ：

δ¹值和δ²值可以使用激光拍频的方法获得，具体步骤如下：第一扫频光源1和第二扫频光源2经光纤耦合器4进入干涉仪，使用光电探测器16接收光纤耦合器15的第二输出端光谱干涉信号，当第一扫频光源1和第二扫频光源2的频率相等时，带入公式(10)：有：

δⁱ的真实值为整数。对δⁱ取整：

获得和后，可以确定

第一扫频光源1、第二扫频光源2分别对光程差d1和d2的干涉仪使用式(10)：

由(21)可以推导出：

将s¹、s²、δ¹和δ²带入式(22)：

将(23)写成矩阵形式

式(24)中，k表示总采样次数；利用最小二乘法求解方程(24)，获得p级干涉仪的整数倍相位s^p和δ^p。

将p次的估计值s^p和δ^p舍入到最接近的整数，以计算带有离散误差的估计数：

然后使用估计值和作为下一次迭代的整数相位，上述计算过程过程，直到获得所有干涉仪的整数倍相位及小数倍相位

确定整数倍相位及小数倍相位后，在第ω次采样情况下，激光器频率为vω，距离值为：

不难发现，本发明可对绝对距离进行动态测量，测距范围大，精度达到位移干涉测量的精度。本发明提供了整数倍相位及小数倍相位的迭代计算方法，使距离具有更高的准确性、可靠性。本发明提供了参考频率的测量方法，使距离具有更稳定的长度参考值，使距离具有更高的重复性、精确度。