激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及采用光学测量方法与装置，尤其是涉及一种激光干涉波长杠杆式绝对 距离测量方法与装置。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，大长度、高精度的绝对距离的精确测量在高端装备制造、空间工 程和计量技术等方面的应用越来越广泛。如重型机器机架的测量、大型精密机床床身的测 量、汽轮机和水轮机主轴长度的测量、水电站水轮发电机组定子和转子直径的测量、航空航 天工业中飞机型架安装位置的测量、卫星编队飞行中对卫星的位置和姿态进行监测和高分 辨率测距等，不仅要求在几十米甚至上百米的范围内距离测量精度能够达到微米量级甚至 更低，同时还需要测量仪器装置的效率高，灵活性好，能适应无导轨测量条件。
[0003] 绝对距离测量的方法主要分为两大类：飞行时间测量法和干涉测量法。在飞行时 间测量法中，激光脉冲测距受限于皮秒级的时间测量精度，距离测量精度在毫米级；基于 飞秒脉冲重合的光学平衡互相关法测量精度虽然可以达到亚微米级，但是测量距离必须是 飞秒脉冲间隔距离的整数倍，不能实现任意绝对距离的测量；相移法通过测量调制的光波 往返被测距离产生的相位延迟来测得飞行时间，该方法测量分辨率取决于最高调制频率对 应的相位分辨率，而测量距离受限于最低调制频率对应的非模糊距离。激光干涉绝对距离 测量方法主要包括频率扫描干涉法、飞秒脉冲色散干涉法和多波长干涉法。对于频率扫描 法，频率扫描过程中被测距离的变化或波动会引入较大的误差，距离测量精度为KT6;飞秒 脉冲色散干涉法受限于频谱仪的分辨率，距离测量精度为1〇_ 5;多波长干涉利用若干波长 构成长度逐级增加的合成波长链，根据被测距离初测值和各级合成波长对应的小数干涉级 次，从最高级合成波长开始逐级求解被测距离。采用多波长干涉法时，小数干涉级次的测量 通常是采用拍波法、外差法和超外差法等测得，其中拍波法受光强直流漂移影响，距离测量 精度小于1〇_ 6,外差法和超外差法的光路结构中，外差光源受频率调制器件影响，合成波长 稳定性较差，距离测量精度难以提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置，利用 两单波长形成的合成波长与单波长之间的-对应关系，将被测绝对距离与参考臂中角锥 棱镜的运动位移形成杠杆式关系，通过检测参考臂中角锥棱镜的运动位移来获得被测大长 度的绝对距离，本发明的测量范围大、测量精度高、且可溯源到米定义。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一、一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法，该方法的步骤如下：
[0007] 1)第一激光器输出固定的波长X1，控制第二激光器输出可变的波长X2，使得波 长A1和波长X2形成的首级合成波长XS1的一半大于被测绝对距离L，L为第二角锥棱镜 和第三角锥棱镜之间的距离；
[0008] 2)第一快门打开、第二快门关闭，此时从第二角锥棱镜返回的近端测量光束与参 考光束形成干涉信号，移动第一角锥棱镜，使得第一光电探测器和第二探测器检测到的波 长A2和波长A:的干涉信号相位差为Ap=O;
[0009] 3)第一快门关闭、第二快门打开，此时从第三角锥棱镜返回的远端测量光束与参 考光束形成干涉信号，第一光电探测器和第二探测器接收到的两路干涉信号相位差A炉发 生变化，再次移动第一角锥棱镜使得两路干涉信号的相位差等于〇,记录第一角锥棱镜 的运动位移为A1 ;
[0010] 4)首级合成波长Asi、波长A1、被测绝对距离L和第一角锥棱镜的运动位移Al 存在如下波长杠杆关系：
【主权项】
1. 一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法，其特征在于，该方法的步骤如下： 1) 第一激光器（10)输出固定的波长A1，控制第二激光器（Ii)输出可变的波长λ2， 使得波长A1和波长λ 2形成的首级合成波长λ S1的一半大于被测绝对距离L，L为第二角 锥棱镜（29)和第三角锥棱镜（210)之间的距离； 2) 第一快门（24)打开、第二快门（25)关闭，此时从第二角锥棱镜（29)返回的近端测 量光束与参考光束形成干涉信号，移动第一角锥棱镜（22)，使得第一光电探测器（31)和第 二探测器（32)检测到的波长λ 2和波长λ i的干涉信号相位差为Δρ=0; 3) 第一快门（24)关闭、第二快门（25)打开，此时从第三角锥棱镜（210)返回的远端测 量光束与参考光束形成干涉信号，第一光电探测器（31)和第二探测器（32)接收到的两路 干涉信号相位差Δ0,发生变化，再次移动第一角锥棱镜（22)使得两路干涉信号的相位差 Δ?ΖΤ等于0,记录第一角锥棱镜（22)的运动位移为Λ1 ; 4) 首级合成波长Xsi、波长X1、被测绝对距离L和第一角锥棱镜（22)的运动位移Λ 1 存在如下波长杠杆关系：
其中Asi= λ iAyl A1-A2I为波长A1和波长λ 2形成的首级合成波长，λ JP λ 2为 空气中的激光波长，根据上述波长杠杆关系，由计算机（34)算出被测绝对距离的首次粗测 值：
5) 计算机（34)通过控制器（35)改变第二激光器（11)输出的波长λ2，使波长 波长X2形成一系列合成波长λ S2> λ S3>~> λ Sn，且每级合成波长ASi> 4u(L' η)，i =2,3, "·，η，其中u(L' η)为当合成波长为时被测距离的估计值L' 的测量不 确定度，当i = 2时L' H= L1，重复步骤2)、步骤3)，记录每次改变第二激光器（11)波长 入2时第一角锥棱镜（22)的运动位移为Al i，根据步骤4)中波长杠杆关系，由计算机（34) 算出对应合成波长Asi小数部分的被测绝对距离的粗测值：
计算机（34)根据下式算出被测绝对距离L中包含的合成波长λ Si的小数干涉级次值：
计算机（34)根据下式算出被测绝对距离L中包含的合成波长λ Si的整数干涉级次值：
其中int□表示