专利名称：高精度多频同步相位激光测距装置与方法
技术领域：
本发明属于激光测量技术领域，主要涉及一种相位激光测距技术。
背景技术：
大尺寸测量在发展大型精密机械制造、重大科技工程、航空航天工业、船舶工业和微电子装备业等大型光机电一体化装备加工制造中备受关注，其中几米至几百米范围的大尺寸测量是航空航天器和巨型船舶中及大型零部件加工和整体装配的重要基础，其测量方法与设备性能的优越直接影响工件质量及装配精度，进而影响整套装备的运行质量、性能及寿命。多测尺相位测距方法利用一组从大到小的测尺波长对被测距离进行逐级精化测量，解决了测量范围和测量精度之间的相互矛盾，能在数百米超长作用距离内达到毫米至亚毫米级的静态测量精度。多频相位测距技术多运用在大尺寸绝对距离测量中，文献[Ke-Nimg Huang, Yu-PeiHuang. Multiple-frequency ultrasonic distance measurementusing direct digital frequency synthesizers. Sensors and Actuators A:Physical. 2009,149 42-50]描述了一种多频相位微波测距技术，尽管多测尺逐级测量的方式兼顾了测量范围与测量精度的需求，但由于粗测尺与精测尺不能够同时产生并进行相位测量，造成了测量时间过长，测量结果实时性差的问题，另一方面由于多测尺相位测距技术中以测尺波长大小为基准进行测量，测尺波长的稳定性直接影响测距的精度，而微波技术测尺波长稳定度低， 且由于微波的无方向性，需建立接收口径较大的天线，增加了设备的体积及体重。因此如何获得高稳定性的粗测尺与精测尺波长，并且使之同时参与测量是目前提高多测尺相位测距精度与实时性的主要问题。激光光源以其方向性强、波束角小、能量集中、单色性好等优点较之微波光源具有明显的优势，相位激光测距技术已广泛应用于精密测量场合。该技术中测尺的稳定性与同步产生技术与光源技术有关，通过对相位测距法光源技术的分析可知，目前国内外相位激光测量方法对激光源的调制手段有电流直接调制、光调制和模间拍频调制等。直接电流调制法利用半导体激光器，光强随电流变化的特点，来对半导体激光器的输出光强进行调制，具有简单易调制等优点。文献[Siyuan Liu, Jiubin Tan and Binke Hou. Multicycle Synchronous Digital Phase Measurement Used to Further Improve Phase-Shift Laser Range Finding. Meas. Sci. Technol. 2007,18 :1756-1762]与专利[多频同步调制的大量程高精度快速激光测距装置与方法，公开号CN1825138]都阐述了一种基于半导体激光器的电流调制方法，其采用多频同步合成的复合信号对激光输出功率进行同步调制，实现了在同一时刻得到多频调制测距中各测尺频率针对被测距离的测量结果， 但是为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流使其输出信号不失真，直流偏置的引入加大了功耗，在长时间工作时温度升高，会影响输出光功率的稳定性，导致调制波形变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，导致调制波形变形，不能进行高频调制，限制了精测尺波长的大小及稳定度；另一方面在大尺寸测量实际应用过程中激光在长距离传输过程中容易造成激光功率的损失，造成对调制波波形的影响，进而影响测尺的准确度及稳定度，其测尺的频率稳定度一般小于10_7。利用光调制方法主要为声光调制法，其调制带宽受到激光光束直径、布拉格衍射角和衍射效率的影响，也会带来波形变形，特别是在高频(千兆赫兹)时就更为严重，目前成品声光调制器的带宽在20-200MHZ左右，因此它所形成大的测尺，测量精度由于受到最大测尺频率200MHz的限制难以提高。利用激光器不同模式输出所形成的拍频信号作为测尺，称为模间调制。此方法的调制带宽与激光器的腔长相关，He-Ne激光器稳频技术成熟，它的频率稳定度高，优点是测尺的稳定度高，文献[周秀云.0_6328_mHe_Ne激光器小数重合法大尺寸绝对距离测量方法的研究.中国测试技术.2003,6:15-17]，与文献[周肇飞，吴斌，张涛.双纵模激光作无导轨大尺寸精密测量.光电工程.1996，23 (4) :50-55]都利用He-Ne激光器搭建了测距装置。 但由于激光模式间的频差量级在数百MHz，它最大的测尺不超过: 进行测量，适于短距离内的高精度相位测距。另外其模间间隔固定，不能进行调节形成多测尺，如果用在大尺寸的测量，需另外加入粗测手段，增加了测量时间及难度。综合上述，目前相位激光测距技术中缺少一种能兼顾多测尺的同步性与稳定性的装置与方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有相位激光测距技术中缺少一种能兼顾多测尺的同步性与稳定性的装置与方法的问题，提供一种高精度多频同步相位激光测距装置与方法。高精度多频同步相位激光测距装置，它由双纵模稳频He-Ne激光器、多测尺发生单元、扩束准直镜组、测量光路及电路单元和控制箱单元组成，双纵模稳频He-Ne激光器发出的激光输出到多测尺发生单元的输入端，多测尺发生单元输出的激光通过扩束准直镜组到测量光路及电路单元的输入端，测量光路及电路单元的相位信息输出端连接在控制箱单元的相位信息输入端，控制箱单元的一个控制输出端连接在多测尺发生单元的控制输入端，控制箱单元的另一个控制输出端连接在测量光路及电路单元的控制输入端；多测尺发生单元由偏振分光镜、一号分光镜、直角反射镜、偏振旋转器、一号声光移频器、二号声光移频器、三号声光移频器、一号双路分路光纤和二号双路分路光纤组成， 双纵模稳频He-Ne激光器发射的激光束到达偏振分光镜的输入端，偏振分光镜的一个输出端连接在一号声光移频器的一个输入端，偏振分光镜的另一个输出端连接在一号分光镜的输入端，一号分光镜的一个输出端通过偏振旋转器连接在二号声光移频器的输入端，一号分光镜的另一个输出端连接在直角反射镜的输入端，直角反射镜的输出端连接在三号声光移频器的一个输入端，一号声光移频器的输出端连接在一号双路分路光纤的一个输入端， 二号声光移频器的输出端连接在一号双路分路光纤的另一个输入端，一号双路分路光纤的输出端连接在二号双路分路光纤的一个输入端，三号声光移频器的输出端连接在二号双路分路光纤的另一个输入端，二号双路分路光纤的输出端连接在扩束准直镜组的输入端；测量光路及电路单元由二号分光镜、三号分光镜、一号起偏器、一号光电接收器、 二号起偏器、二号光电接收器、四号分光镜、三号起偏器、三号光电接收器、四号起偏器、四号光电接收器、二号低通滤波器、四号低通滤波器、二号混频器、四号混频器、一号鉴相器、 一号混频器、三号混频器、一号低通滤波器、三号低通滤波器、二号鉴相器和测量角椎棱镜组成，扩束准直镜组的输出端连接在二号分光镜的输入端，二号分光镜的一个输出端连接在三号分光镜的输入端，三号分光镜的一个输出端通过一号起偏器与一号光电接收器的输入端连通，三号分光镜的另一个输出端通过二号起偏器与二号光电接收器的输入端连通， 一号光电接收器的输出端连接在一号混频器的一个输入端，一号混频器的输出端连接在一号低通滤波器的输入端，一号低通滤波器的输出端连接在二号鉴相器的一个输入端，二号光电接收器的输出端连接在二号低通滤波器的输入端，二号低通滤波器的输出端连接在二号混频器的一个输入端，二号混频器的输出端连接在一号鉴相器的一个输入端，二号分光镜的另一个输出端连接在测量角椎棱镜的输入端，测量角椎棱镜的输出端连接在四号分光镜的输入端，四号分光镜的一个输出端通过三号起偏器与三号光电接收器的输入端连通， 三号光电接收器的输出端连接在三号混频器的一个输入端，三号混频器的输出端连接在三号低通滤波器的输入端，三号低通滤波器的输出端连接在二号鉴相器的另一个输入端，四号分光镜的另一个输出端通过四号起偏器与四号光电接收器的输入端连通，四号光电接收器的输出端连接在四号低通滤波器的输入端，四号低通滤波器的输出端连接在四号混频器的一个输入端，四号混频器的输出端连接在一号鉴相器的另一个输入端；控制箱单元由温控箱、晶振、直接数字频率合成器、数据合成单元、一号驱动器、二号驱动器和三号驱动器组成，晶振和直接数字频率合成器置于温控箱内，晶振的输出端连接在直接数字频率合成器的输入端，直接数字频率合成器的第一输出端连接在三号驱动器的输入端，直接数字频率合成器的第二输出端连接在二号驱动器的输入端，直接数字频率合成器的第三输出端连接在一号驱动器的输入端，三号驱动器的输出端连接在二号声光移频器的另一个输入端，二号驱动器的输出端连接在三号声光移频器的另一个输入端，一号驱动器的输出端连接在一号声光移频器的另一个输入端，直接数字频率合成器的第四输出端分别连接在二号混频器的另一个输入端和四号混频器的另一个输入端，直接数字频率合成器的第五输出端分别连接在一号混频器的另一个输入端和三号混频器的另一个输入端， 一号鉴相器的输出端连接在数据合成单元的一个输入端，二号鉴相器的输出端连接在数据合成单元的另一个输入端。基于上述高精度多频同步相位激光测距装置的高精度多频同步相位激光测距方法，它的具体步骤如下步骤一、开启双纵模稳频He-Ne激光器，在经过预热和稳频过程后，双纵模稳频激光器输出频率分别为f与f'的双频激光，此双频激光经过偏振分光镜分为偏振态互相垂直的两束激光，其中频率为f的激光束经分光棱镜又分为两束，且其中一束激光经过偏振旋转器，偏振方向转动90度，使其与频率为f'的激光偏振方向相同；步骤二、由步骤一所形成的三束激光分别射入到一号声光移频器、二号声光移频器和三号声光移频器上，直接数字频率合成器输出三种频率，分别为fi，f2, f3，并经驱动器控制声光移频器的移频频率，经移频后所输出的三束激光频率分别为f ‘ +f3，f+f1;f+f2，经过移频后三束激光出射到分路光纤的耦合器，经耦合变为一束激光出射，出射光经扩束准直镜组入射到分光棱镜分为两束光，一束作为参考激光束，另一束作为测量激光束出射到测量角椎棱镜；
步骤三、参考激光束经分光棱镜分为两束激光，一束激光经偏振方向与f'相同的水平方向一号起偏器后，频率为f' +4与作&的水平方向偏振激光进入到一号光电接收器进行光电转换，其输出电信号频率为(f' +f3)-(f+fi)，以此作为精测尺频率，另一束激光经偏振方向与f ‘成45度的二号起偏器后入射到二号光电接收器，二号光电接收器输出的电信号频率经低通滤波滤除了高频电信号(f' +f3)-(f+f\)与(f' +f3)_(f+f2)，保留了低频电信号f\-f2，以此作为粗测尺频率；步骤四、测量开始时，移动测量角椎棱镜至目标端，测量距离为L，测量光束在经过测量角椎棱镜的反射后，反射到与参考光束对称的光路中，并由三号光电接收器与四号光电接收器接收测量信号，三号光电接收器输出电信号频率为(f' +f3)-(f+f\)，四号光电接收器输出信号经低通滤波滤后输出低频电信号f\_f2 ；步骤五、一号光电接收器得到的信号(f' +f3)"(f+f1)连接到一号混频器，三号光电接收器得到的信号(f' +f3)"(f+f1)连接到三号混频器，控制箱内的直接数字频率合成器输出混频本振频率信号fml同时送入一号混频器与三号混频器进行混频，并将两个混频后信号分别经低通滤波器滤波滤除高频噪声，最后将所得到的保留原信号相位信息的两个滤波后信号(f' +^-(f+fi)-。送入二号鉴相器得到相位差Φρ;步骤六、二号光电接收器20经低通滤波后得到的信号f\_f2连接到二号混频器， 四号光电接收器经低通滤波后得到的信号f\_f2连接到四号混频器，控制箱内的直接数字频率合成器输出混频本振频率信号fm2同时送入二号混频器与四号混频器进行混频，最后将所得到的保留原信号相位信息的两个滤波后信号送入一号鉴相器得到相位差 Φο；步骤七、控制箱单元接收相位信息Φ。与Φρ，控制箱单元内的数据合成单元根据
公式
权利要求
1.高精度多频同步相位激光测距装置，其特征是它由双纵模稳频He-Ne激光器(1)、多测尺发生单元O)、扩束准直镜组(3)、测量光路及电路单元(4)和控制箱单元( 组成，双纵模稳频He-Ne激光器(1)发出的激光输出到多测尺发生单元O)的输入端，多测尺发生单元( 输出的激光通过扩束准直镜组C3)到测量光路及电路单元的输入端，测量光路及电路单元(4)的相位信息输出端连接在控制箱单元(5)的相位信息输入端，控制箱单元(5)的一个控制输出端连接在多测尺发生单元O)的控制输入端，控制箱单元(5)的另一个控制输出端连接在测量光路及电路单元的控制输入端；多测尺发生单元O)由偏振分光镜(6)、一号分光镜(7)、直角反射镜(8)、偏振旋转器 (9)、一号声光移频器(10)、二号声光移频器(11)、三号声光移频器(12)、一号双路分路光纤(1 和二号双路分路光纤(14)组成，双纵模稳频He-Ne激光器(1)发射的激光束到达偏振分光镜(6)的输入端，偏振分光镜(6)的一个输出端连接在一号声光移频器(10)的一个输入端，偏振分光镜(6)的另一个输出端连接在一号分光镜(7)的输入端，一号分光镜 (7)的一个输出端通过偏振旋转器(9)连接在二号声光移频器(11)的输入端，一号分光镜 (7)的另一个输出端连接在直角反射镜(8)的输入端，直角反射镜(8)的输出端连接在三号声光移频器(1 的一个输入端，一号声光移频器(10)的输出端连接在一号双路分路光纤 (13)的一个输入端，二号声光移频器(11)的输出端连接在一号双路分路光纤(1 的另一个输入端，一号双路分路光纤(1 的输出端连接在二号双路分路光纤(14)的一个输入端， 三号声光移频器(1 的输出端连接在二号双路分路光纤(14)的另一个输入端，二号双路分路光纤(14)的输出端连接在扩束准直镜组(3)的输入端；测量光路及电路单元由二号分光镜(15)、三号分光镜(16)、一号起偏器(17)、一号光电接收器(18)、二号起偏器(19)、二号光电接收器00)、四号分光镜(21)、三号起偏器(22)、三号光电接收器(23)、四号起偏器04)、四号光电接收器(25)、二号低通滤波器 (26)、四号低通滤波器(27)、二号混频器( )、四号混频器( )、一号鉴相器(30)、一号混频器(31)、三号混频器(3 、一号低通滤波器(3 、三号低通滤波器(34)、二号鉴相器(35) 和测量角椎棱镜(36)组成，扩束准直镜组C3)的输出端连接在二号分光镜(1 的输入端， 二号分光镜(巧)的一个输出端连接在三号分光镜(16)的输入端，三号分光镜(16)的一个输出端通过一号起偏器(17)与一号光电接收器(18)的输入端连通，三号分光镜(16)的另一个输出端通过二号起偏器(19)与二号光电接收器00)的输入端连通，一号光电接收器 (18)的输出端连接在一号混频器(31)的一个输入端，一号混频器(31)的输出端连接在一号低通滤波器(3 的输入端，一号低通滤波器(3 的输出端连接在二号鉴相器(3 的一个输入端，二号光电接收器OO)的输出端连接在二号低通滤波器06)的输入端，二号低通滤波器06)的输出端连接在二号混频器08)的一个输入端，二号混频器08)的输出端连接在一号鉴相器(30)的一个输入端，二号分光镜(1 的另一个输出端连接在测量角椎棱镜(36)的输入端，测量角椎棱镜(36)的输出端连接在四号分光镜的输入端，四号分光镜的一个输出端通过三号起偏器0 与三号光电接收器的输入端连通，三号光电接收器的输出端连接在三号混频器(3 的一个输入端，三号混频器(3 的输出端连接在三号低通滤波器(34)的输入端，三号低通滤波器(34)的输出端连接在二号鉴相器(35)的另一个输入端，四号分光镜的另一个输出端通过四号起偏器04)与四号光电接收器0 的输入端连通，四号光电接收器0 的输出端连接在四号低通滤波器(XT)的输入端，四号低通滤波器07)的输出端连接在四号混频器09)的一个输入端，四号混频器09)的输出端连接在一号鉴相器(30)的另一个输入端；控制箱单元(5)由温控箱(37)、晶振(38)、直接数字频率合成器(39)、数据合成单元 (40)、一号驱动器Gl)、二号驱动器0 和三号驱动器组成，晶振(38)和直接数字频率合成器(39)置于温控箱(37)内，晶振(38)的输出端连接在直接数字频率合成器(39) 的输入端，直接数字频率合成器(39)的第一输出端连接在三号驱动器的输入端，直接数字频率合成器(39)的第二输出端连接在二号驱动器0 的输入端，直接数字频率合成器(39)的第三输出端连接在一号驱动器Gl)的输入端，三号驱动器的输出端连接在二号声光移频器(11)的另一个输入端，二号驱动器0 的输出端连接在三号声光移频器 (12)的另一个输入端，一号驱动器Gl)的输出端连接在一号声光移频器(10)的另一个输入端，直接数字频率合成器(39)的第四输出端分别连接在二号混频器08)的另一个输入端和四号混频器09)的另一个输入端，直接数字频率合成器(39)的第五输出端分别连接在一号混频器(31)的另一个输入端和三号混频器(3 的另一个输入端，一号鉴相器(30) 的输出端连接在数据合成单元GO)的一个输入端，二号鉴相器(3 的输出端连接在数据合成单元GO)的另一个输入端。
2.根据权利要求1所述高精度多频同步相位激光测距装置，其特征在于晶振(3 采用温度补偿晶振，短期频率稳定度优于0. Olppm0
3.采用权利要求1所述高精度多频同步相位激光测距装置实现高精度多频同步相位激光测距方法，其特征在于它包括具体步骤如下步骤一、开启双纵模稳频He-Ne激光器(1)，在经过预热和稳频过程后，双纵模稳频激光器(1)输出频率分别为f与f'的双频激光，此双频激光经过偏振分光镜(6)分为偏振态互相垂直的两束激光，其中频率为f的激光束经分光棱镜又分为两束，且其中一束激光经过偏振旋转器，偏振方向转动90度，使其与频率为f ‘的激光偏振方向相同；步骤二、由步骤一所形成的三束激光分别射入到一号声光移频器(10)、二号声光移频器(11)和三号声光移频器(1 上，直接数字频率合成器(39)输出三种频率，分别为f\， f2, f3，并经驱动器控制声光移频器的移频频率，经移频后所输出的三束激光频率分别为 f ‘ +f3，f+f” f+f2，经过移频后三束激光出射到分路光纤的耦合器，经耦合变为一束激光出射，出射光经扩束准直镜组C3)入射到分光棱镜分为两束光，一束作为参考激光束，另一束作为测量激光束出射到测量角椎棱镜；步骤三、参考激光束经分光棱镜分为两束激光，一束激光经偏振方向与f'相同的水平方向一号起偏器(17)后，频率为f'的水平方向偏振激光进入到一号光电接收器(18)进行光电转换，其输出电信号频率为(f' +f3)-(f+fi)，以此作为精测尺频率，另一束激光经偏振方向与f'成45度的二号起偏器(19)后入射到二号光电接收器(20)，二号光电接收器00)输出的电信号频率经低通滤波滤除了高频电信号(f' +f3)-(f+f1)与 (f' +f3)_(f+f2)，保留了低频电信号f「f2，以此作为粗测尺频率；步骤四、测量开始时，移动测量角椎棱镜(36)至目标端，测量距离为L，测量光束在经过测量角椎棱镜(36)的反射后，反射到与参考光束对称的光路中，并由三号光电接收器03)与四号光电接收器05)接收测量信号，三号光电接收器03)输出电信号频率为 (f' +f3)"(f+f1)，四号光电接收器05)输出信号经低通滤波滤后输出低频电信号f\_f2 ；步骤五、一号光电接收器(18)得到的信号(f' +f3)"(f+f1)连接到一号混频器(31)， 三号光电接收器03)得到的信号(f ‘ +f3)"(f+f1)连接到三号混频器(32)，控制箱内的直接数字频率合成器(39)输出混频本振频率信号fml同时送入一号混频器(31)与三号混频器(3 进行混频，并将两个混频后信号分别经低通滤波器滤波滤除高频噪声，最后将所得到的保留原信号相位信息的两个滤波后信号(f' +^丨-江+^-‘送入二号鉴相器(35)得到相位差Φ ρ ；步骤六、二号光电接收器OO)经低通滤波后得到的信号f\_f2连接到二号混频器08)， 四号光电接收器0 经低通滤波后得到的信号f\_f2连接到四号混频器( )，控制箱内的直接数字频率合成器(39)输出混频本振频率信号fm2同时送入二号混频器08)与四号混频器09)进行混频，最后将所得到的保留原信号相位信息的两个滤波后信号送入一号鉴相器(30)得到相位差Φ。；步骤七、控制箱单元(5)接收相位信息Φ。与Φρ，控制箱单元(5)内的数据合成单元(40)根据公式及=f xy^r求得粗测尺的距离测量值L。，并将其代入公式求得精测尺的 2^ Jl -J2相位整数值# = >优(M, Hh ,、+ 其中floor (X)函数返回X值的整数部(/ +Js)-U +λ) 2π 2分，最后根据公式求得被测距离值:L = +念)x2(, + /)C_(/ + /)°
4.根据权利要求3所述高精度多频同步相位激光测距方法，其特征在于相位差(^与相位差Φ。的测量在同一时刻进行。
全文摘要
高精度多频同步相位激光测距装置与方法，涉及激光测量技术领域，主要涉及一种相位激光测距技术，解决了相位激光测距技术中缺少一种能兼顾多测尺的同步性与稳定性的装置与方法的问题，高精度多频同步相位激光测距装置，它包括双纵模稳频He-Ne激光器、多测尺发生单元、扩束准直镜组、测量光路及电路单元和控制箱单元；高精度多频同步相位激光测距方法，它包括具体步骤如下步骤一、开启双纵模稳频He-Ne激光器；步骤二、一束作为参考激光束，另一束作为测量激光；步骤三、以(f′+f2)-(f+f1)作为精测尺频率，以低频电信号f1-f2作为粗测尺频率；步骤四、移动测量角椎棱镜至目标端，步骤五、得到相位差φp，步骤六、得到相位差φc，步骤七、得距离；用于相位激光测距。
文档编号G01C3/00GK102419166SQ20111023626
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者杨宏兴, 胡鹏程, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学