一种目标表面的位移测量方法及系统与流程

本发明涉及位移测量，具体涉及一种目标表面的位移测量方法及系统。

背景技术：

1、在一些复杂测试环境中，需要使用光纤干涉仪深入装置内部测量目标表面位移。由于测试环境可能存在振动、燃烧等导致光纤干涉仪用于动态实验时温度和压力的大幅变化，连接探头和后端探头的传输光纤同样受环境影响，其折射率受环境温度和压力影响而变化，由此引起的额外光程差将叠加在位移测量结果中，导致测量出现大幅误差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：传统的位移测量方法受环境影响，其折射率受环境温度和压力影响而变化，由此引起的额外光程差将叠加在位移测量结果中，导致测量出现大幅误差；本发明目的在于提供一种目标表面的位移测量方法及系统，分别接收经过目标表面的不同频率光，配合以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，构成第一干涉信号和第二干涉信号的外差干涉信号，通过综合两组信号进行位移解调，可以在同时解决光强波动和传输光纤扰动的条件下，实现精确的位移测量。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本方案提供一种目标表面的位移测量方法，包括：

4、令不同光频率的第一激光信号和第二激光信号经过目标表面后，采集第一干涉信号和第二干涉信号；

5、以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，分别对第一干涉信号和第二干涉信号进行滤波和解调处理后得到第一相位差和第二相位差；

6、将第一相位差和第二相位差输入位移等效模型计算得到目标表面的位移。

7、本方案工作原理：传统的位移测量方法受环境影响，其折射率受环境温度和压力影响而变化，由此引起的额外光程差将叠加在位移测量结果中，导致测量出现大幅误差；本发明目的在于提供一种目标表面的位移测量方法及系统，分别接收经过目标表面的不同频率光，配合以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，构成第一干涉信号和第二干涉信号的外差干涉信号，通过综合两组信号进行位移解调，可以在同时解决光强波动和传输光纤扰动的条件下，实现精确的位移测量。

8、本发明目的在于提供一种目标表面的位移测量方法及系统，不需要对输入的激光强度、频率、相位等进行额外调制，只需要输入两个不同频率的激光，探测精度高，并且所需的探测带宽很低，容易实现集成模块化和在线处理。本方案特别适用于测试空间狭小，空间内温度、压力变化大且持续时间长，但待测表面相对移动量又十分微小的场合，如运输、升温等安全性考核、冲击防护性能测试等场景。

9、进一步优化方案为，所述令不同光频率的第一激光信号和第二激光信号经过目标表面后，采集第一干涉信号和第二干涉信号，包括异侧采集方法：

10、设定一个参考目标，令第一激光信号经过参考目标的第一位置后到达目标表面，第一激光信号经目标表面反射到参考目标的第二位置，在参考目标的第二位置采集到第一干涉信号；

11、令第二激光信号经过参考目标的第二位置后到达目标表面，第一激光信号经目标表面反射到参考目标的第二位置，在参考目标的第二位置采集到第二干涉信号。

12、进一步优化方案为，所述令不同光频率的第一干涉信号和第二干涉信号经过目标表面后，采集第一干涉信号和第二干涉信号，还包括同侧采集方法：

13、设定一个参考目标，令第一激光信号经过参考目标的第一位置后到达目标表面的第一位置，在目标表面的第一位置采集到第一干涉信号；

14、令第二激光信号从目标表面的第一位置向参考目标的第一位置发出，在参考目标的第一位置采集到第二干涉信号。

15、进一步优化方案为，第一激光信号经过参考目标的第一位置后到达目标表面所形成的光斑，与第二激光信号经过参考目标的第二位置后到达目标表面所形成的光斑具有重合区域。

16、进一步优化方案为，第一激光信号从参考目标到达目标表面的光路，与第二激光信号从目标表面到达参考目标的光路平行。

17、进一步优化方案为，对于异侧采集方法，所述位移等效模型包括：

18、

19、其中，l表示目标表面的位移，c表示光速；表示第一相位差，表示第二相位差，f1表示第一激光信号的光频率；f2表示第二激光信号的光频率；θ表示第一激光信号与第一干涉信号夹角的一半，即为光线与待测目标法向的夹角。

20、进一步优化方案为，对于同侧采集方法，所述位移等效模型还包括：

21、

22、其中，l表示目标表面的位移，c表示光速；表示第一相位差，表示第二相位差，f1表示第一激光信号的光频率；f2表示第二激光信号的光频率。

23、进一步优化方案为，所述分别对第一干涉信号和第二干涉信号进行滤波和解调处理后得到第一相位差和第二相位差，包括方法：

24、采集第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，对本振信号进行滤波；

25、对第一干涉信号先经高通滤波滤除光强波动，再结合本振信号进行位移解调后，经过低高通滤波得到第一相位差，对第二干涉信号先经高通滤波滤除光强波动，再结合本振信号进行位移解调后，经过低高通滤波得到第二相位差。

26、本方案还提供一种目标表面位移测量系统，用于实现上述的一种目标表面位移测量方法，包括：

27、采集模块，用于令不同光频率的第一激光信号和第二激光信号经过目标表面后，采集第一干涉信号和第二干涉信号；

28、预处理模块，用于以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，分别对第一干涉信号和第二干涉信号进行滤波和解调处理后得到第一相位差和第二相位差；

29、计算模块，用于将第一相位差和第二相位差输入位移等效模型计算得到目标表面的位移。

30、进一步优化方案为，所述采集模块包括第一探头、第二探头和第三探头；所述第一探头用于采集第一干涉信号，第二探头用于采集第二干涉信号，第三探头用于采集第一激光信号和第二激光信号作为本振信号；

31、所述预处理模块包括：高通滤波器、iq解调器和低通滤波器；

32、所述高通滤波器用于滤除光强波动，所述iq解调器用于结合本振信号进行位移解调。

33、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

34、本发明提供的一种目标表面的位移测量方法及系统，分别接收经过目标表面的不同频率光，配合以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，构成第一干涉信号和第二干涉信号的外差干涉信号，通过综合两组信号进行位移解调，可以在同时解决光强波动和传输光纤扰动的条件下，实现精确的位移测量。

技术特征：

1.一种目标表面的位移测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，所述令不同光频率的第一激光信号和第二激光信号经过目标表面后，采集第一干涉信号和第二干涉信号，包括异侧采集方法：

3.根据权利要求1所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，所述令不同光频率的第一干涉信号和第二干涉信号经过目标表面后，采集第一干涉信号和第二干涉信号，还包括同侧采集方法：

4.根据权利要求2所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，第一激光信号经过参考目标的第一位置后到达目标表面所形成的光斑，与第二激光信号经过参考目标的第二位置后到达目标表面所形成的光斑具有重合区域。

5.根据权利要求3所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，第一激光信号从参考目标到达目标表面的光路，与第二激光信号从目标表面到达参考目标的光路平行。

6.根据权利要求4所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，对于异侧采集方法，所述位移等效模型包括：

7.根据权利要求5所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，对于同侧采集方法，所述位移等效模型还包括：

8.根据权利要求1所述的一种目标表面位移测量方法，其特征在于，所述分别对第一干涉信号和第二干涉信号进行滤波和解调处理后得到第一相位差和第二相位差，包括方法：

9.一种目标表面位移测量系统，其特征在于，用于实现权利要求1-8任意一项所述的一种目标表面位移测量方法，包括：

10.根据权利要求9所述的一种目标表面位移测量系统，其特征在于，所述采集模块包括第一探头、第二探头和第三探头；所述第一探头用于采集第一干涉信号，第二探头用于采集第二干涉信号，第三探头用于采集第一激光信号和第二激光信号作为本振信号；

技术总结
本发明公开了一种目标表面的位移测量方法及系统，涉及位移测量技术领域，令不同光频率的第一激光信号和第二激光信号经过目标表面后得到第一干涉信号和第二干涉信号；以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，分别对第一干涉信号和第二干涉信号进行滤波和解调处理后得到第一相位差和第二相位差；将第一相位差和第二相位差输入位移等效模型计算得到目标表面的位移；分别接收经过目标表面的不同频率光，配合以第一激光信号和第二激光信号作为本振信号，构成第一干涉信号和第二干涉信号的外差干涉信号，通过综合两组信号进行位移解调，可以在同时解决光强波动和传输光纤扰动的条件下，实现精确的位移测量。

技术研发人员：王竞,刘寿先,翟召辉,陶世兴,雷江波
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院流体物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22