[发明专利]一种测量光程的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及光程测量领域，尤其涉及一种测量光程的方法和系统。

背景技术

光程测量对于科学研究及工业生产来说都是一项重要的技术。近些年 由于科学技术的不断发展，对光程测量也提出了越来越高的要求，如何快 速、准确的测量光程已成为迫切需要解决的问题。

目前光程测量的主要方法是发射一个光信号到目标上，处理反射、透 射或散射的信号算出光程大小。已有的光程测量法主要包括非干涉测量法 和干涉测量法。

非干涉测量法也称为飞行时间测量法，它的基本原理是测量发射到目 标上的光信号与被目标反射回来的光信号的时间延迟t，由此可算得光程 ＝ct。此方法的分辨率取决于光电接收器件的响应速度，目前绝对大多数的 光电探测器带宽较低，无法实现高精度的光程测量。

干涉测量法则包含以下几种方法：

1.外差法

外差法采用单波长光源进行光程测量，其测量范围被限制在了波长的 四分之一内，因此有人提出了利用两个相近的纵模产生外差干涉，其等效 的合成波长λ_s＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|，远大于λ₁或λ₂，因此可用于增大测量范围。该 方法具有装置简单，测量时间短，精度高的优点，但其测量精度易受到模 式混合与合成波长稳定性的影响，若合成波长不稳定，会对实验结果造成 很大影响。

2.调频干涉测量

调频干涉的基本原理为连续改变单模激光器的激光频率，使得两束相 干光波的相位差以某种已知形式变化，例如随时间线性变化等，就可从信 号中提取光程的信息，实现测量。这种方法的精度较低。

3.双频干涉法

该方法利用重复频率不同的两束脉冲光序列，一束作为探测光脉冲序 列，另一束作为参考光脉冲序列。探测光脉冲序列经过目标面和参考面定 标面的反射或者经过目标延迟与定标延迟后，分别形成目标脉冲序列与定 标脉冲序列，后，产生两束共线的具有时延的脉冲，它们叠加到一起后与 参考光脉冲序列发生干涉，由于探测光脉冲序列与参考光脉冲序列的重复 频率稍有不同，实际上相当于用参考光脉冲序列扫描探测脉冲序列。假设 参考光脉冲序列重复频率为f_r，探测光脉冲序列重复频率为f_p，它们的频 率差Δf＝|f_r-f_p|。则整个扫描时窗大小为1/Δf。假设得到的时域干涉图样图 上目标脉冲相关信号与定标脉冲相关信号之间的时间差脉冲时延为τ_r，则 实际时延为τ，τ＝τ_r×Δf/f_p，则光程d＝v_gτ+nv_g/f_p，n为整数，nv_g/f_p表示模 糊距离，n的数值可以通过目测，直尺测量、飞行距离测量法以及其它光 学或者非光学的方法的得到。这种方法作为互相关技术的一个子类，可以 较高的刷新率扫描整个时窗，不要求干涉光路的平衡且精度可达到微米级 别。目前国际上报道的此方法均采用两个独立的激光器分别产生脉冲光， 由于两个光源的光腔相互独立，其重复频率差或者需要精密的反馈控制系 统进行锁定，或者容易随着外界环境等的变化发生漂移，因此会严重影响 系统的成本、复杂度和精度，难以推广应用。

多波长脉冲激光器可以由一个光腔同时输出两个或两个以上不同波长 和重复频率的光脉冲。由于各波长的光脉冲均由同一个激光腔产生，外界 温度、气压等变化带来的光腔长度变化只会导致各个波长脉冲光重复频率 的绝对变化，由于光腔色散带来的其重复频率的差值变化基本可以忽略不 计。因此采用这种方法实现的脉冲激光器具有频率差稳定的优点，而且系 统较采用多个独立的激光器大大简化，系统成本大大降低。