[发明专利]基于FFT算法消除非线性误差的光外差干涉法

说明书

技术领域

本发明属于光外差干涉（Heterodyne Interferometry)测量领域，具体涉及一种免精调的基于FFT（快速傅里叶变换）算法消除非线性误差基频的光外差干涉测量方法。

背景技术

激光外差干涉系统可以用来测量位移、长度等物理量，是最好的纳米测量方法之一。该系统是将被测位移量转变到外差信号的频率或者相位变化中，再将这种变化测量出来，由于外差信号的频率比光频低得多，光电信号容易处理，可以经过电子细分而达到较高的测量分辨率，分辨率可以达到皮米（pm）或更好。

但是在光外差干涉法中普遍存在着非线性（nonlinearity）问题，这些因素可以是位移测量的主要误差来源，使其精度一般只有纳米级至十几纳米，其原因是频率不同的光束不能很好的分离。这些周期性的非线性误差问题一直是该领域技术发展的障碍。

多年来国内外不断地发明一些改善的方法，但也多存在一些限制或问题，例如Badami和Pattersom使用速率计和频谱仪在移动系统中直接测量非线性误差成分并进行补偿；Tae Bong Eom和Tae Young Choi等对相位信号积分后进行椭圆拟合的方法来补偿非线性误差。这些方法可以在没有其它的辅助干涉仪存在时补偿非线性误差，但系统复杂，而且需要大量的波动信号周期和相对大量的运算，影响测量的实时性。在公开号为CN101660924的中国发明专利中公布了一种新的方法，该方法可以有效地解决这个问题，但如果希望得到十分精确的结果，还需要非常精确的光学调节，这种精确光学调节通常比较困难。

发明内容

为了解决现有激光外差干涉系统存在的系统复杂、运算量大、实时性差、结果不精确的技术问题，本发明提供一种基于谐振滤波和FFT算法消除非线性误差的光外差干涉法，可以消除非线性误差或干扰的特定谐波成份，而且免去消除非线性误差所需要的精密光学调节装置和精密调节过程，使这种调整变得非常容易，同时大幅提高系统性能，降低成本。

激光外差干涉系统测量光臂的光电探测器输出端所获得的交流信号是以异频光频差为频率的电信号，其附加的相位差与被测位移成精确的比例关系。但其中包含着所谓的非线性误差，主要分布在傅里叶频谱的一次谐波（一般情况下根据傅里叶级数性质也可叫做基频，是一种空间频率）上。本发明的方法可以消除非线性误差的基频成分；实际上本发明的方法对任意的某一频率都是有效的，并且无需对光学系统做特别的精密调节。

在激光外差干涉系统中存在着非线性误差干扰成分的信号光路上，获得至少3路信号（通道），通过将携带着被探测信号的光臂上设置至少3个干涉光光电探测部分的方法获得这些信号，并使其中至少有3路中各自所含的非线性误差一次谐波（或其它频率成分）的相角在一个对应的圆周内各不相同，这样就得到了充分的信息，使能通过后面的加权和叠加等处理而消除掉非线性误差中的基频（或任意一个频率）成分。实现一次谐波（或其它频率成分）的相角在一个对应的圆周内各不相同的方法很多，例如通过调整光程可改变相应一次谐波的相角，通过现有技术中已经公开的一次谐波的误差测量方法，可以很容易获得一次谐波的幅度和初始相位角。一般情况下，不同光路的几路信号误差的相角通常不相等，如果有相角相等的情况，可以通过现有技术中测量相角的方法获知，并且通过调整光程使得它们不相等。进一步说，一般情况下我们随机建立起来的光学系统，不会有任意2路中非线性误差相位角在对应一个圆周内完全相同，但是如果完成光学系统的调节之后，3路中的2路非线性误差一次谐波（或其他的要被消除的频率成分）的相角相差不大则会影响加权叠加之后的有用信号的幅度，从而影响输出信号的信噪比，这时我们可以大致调整一下其中的1-2路中的要被消除的频率成分的相角相对于其他通道中对应的（非线性误差的要被消除的频率成分的）信号相角的差值，使其有所增大到充分（即够用）为止。现在有很多的检测非线性误差一次谐波（或其他的要被消除的频率成分）相位和幅度的方法，如陈洪芳等的“激光外差干涉非线性误差的测量方法”《北京工业大学学报》2010年第6期；钟志等的“一种激光外差干涉非线性误差新颖测量方法”，光电子激光，2005，等等。调整相角的方法可以通过调节参与干涉的两个光线之间的光程差来实现。

基于谐函数的周期性，当然可以像通常那样，将上述相位差中包含的若干个整数倍圆周角排除不计（以下不再做类似的提示）。

采用下面的方法来进行后续处理：首先假设只有3路信号的情况，将3路信号分别与参考信号进行相位比较，直至解出3个位移量。这时每一通道中的非线性误差的相位是不同的。