[发明专利]基于可溯源精测尺的半导体激光器测距装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于相位激光测量技术，主要涉及一种相位激光测距装置与方法。

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及巨型船舶中的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劣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亚毫米至微米级的静态测量精度。

在多测尺相位激光测距技术中，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，但由于光源技术的限制，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，另一方面由于在多测尺相位激光测距技术中以测尺波长大小为基准进行测量，测尺波长的稳定性和准确性直接影响激光测距的精度，因此如何获得高稳定性可溯源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激光测距精度与实时性的主要问题。

在长距离甚至超长距离的测量背景下，光源的输出功率是重要的方面之一，通过对现有的激光光源分析可知，目前比较常用的光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器和染料激光器。其中气体激光器结构简单，光束质量好，但同时其输出功率有限，文献[曾明,丁金星,袁晓东.提高稳频He-Ne 激光器输出功率的研究.光学学报.1996.1]提到常用的He-Ne激光器最大输出功率也只在5毫瓦以内，不能满足长距离测量的需要。而半导体激光器是一种高效率、宽波段、便于调制的激光器，其最大输出功率远远大于气体激光器，且结构简单，符合超长距离的测距的发展要求和趋势。

在绝对距离测量中另一关键点是测尺的稳定性与可溯源性，它与光源技术有关，通过对相位激光测距法激光的光源技术的分析可知，目前国内外相位法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，光强随电流变化而变化的特点，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的实际应用过程中，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和电光调制法，其调制带宽受到激光光束直径等等多因素的影响，也会带来波形变形，特别是在高频(千兆赫兹)时就更为严重，因此它所形成大的测尺，测量精度由于受到最大测尺频率的限制而难以提高。