[发明专利]激光干涉非线性误差自补偿方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光干涉非线性误差自补偿方法及装置，属于激光干涉精密测量技术领域。

背景技术

激光干涉测量广泛地应用于在精密测量技术领域，是目前高精度测量的重要手段，对长度测量领域具有十分重要的意义。激光干涉测量由于应用的光学器件以及电气器件等因素的综合影响会导致其测量结果的非线性误差，这项误差具有周期性的特征，其周期是以干涉条纹的整数点起始和终止，通常可达到几个或十几个纳米的程度不等。在长度量高准确度要求的测量时，特别是测量误差要求小于10nm时，干涉测量非线性误差成为影响测量结果准确度的关键因素。目前应用的非线性误差修正的方法，多利用精密位移台产生位移，干涉仪同步测量得到一组干涉测量相位的冗余数据，通过最小二乘等方法解矛盾方程得到最优解，完成非线性误差修正，该方法实现起来系统复杂，过程中引入位移台运动误差，影响最终非线性修正的精度，特别是在非线性误差大拐点处尤为突出。因此从原理上如何减小干涉测量的非线性误差补偿问题是提升精密测量水平的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有激光干涉系统的非线性误差采用物理位移调制存在的问题，提供一种激光干涉非线性误差自补偿方法及装置。本装置具有较高适应性和同步测量干涉系统误差的特性，可以在无物理位移的条件下，通过自动调节激光器的频率来确定干涉仪测量相位与理论值的差异进而实现干涉系统的非线性误差补偿。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种激光干涉非线性误差自补偿装置，其特征在于：其包括：干涉测量模块(1)、光学解调制模块(2)、调频控制模块(3)、控制及信息输出模块(4)。

控制及信息输出模块(4)的作用是：①产生光频控制信号，并发送至调频控制模块(3)。②对光学解调制模块(2)输出的干涉信号进行处理，得到被测对象的当前位置测量值。所述干涉信号包括干涉信号的整数级次和小数级次。③根据被测对象的当前位置测量值计算得到干涉信号小数级次的理论值。④根据测量得到的干涉信号的小数级次以及计算得到的干涉信号小数级次的理论值之间的关系，对干涉测量模块(1)的非线性误差进行补偿。

调频控制模块(3)的作用是：根据控制及信息输出模块(4)发送来的光频控制信号，输出光频控制信号指定频率的激光，并将其输出至干涉测量模块(1)。

干涉测量模块(1)的作用是：利用调频控制模块(3)输入进来的指定频率的激光对被测对象的位移变化进行测量，得到相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号，并将其输出到光学解调制模块(2)。

光学解调制模块(2)的作用是：对干涉测量模块(1)发送来的相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号进行处理，得到被测对象的当前位置的干涉信号，并将其发送至控制及信息输出模块(4)。

各模块的连接关系为：

控制及信息输出模块(4)的输出端与调频控制模块(3)的输入端连接；调频控制模块(3)的输出端与干涉测量模块(1)的输入端连接；干涉测量模块(1)的输出端与光学解调制模块(2)的输入端连接；光学解调制模块(2)的输出端与控制及信息输出模块(4)的输入端连接。

使用所述激光干涉非线性误差自补偿装置进行激光干涉非线性误差自补偿的方法，其特征在于：其具体操作步骤为：

步骤一、得到激光干涉非线性误映射表。

步骤1.1：固定被测对象与干涉测量模块(1)的相对位置。从外部向控制及信息输出模块(4)输入光频控制信号的频率范围[F₁,F₂]；同时设定频率步长，用符号Δf表示。所述频率范围[F₁,F₂]，是获取一个干涉周期内干涉信号测量值的非线性误差所需的频率范围，F₁∈[0,4G]，F₂∈[0,4G]。

步骤1.2：设定i为一个变量，并设定其初始值为0。

步骤1.3：控制及信息输出模块(4)产生第i个光频控制信号，其指定的频率用符号f_i表示。如果i＝0，f_i为[F₁,F₂]范围内的任意一频率值；否则，f_i＝f_i-1+Δf。

步骤1.4：控制及信息输出模块(4)判断f_i≤F₂是否成立，如果成立，则将第i个光频控制信号发送至调频控制模块(3)；否则，完成激光干涉非线性误映射表的制作过程，执行步骤二的操作。