[发明专利]一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法

说明书

本发明公开一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，属于激光测量技术领域。本发明的技术方案如下：利用图1光路产生自混合干涉，探测移动目标，从图1中的光电探测器1可以探测到典型的自混合干涉信号；将产生了自混合干涉的激光束入射到F‑P腔中，获取F‑P腔的透射信号，即可获得基于透射谱映射的条纹倍增信号，控制自混合干涉的反馈强度以匹配F‑P腔；利用条纹信号与F‑P透射谱线相似，具有平整，尖锐的特点，通过简单的阈值设定，提取峰值信号，并对峰值信号赋值；最后通过拟合方法进行对上述信号进行处理，从而得到运动目标的位移信号。

技术领域

本发明涉及一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，属于激光测量技术领域。

背景技术

激光自混合干涉是一种新兴的光学传感技术。激光自混合干涉可用于位移、速度、距离、振动、空气折射率等物理量的精密测量。由于它具有与传统双光束干涉相同的条纹分辨率，并且具有紧凑，自校准和鲁棒性方面的独特优势，因此在工业、国防和公安等行业中都得到广泛研究。目前，有研究发现可以通过改变自混合干涉仪中外腔的结构来提高精密测量系统的分辨率。也有使用非对称外腔或引入另一个反射镜以形成多次反射的激光自混合干涉条纹倍增方法。这些方法都使得光在目标与激光器或反射镜之间传播了多个回合，从而产生了条纹倍增。然而，在这些系统中，导致条纹倍增的光学元件需要精确调节，这也加大了光路的准直难度。

在诸多激光自混合干涉的条纹倍增研究中，总是选择功率信号进行分析，而不是利用其频率信号。这是由于，功率信号很容易在通过光电二极管探测，而光频信号则很难直接探测。因为这种频率调制包含在光频率中，因此直接信号检测无法实现。目前已有的研究仅仅利用自混合干涉的频率信号实现信号的边缘滤波增强，例如利用特定吸收谱气室，或者光纤光栅等元件，其中也包括法布里－珀罗(F-P)干涉仪。F-P腔价格便宜且易于制造，已在传感领域得到了深入研究，但其透射谱或者反射谱通常极窄，因此做边缘增强效果并不理想。然而，极窄的投射谱或者反射谱却适合于利用自混合干涉的频率调制产生条纹倍增。

发明内容

鉴于现有技术中存在上述技术难点，本发明目的在于提出一种基于激光自混合干涉谱映射条纹倍增的位移测量方法，该方法利用极窄的透射光谱，使激光自混合干涉产生的周期性光频波动被映射到了透射峰上，并基于此发生条纹倍增现象，而且产生的条纹接近于微分信号，适合基于条纹计数法的位移测量技术。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于F-P腔的自混合干涉条纹倍增方法，该方法基于周期性光频波动的映射范围覆盖到整个透射峰，进而产生与投射峰形状相同的倍增条纹，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用图1光路产生自混合干涉，探测移动目标。从图1中的光电探测器1可以探测到典型的自混合干涉信号。

步骤2：利用一个分光棱镜将光路中的激光分出一束，将产生了自混合干涉的激光束入射到F-P腔中，利用图1中的光电探测器2，获取F-P腔的透射信号，即可获得基于透射谱映射的条纹倍增信号。这里需要控制自混合干涉的反馈强度以匹配F-P腔。

光电探测器上接收到的条纹倍增信号的输出信号可以简化为，

其中，R为反射效率，l₀和I_t代表激光器初始光强和透射光强，h＝nh₀表示等效腔长(n折射率，h₀腔长)，v(t)＝ω/2π为随时间变化的光频；其中发生自混合干涉的光频由如下公式表示：

ω₀τ_ext＝ωτ_ext+C sin(ωτ_ext-arctanγ)