[发明专利]一种正弦相位调制激光干涉仪及载波生成、信号解调方法

说明书

本发明公开了一种正弦相位调制激光干涉仪及载波生成、信号解调方法，其利用高频声波使气液界面生成高频的液体表面声波，将零差干涉仪的参考光入射到气液界面，高频的液体表面声波对参考光相位进行调制，实现零差干涉信号相位载波生成；可解决现有PGC解调方法需要对零差干涉仪的参考臂实现高频正弦相位调制，而实现高频的正弦相位调制需要昂贵器件的问题。本发明采用基于实时归一化的Arctan解调算法消除液体表面低频毛细波引起的载波相位延迟以及电声换能器功率起伏引起的载波调制深度变化对解调结果的影响。

技术领域

本发明涉及激光干涉测量技术领域，具体涉及一种正弦相位调制激光干涉仪及载波生成、信号解调方法。

背景技术

对于激光干涉测量方法来说，要实现被测位移纳米量级的分辨力，必须实现干涉信号的相位解调。干涉信号相位的解调必须通过光路或者信号处理算法来获得正交的干涉信号对，目前常采用三种方法来获得正交的干涉信号对：用外差干涉仪与特定信号处理算法；用零差干涉仪结合偏振分光镜，并采用两个光电探测器获得正交信号；用正弦相位调制的零差干涉仪与特定信号处理算法。前两种方法受到光源偏振态或者偏振器件性能的影响较大，干涉信号相位解调结果总是存在难以消除的非线性误差。

PGC解调无需使用偏振器件，它使用一个光电探测器接收干涉信号，也不存在双探测器增益不等或非理想正交的问题；通常来说，其具有更大的动态解调范围和更高的解调灵敏度。PGC解调法最终利用DCM算法或者Arctan算法来实现干涉信号相位的解算。

PGC-DCM方法具有更低的谐波失真，但其解调结果容易受到光强扰动、条纹对比度的影响；PGC-Arctan解调算法虽然不受光强扰动和条纹对比度的影响，但这两种方法都受到载波相位延迟以及载波调制深度计算偏差的影响。同时，PGC-Arctan解调算法的调制深度需要精确调整到2.63rad，保证J₁(C)和J₂(C)的相等，从而达到低谐波失真和高稳定性的要求。然而，调制深度精确调整到2.63rad是非常困难的，且从解调误差和信噪比两方面来考虑也不是最佳值。

另外，PGC解调方法需利用电光调制器或声光调制器等器件对零差干涉仪的参考臂实现高频正弦相位调制，从而使干涉信号生成相位载波；然而，这些器件本身价格昂贵，而且其驱动设备也往往花费较高的成本，使整个测量系统的成本大幅提升。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种正弦相位调制激光干涉仪。

本发明公开了一种正弦相位调制激光干涉仪，沿光路方向依次包括：He-Ne激光器、偏振片和分光镜；

所述分光镜的反射光路的一侧设有测量镜、另一侧依次设有滤光片和光电探测器，所述光电探测器通过数据采集卡与计算机相连；

所述分光镜的透射光路上设有液体容器，所述液体容器内设有电声换能器；所述电声换能器辐射的声波在液体表面生成高频的液体表面声波，参考光入射到液体表面，经过高频的液体表面声波调制后返回分光镜。

作为本发明的进一步改进，还包括：1/4玻片；

所述1/4玻片设置在所述偏振片与分光镜之间，用于防止测量回光和参考回光返回激光器。

作为本发明的进一步改进，还包括：信号发生器和功率放大器；

所述信号发生器与所述功率放大器相连，所述功率放大器与所述电声换能器相连，用于驱动所述电声换能器辐射的声波在液体表面生成高频的液体表面声波；所述信号发生器和功率放大器均通过所述数据采集卡与所述计算机相连。

本发明还公开了一种基于正弦相位调制激光干涉仪的载波生成、信号解调方法，包括：