第1章 緒論

1.1 選題依據(jù)及背景
絕對(duì)距離測量在計(jì)量科學(xué)與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要理論價(jià)值與實(shí)用意義。傳統(tǒng)的干涉測量方法雖然在精度上可以達(dá)到要求，同時(shí)也具有穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，但這種測量方法需要進(jìn)行連續(xù)不間斷的掃描，從而獲取測量信息，這就導(dǎo)致該測量方法很難大范圍的應(yīng)用于計(jì)量科學(xué)與工業(yè)領(lǐng)域�；诖�，本課題研究一種非接觸式、無導(dǎo)軌、非連續(xù)的絕對(duì)距離測量方法。
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1.2 本課題研究的目的與意義
近些年來，隨著科技的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各領(lǐng)域?qū)^對(duì)距離測量的精度要求越來越高。盡管雙頻激光干涉儀可以在精度上達(dá)到要求，但是其在測量過程中，需要借助導(dǎo)軌進(jìn)行測量。然而，在許多測量現(xiàn)場，很難有條件進(jìn)行導(dǎo)軌的鋪設(shè)，這就限制了雙頻激光干涉儀在復(fù)雜條件下的使用。因此，研究一種新型的非接觸式、無導(dǎo)軌、非連續(xù)的絕對(duì)距離測量方法就很有必要了。
同時(shí)，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光被廣泛應(yīng)用在絕對(duì)距離測量領(lǐng)域。許多學(xué)者針對(duì)絕對(duì)位移尺寸測量的激光干涉技術(shù)進(jìn)行了很多研究，也開發(fā)了許多基于激光干涉技術(shù)的距離測量儀器。但是該技術(shù)也存在著一些缺陷，就是由于測量時(shí)受到環(huán)境因素的影響，使得測量結(jié)果存在著系統(tǒng)誤差。隨著科技的發(fā)展，我們對(duì)于生產(chǎn)生活中的一些測量的精確度要求更高，有時(shí)一點(diǎn)點(diǎn)精度的增加，就會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因此對(duì)于該項(xiàng)目的研究就十分必要了。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
大量程非接觸光學(xué)距離測量方法，主要采用飛行時(shí)間法[1]、激光三角法與干涉法等。其中干涉法測量精度最高。由于常規(guī)的干涉測量方法采用波長脈沖計(jì)數(shù)的增量方式，只適合連續(xù)測量或?qū)崿F(xiàn)半波長以內(nèi)的絕對(duì)測量。因此，為了延展絕對(duì)測量的范圍，目前衍生出了很多以激光干涉測量為基礎(chǔ)的絕對(duì)距離測量方法，主要有激光頻率梳法、頻率或波長掃描法及多波長法。
首先，利用激光頻率梳實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離的測量[2-7]，是當(dāng)前被廣泛研究的一種測量方法。一種是直接利用飛秒激光器輸出的等周期超短脈沖所具有梳狀頻率特性，一方面通過外差干涉與鎖相技術(shù)，在 PZT 的驅(qū)動(dòng)下，分別尋找等光程參考干涉峰值點(diǎn)與目標(biāo)測量干涉峰值點(diǎn)位置，兩峰值點(diǎn)位置之差，即為測量結(jié)果的小數(shù)部分，另一方面通過脈沖頻率的微小改變，比較微小改變前后測量結(jié)果小數(shù)部分的差異，計(jì)算測量結(jié)果的整數(shù)部分，結(jié)合這兩種結(jié)果實(shí)現(xiàn)大范圍絕對(duì)位移的測量[2-3]。由于這種方法需要借助于 PZT 的驅(qū)動(dòng)完成絕對(duì)距離的測量，且在驅(qū)動(dòng)過程中沒有增加任何補(bǔ)償措施，難以克服在 PZT 驅(qū)動(dòng)前后測量位移微小變化的影響，會(huì)帶來較大的動(dòng)態(tài)測量誤差。
這種方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于產(chǎn)生頻率十分穩(wěn)定的飛秒激光光源[3-4]，因此需要優(yōu)化激光光源，文獻(xiàn)[3]對(duì)銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行 150 分頻后，作為輸入與激光脈沖頻率比較后，通過 PI 調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng) PZT 反饋控制激光腔長，穩(wěn)定激光頻率；文獻(xiàn)[4]也是通過反饋驅(qū)動(dòng)腔長來控制激光頻率的目的，并用這種方法克服環(huán)境變化帶來的對(duì)測量結(jié)果的影響。
激光頻率梳的另外一種測量方法利用飛秒激光器作為多波長尺度進(jìn)行測量[5-7]，文獻(xiàn)[5]優(yōu)化選擇用飛秒激光器依次產(chǎn)生的 770.000058nm、770.001180nm、770.099117nm 與 778.761319nm 四個(gè)波長，通過外差法，得到測量結(jié)果的相位差，然后通過波長差與相位差的結(jié)果計(jì)算絕對(duì)測量距離。并借助連續(xù)頻率掃描提高絕對(duì)距離的測量范圍。由于所選定的波長是依次參與測量的，同前一種測量方法類似，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)絕對(duì)距離的測量。
文獻(xiàn)[6]利用飛秒激光器產(chǎn)生的頻率梳同步干涉，把干涉信號(hào)通過光柵分離送入線陣 CCD，在線陣 CCD 上得到不同頻率光的干涉相位，通過頻差與相差的求解，計(jì)算絕對(duì)位移，這種方法簡單直觀。受 CCD 分辨率與接收最大頻差的影響，測量范圍限制在 5um-0.78m 內(nèi)，當(dāng)測量距離太小，在 CCD 上產(chǎn)生的干涉條紋數(shù)目少，測量分辨率主要受相位分辨率的影響；測量距離過大時(shí)，干涉條紋的周期寬小于CCD 像元尺寸，無法求解相差。這種方法理論上只要線陣 CCD 采樣頻率足夠高，能夠截取動(dòng)態(tài)干涉條紋信息，就能滿足動(dòng)態(tài)測量的要求。
其次，是基于頻率掃描的方法[8-16]，其主要思路是獲取激光頻率或波長的連續(xù)變化過程中，干涉相位的相應(yīng)變化結(jié)果，利用波長變化與相位變化的信息計(jì)算絕對(duì)光程差（或絕對(duì)距離）。文獻(xiàn)[8-10]利用頻率可調(diào)激光器與波長計(jì)量器，在頻率調(diào)制的過程中，通過計(jì)量器反饋光頻的變化，通過光電接收，獲取干涉相位的變化。其中文獻(xiàn)[10]利用了兩個(gè)頻率可調(diào)激光器與兩個(gè)波長計(jì)量器，在頻率掃描的過程中，兩個(gè)可調(diào)激光器進(jìn)行同步正、逆反向掃描，抵消掃描過程中振動(dòng)的影響，提高絕對(duì)測量的精度。
文獻(xiàn)[14]建立參考光路與測量光路同步頻率掃描的測量方法，通過頻率掃描過程中，測量光路的相位變化與參考光路相位變化之比，得到測量光路的光程差。在比對(duì)測量過程中，文章提出同時(shí)采用另外一個(gè)固定光源的測量結(jié)果補(bǔ)償頻率掃描過程中振動(dòng)的影響，提高儀器的測量精度。這種方法理論上消除了環(huán)境變化帶來的折射率變化的影響。測量系統(tǒng)頻率調(diào)制采用外腔調(diào)制的方式，調(diào)制范圍較大，且頻率掃描測量作為粗測，精度要求較高，達(dá)到 70um。在測量光路中，固定波長與掃描波長通過光纖耦合形成同光路光源，在干涉條紋的接收端，通過光柵分離不同波長的干涉信號(hào)，并采用 sin-cos 方法提取正交干涉條紋信號(hào)。
這些頻率掃描方法，實(shí)現(xiàn)了大范圍的絕對(duì)測量，但頻率掃描的一個(gè)致命缺點(diǎn)是：在掃描過程中，被測對(duì)象的振動(dòng)被高倍放大，極大影響測量精度，某些情況下，導(dǎo)致測量結(jié)果無效。為此，在頻率掃描過程中，需要補(bǔ)償或消除振動(dòng)的影響。除了文獻(xiàn)[10、14]給出了消除振動(dòng)的影響之外，文獻(xiàn)[15、16]也從理論上分析了誤差的影響，并提出了消除誤差的方法。其中文獻(xiàn)[15]通過建立相位與時(shí)間關(guān)聯(lián)的多方程組，利用數(shù)學(xué)演算推導(dǎo)，逐個(gè)消除時(shí)間低次項(xiàng)，得到相位與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)項(xiàng)、時(shí)間有關(guān)的高次項(xiàng)之間的關(guān)系。在考慮勻速或勻加速運(yùn)動(dòng)中，高次項(xiàng)幾乎為零的情況下，認(rèn)為消除了運(yùn)動(dòng)誤差的影響，這種方案不適合規(guī)則性差的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，且它對(duì)所選取的波長點(diǎn)相位計(jì)算精度要求嚴(yán)格，否則又會(huì)帶來更大的計(jì)算誤差。
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第2章 基于電流調(diào)制的絕對(duì)距離測量系統(tǒng)及原理


本文編號(hào)：8486