基于飞秒激光模间拍频法的大尺寸测距方法

本文基于飞秒激光模间拍频法实现多波长相位式绝对距离测量,通过改变光频梳重复频率合成波长扩大测距量程,并采用监测臂和双快门切换系统补偿和消除由电路产生的相位差单向漂移和大幅抖动.实验中以20倍重复频率的拍频进行测量,在30 min内相位测量的标准偏差为0.022?;与双频激光干涉仪比对1125 mm行程内位移测量结果,测距精度优于50μm;实验验证了合成波长方法扩大量程方案的可行性,获得的测距重复性优于3μm,该系统理论上可扩展量程至7.5 km.

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4m的测量范围内,扫描距离从0.56mm增加到1.12mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50m范围内的测量精度从11μm提高到4μm,相对精度从2.2×10^-9提高到8×10^-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10μm提高到2μm,最大相对稳定性从2×10^-9提高到4×10^-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。

双光梳绝对距离测量实验研究

长度测量作为几何量测量关键共性基础技术之一,在科学研究、高端装备制造及空间探测等领域有着重要的应用。双光梳绝对测距技术充分发挥了光学频率梳的时域超短脉冲和频域高分辨特性,实现了高测量速率的绝对距离测量。目前双光梳测距存在测量范围小、测量精度低的问题,为解决此问题,提出了一种基于双光梳测距技术与相位测距技术相结合的方案,采用双光梳测距技术实现非模糊距离范围内长度的高精度测量,利用相位测距技术实现非模糊距离整数倍测量及指示功能,作为双光梳测距高精度测量的有效补充。搭建实验系统对该方案的可行性进行验证,结果表明在0~70 m的测量范围内,测量误差小于±5μm。