干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光测量技术领域，主要设及一种干设量分离激光干设测振仪非线性 误差修正方法及装置。
【背景技术】
[0002] 21世纪W来，随着科学研究及工业制造的飞速发展，振动测量在军事及民用领域 的意义被愈发凸显。随着超精密测量技术的发展，激光干设测振法已经成为目前振动测量 领域的常用技术。激光干设测振法是线位移激光干设仪测量的衍生方案，其对线位移激光 干设仪改进、加入透镜变焦系统等，具有测量精度高、动态测量范围大的特点。因此，激光干 设测振仪的测量精度取决于线位移激光干设仪的测量精度。线位移单频激光干设仪相比于 双频线位移激光干设仪具有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低等多种优点，其测 量速度在原理上不受限制，因而是高速长度测量领域的主要手段。然而，非线性误差一直是 限制线位移单频激光干设仪精度的关键问题。
[0003] 1981年，Heydemann提出利用最小二乘法的楠圆拟合方法获取干设信号中的 非线性误差参数进而对非线性误差进行修正（P.L.M.H巧demann，Determinationand correctionofquadraturefringemeasurementerrorsininterferometers.Appl. 化t. 1981,20 =3382-3384);德国联邦物理技术研究院的Dai提出利用ADC探测四通道 线位移单频激光干设仪各通道信号的峰谷值实时提取非线性误差参数并对其做出修正 (Dai,G. -L. ;Pohlenz，F. ;Danzebrink，H.-U. ;Hasche，K. ；Wilkening,G.Improvingthe performanceofinterferometersinmetrologicalscanningprobemicroscopes. Meas.Sci.Technol. 2004,15 ;444-450)，称其为实时Heydemann修正方法。然而上述该些方 法一般都需要目标镜位移达到A/2才可对信号非线性误差参数做出较准确的识别，当目 标镜位移小于A/2时，测得的数据离散性较高，无法对非线性误差参数做出准确识别，因 而修正的效果不好。
[0004] 2012年，Rerucha提出通过调制激光光源频率的方法，实现线位移单频激光干设 仪在准静态下非线性误差参数的识别巧eruchaS，BuchtaZ，Sarbo;rtM，etal.Detection ofinterferencephasebydigitalcomputationofquadraturesignalsinhomodyne laserinte;rfe;romet;ry.Sensors, 2012,12 (10) ;14095-14112)，然而该种方法需要附加可 调制激光光源，而且识别需要一定的时间。
[0005] 另外，被测量的振动目标多为漫反射的非合作目标，对于不同目标，测量光束 回波的强度变化较大，此时需要多次对单频激光干设测振仪非线性参数的进行提取，而 Heydemann拟合法和调制激光光源法有相对比较耗时，因而对系统的测量速度有较大影响。
【发明内容】
[0006] 针对上述化ydemann修正方法在振动目标位移小于A/2时无法准确识别非线性 误差参数并修正，光源调制法识别非线性误差需要可调制激光光源，W及对不同反射率的 振动非合作目标的测量需要多次快速识别非线性误差参数的问题，本发明提出和研发了一 种干设量分离单频激光干设测振仪非线性误差修正方法及装置，实现了单频激光干设测振 仪开机即获得非线性误差参数、并在振动测量时做出修正的目的。
[0007] 本发明的目的通过W下技术方案实现：
[000引一种干设量分离激光干设测振仪非线性误差修正方法，该方法步骤如下：
[0009] (1)打开单频激光干设测振仪，位于参考光路和测量光路上的光开关Sf、Sm同时切 换至打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离为参考光束和测量光束，参考光 束先后通过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后原路返回；同时调整透镜系统，使测量光 束先后通过1/4波片、光开关、透镜系统照射振动目标后，回波信号被透镜系统汇聚准直后 原路返回；两束激光偏振态被旋转90°后再次入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的 正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差n/2的相干光；
[0010] 似使Sr切换至打开状态，同时Sm切换至关闭状态；此时测量光束被光开关Sm阻 断，参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号 Ifl、1找、I。、If4；
[ocm] (3)使Sf切换至关闭状态，同时Sm切换至打开状态；此时参考光束被光开关Sf阻 断，测量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号 Iffll、Im2、IffiS、Im4；
[001引 （4)重新使两个光开关Sf、Sm同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可 正常通过光开关Sf、Sm，单频激光干设测振仪正常工作，完成对目标的测量；此时四路探测 器上的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号II、12、13、L。
[0013] (5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算
【主权项】
1. 一种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法，其特征在于：所述方法步骤 如下： (1)打开单频激光干涉测振仪，位于参考光路和测量光路上的光开关SpSm同时切换至 打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离为参考光束和测量光束，参考光束先 后通过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后原路返回；同时调整透镜系统，使测量光束先 后通过1/4波片、光开关、透镜系统照射振动目标后，回波信号被透镜系统汇聚准直后原路 返回；两束激光偏振态被旋转90°后再次入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交 的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差 π/2的相干光； ⑵使SJU换至打开状态，同时S m切换至关闭状态；此时测量光束被光开关S m阻断， 参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Irt、 Ir2·? Ir3、Ir4， (3) 使SJU换至关闭状态，同时S m切换至打开状态；此时参考光束被光开关S J且断， 测量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Iml、 Im2' Im3' Im4! (4) 重新使两个光开关S^Sm同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可正常 通过光开关Sm，单频激光干涉测振仪正常工作，完成对目标的测量；此时四路探测器上 的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号Ip 12、13、14。 (5) 对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算
可去除四通道单频激光干涉测振仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏 置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，空气折射率为n，则可求得被测 振动目标的瞬时位移值为：
对位移-时间图进行分析，可获得振动目标的振幅和振动频率。
2. -种干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正装置，在稳频激光器（1)的出射光 路上依次配置偏振分光棱镜A (2)、1/4波片B (6)、凸透镜A (8)、凸透镜B (9)和被测振动目 标（10)，所述1/4波片B(6)位于x、y平面内，且与偏振分光棱镜A(2)同轴，1/4波片B(6) 快轴方向与y轴逆时针成45°，所述凸透镜A(8)、凸透镜B(9)和被测振动目标（10)与1/4 波片B (6)平行；在所述偏振分光棱镜A (2)的反射光路上依次配置1/4波片A (3)和参考反 射镜（5)，所述1/4波片A(3)位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A(2)同轴，1/4波片A(3) 快轴方向与y轴顺时针成45°，所述参考反射镜（5)与1/4波片A(3)平行；在所述偏振分 光棱镜A(2)的位于参考反射镜（5)的相对侧部处依次配置1/2波片（11)、消偏振分光棱镜 (12)和偏振分光棱镜B (13)，所述1/2波片（11)位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A(2) 同轴，1/2波片（11)快轴方向与y轴顺时针成22. 5° ;所述偏振分光棱镜B (13)与消偏振 分光棱镜（12)相互平行且同轴，在所述偏振分光棱镜B(13)的透射光路和反射光路上分别 配置光电探测器A (14)和光电探测器器B (15);在所述消偏振分光棱镜（12)的反射光路上 一次配置1/4波片C (16)和偏振分光棱镜C (17)，所述1/4波片C (16)位于x、y平面内，且 与消偏振分光棱镜（12)同轴，1/4波片C(16)快轴方向与y轴逆时针成45° ;光电探测器 C (18)和光电探测器D (19)分别配置在偏振分光棱镜C (17)透射光路和反射光路上；所述 偏振分光棱镜八、8、(：(2、13、17)与消偏振分光棱镜（12)的底面均位于1、 2平面内，且共面； 其特征在于：光开关A(4)与参考反射镜（5)相互平行且同轴地配置在1/4波片A(3)和参 考反射镜（5)之间；光开关B(7)与凸透镜A(8)相互平行且同轴地配置在1/4波片B(6)和 凸透镜A (8)之间。
3. 根据权利要求2所述的干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正装置，其特征在 于：所述1/2波片（11)和1/4波片C(16)的位置可以互换，快轴方向不变。
4. 根据权利要求2所述的干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正装置，其特征在 于：所述的参考反射镜（5)包括平面镜、角锥棱镜。
【专利摘要】干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置属于激光测量技术领域，本发明利用光开关实现对参考光和测量光强度的分离测量，进而提取出相关光信号中的非线性误差参数，最终对正交信号的直流偏置误差和幅值不等误差进行矫正；本发明实现了对单频激光干涉测振仪信号中非线性误差参数的开机即提取、对单频激光干涉测振仪中的非线性误差做出快速实时修正的技术效果。
【IPC分类】G01H9-00
【公开号】CN104748835
【申请号】CN201510109989
【发明人】谭久彬, 胡鹏程, 朱静浩, 郭玄标
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月5日