CN104655025A - 激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置。包括光源***、波长杠杆式激光干涉***和干涉信号处理及控制***；光源***输出波长分别为λ₁和λ₂的正交线偏振光束，射向波长杠杆式激光干涉***，形成干涉光束射向干涉信号处理及控制***；在波长杠杆式激光干涉***中，合成波长与单波长和被测绝对距离与参考臂的角锥棱镜的运动位移形成波长杠杆式绝对距离测量关系；干涉信号处理及控制***负责检测两单波长干涉信号的相位差、计算被测绝对距离和控制光源***中波长λ₂的改变。本发明能实现任意绝对距离的测量，能实现合成波长到单波长的过渡，适用于大型精密装备制造、空间工程和计量技术等领域的大长度或大尺寸、高精度的绝对距离测量。

Description

激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置

技术领域

本发明涉及采用光学测量方法与装置，尤其是涉及一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置。

背景技术

随着科技的发展，大长度、高精度的绝对距离的精确测量在高端装备制造、空间工程和计量技术等方面的应用越来越广泛。如重型机器机架的测量、大型精密机床床身的测量、汽轮机和水轮机主轴长度的测量、水电站水轮发电机组定子和转子直径的测量、航空航天工业中飞机型架安装位置的测量、卫星编队飞行中对卫星的位置和姿态进行监测和高分辨率测距等，不仅要求在几十米甚至上百米的范围内距离测量精度能够达到微米量级甚至更低，同时还需要测量仪器装置的效率高，灵活性好，能适应无导轨测量条件。

绝对距离测量的方法主要分为两大类：飞行时间测量法和干涉测量法。在飞行时间测量法中，激光脉冲测距受限于皮秒级的时间测量精度，距离测量精度在毫米级；基于飞秒脉冲重合的光学平衡互相关法测量精度虽然可以达到亚微米级，但是测量距离必须是飞秒脉冲间隔距离的整数倍，不能实现任意绝对距离的测量；相移法通过测量调制的光波往返被测距离产生的相位延迟来测得飞行时间，该方法测量分辨率取决于最高调制频率对应的相位分辨率，而测量距离受限于最低调制频率对应的非模糊距离。激光干涉绝对距离测量方法主要包括频率扫描干涉法、飞秒脉冲色散干涉法和多波长干涉法。对于频率扫描法，频率扫描过程中被测距离的变化或波动会引入较大的误差，距离测量精度为10^-6；飞秒脉冲色散干涉法受限于频谱仪的分辨率，距离测量精度为10^-5；多波长干涉利用若干波长构成长度逐级增加的合成波长链，根据被测距离初测值和各级合成波长对应的小数干涉级次，从最高级合成波长开始逐级求解被测距离。采用多波长干涉法时，小数干涉级次的测量通常是采用拍波法、外差法和超外差法等测得，其中拍波法受光强直流漂移影响，距离测量精度小于10^-6，外差法和超外差法的光路结构中，外差光源受频率调制器件影响，合成波长稳定性较差，距离测量精度难以提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法与装置，利用两单波长形成的合成波长与单波长之间的一一对应关系，将被测绝对距离与参考臂中角锥棱镜的运动位移形成杠杆式关系，通过检测参考臂中角锥棱镜的运动位移来获得被测大长度的绝对距离，本发明的测量范围大、测量精度高、且可溯源到米定义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法，该方法的步骤如下：

1)第一激光器输出固定的波长λ₁，控制第二激光器输出可变的波长λ₂，使得波长λ₁和波长λ₂形成的首级合成波长λ_S1的一半大于被测绝对距离L，L为第二角锥棱镜和第三角锥棱镜之间的距离；

2)第一快门打开、第二快门关闭，此时从第二角锥棱镜返回的近端测量光束与参考光束形成干涉信号，移动第一角锥棱镜，使得第一光电探测器和第二探测器检测到的波长λ₂和波长λ₁的干涉信号相位差为

3)第一快门关闭、第二快门打开，此时从第三角锥棱镜返回的远端测量光束与参考光束形成干涉信号，第一光电探测器和第二探测器接收到的两路干涉信号相位差发生变化，再次移动第一角锥棱镜使得两路干涉信号的相位差等于0，记录第一角锥棱镜的运动位移为Δl；

4)首级合成波长λ_S1、波长λ₁、被测绝对距离L和第一角锥棱镜的运动位移Δl存在如下波长杠杆关系：

$\frac{L}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}=\frac{\mathrm{\Δl}}{{\mathrm{\λ}}_1},$

其中λ_S1＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|为波长λ₁和波长λ₂形成的首级合成波长，λ₁和λ₂为空气中的激光波长，根据上述波长杠杆关系，由计算机算出被测绝对距离的首次粗测值：

$L_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{S1}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δl};$

5)计算机通过控制器改变第二激光器输出的波长λ₂，使波长λ₁和波长λ₂形成一系列合成波长λ_S2＞λ_S3＞…＞λ_Sn，且每级合成波长λ_Si＞4u(L′_i-1)，i＝2，3，…，n，其中u(L′_i-1)为当合成波长为λ_Si-1时被测距离的估计值L′_i-1的测量不确定度，当i＝2时L′_i-1＝L₁，重复步骤2)、步骤3)，记录每次改变第二激光器波长λ₂时第一角锥棱镜的运动位移为Δl_i，根据步骤4)中波长杠杆关系，由计算机算出对应合成波长λ_Si小数部分的被测绝对距离的粗测值：

$L_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δ}{l}_i;$

计算机根据下式算出被测绝对距离L中包含的合成波长λ_Si的小数干涉级次值：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}=\frac{2L_i}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}},$

计算机根据下式算出被测绝对距离L中包含的合成波长λ_Si的整数干涉级次值：

$M_{\mathrm{Si}}=\mathrm{int}[\frac{2L_{i-1}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}+0.5-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}],$

其中int[]表示向下取整；

计算机根据下式算出被测绝对距离L的每次估计值：

$L_i^{\′}=(M_{\mathrm{Si}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}})\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{2};$

当4u(L′_n)＜λ₁时，计算机根据下式算出被测绝对距离：

$L=(M_n+{\mathrm{\ϵ}}_n)\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2},$

其中： ${\mathrm{\ϵ}}_n=\frac{2\mathrm{\Δ}{l}_i}{{\mathrm{\λ}}_1},M_n=\mathrm{int}[\frac{2L_n^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_1}+0.5-{\mathrm{\ϵ}}_n];$

结束测量。

二、一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置

本发明包括光源***、波长杠杆式激光干涉***和干涉信号处理及控制***；光源***输出波长分别为λ₁和λ₂的正交线偏振光束，射向波长杠杆式激光干涉***中的分光镜后，经波长杠杆式激光干涉***内的分光镜的近端或远端的测量光束经分光镜反射后，与透过分光镜的参考光束形成的干涉光束射向干涉信号处理及控制***中的偏振分光镜，干涉信号处理及控制***中的控制器控制光源***中的激光器输出波长为λ₂的线偏振光。

所述光源***，包括第一激光器、第二激光器、第一准直扩束器、第二准直扩束器、第一反射镜和第一偏振分光镜；第一激光器输出固定的波长λ₁且偏振方向平行于纸面的线偏振光，经第一准直扩束器后射向第一偏振分光镜，第二激光器输出可变的波长λ₂且偏振方向垂直于纸面的线偏振光，经第二准直扩束器后射向第一反射镜，经第一反射镜反射后射向第一偏振分光镜；波长为λ₁的线偏振光透过第一偏振分光镜后和波长为λ₂的线偏振光经第一偏振分光镜反射后，合成一束正交的线偏振光束。

所述波长杠杆式激光干涉***，包括第一分光镜、第二偏振分光镜、第一角锥棱镜、第二分光镜、第一快门、第二快门、第二反射镜、第三反射镜、第三分光镜、第二角锥棱镜和第三角锥棱镜；正交的线偏振光束射向第一分光镜后被分成反射的参考光束和透射的测量光束，参考光束射向第二偏振分光镜，其中波长为λ₂的线偏振光被第二偏振分光镜反射后射向第一分光镜，波长为λ₁的线偏振光透过第二偏振分光镜、射向第一角锥棱镜被反射后返回，再次透过第二偏振分光镜后射向第一分光镜，测量光束射向第二分光镜后被分成反射的近端测量光束和透射的远端测量光束，近端测量光束依次经过第一快门、第二反射镜、第二角锥棱镜和第三分光镜后射向第一分光镜，远端测量光束依次经过第二快门、第三角锥棱镜、第三反射镜和第三分光镜后射向第一分光镜；射向第一分光镜近端或远端的测量光束经第一分光镜反射后，与透过第一分光镜的参考光束形成干涉光束。

所述干涉信号处理及控制***，包括第三偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集模块、计算机和控制器；参考光束形成的干涉光束射向第三偏振分光镜，其中其中波长为λ₂的干涉光束被第三偏振分光镜反射后，由第一光电探测器接收，波长为λ₁的干涉光束透过第三偏振分光镜后，由第二光电探测器接收，两光电探测器输出的干涉信号分别送至数据采集模块，经数据采集模块处理后传输到计算机，计算机根据计算结果通过控制器改变第二激光器输出的波长λ₂的值。

所述的光源***中，第一激光器输出的激光波长λ₁是固定值，第二激光器输出的波长λ₂是可变的。

所述的波长杠杆式激光干涉***中，由第二偏振分光镜和第一角锥棱镜构成参考臂；由第二分光镜、第一快门、第二快门、第二反射镜、第三反射镜、第三分光镜、第二角锥棱镜和第三角锥棱镜构成测量臂。

所述的波长杠杆式激光干涉***中，波长为λ₁的线偏振光和波长为λ₂的线偏振光在测量臂形成的合成波长λ_S与参考臂中射向第一角锥棱镜的线偏振光的波长λ₁有一一对应关系，测量臂中的被测绝对距离与参考臂中第一角锥棱镜的运动位移形成杠杆式关系。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)利用波长杠杆原理，将大长度被测距离转化为易于检测的参考臂中角锥棱镜运动位移的测量，而不是通过相位检测获得合成波长小数干涉条纹级次，该方法易于实现；

(2)该方法能实现任意距离的绝对测量，并且当合成波长逐渐减小并过渡到单波长时，被测距离的测量精度可以达到纳米级，测量精度高。

(3)该方法能实现合成波长到单波长的过渡，结构简单，成本低，使用方便。

本发明主要适用于大型精密装备制造、空间工程和计量技术等领域所涉及的大长度或大尺寸、高精度的绝对距离测量与检测。

附图说明

图1是激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置框图。

图2是波长杠杆绝对距离测量示意图。

图中：10、第一激光器，11、第二激光器，12、第一准直扩束器，13、第二准直扩束器，14、第一反射镜，15、第一偏振分光镜，20、第一分光镜，21、第二偏振分光镜，22、第一角锥棱镜，23、第二分光镜，24、第一快门，25、第二快门，26、第二反射镜，27、第三反射镜，28、第三分光镜，29、第二角锥棱镜，210、第三角锥棱镜，30、第三偏振分光镜，31、第一光电探测器，32、第二光电探测器，33、数据采集模块，34、计算机，35、控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括光源***I、波长杠杆式激光干涉***II和干涉信号处理及控制***III；光源***I输出波长分别为λ₁和λ₂的正交线偏振光束，射向波长杠杆式激光干涉***II中的分光镜后，经波长杠杆式激光干涉***II内的分光镜的近端或远端的测量光束经分光镜反射后，与透过分光镜的参考光束形成的干涉光束射向干涉信号处理及控制***III中的偏振分光镜，干涉信号处理及控制***III中的控制器控制光源***I中的激光器输出波长为λ₂的线偏振光。

所述光源***I，包括第一激光器10、第二激光器11、第一准直扩束器12、第二准直扩束器13、第一反射镜14和第一偏振分光镜15；第一激光器10输出固定的波长λ₁且偏振方向平行于纸面的线偏振光，经第一准直扩束器12后射向第一偏振分光镜15，第二激光器11输出可变的波长λ₂且偏振方向垂直于纸面的线偏振光，经第二准直扩束器13后射向第一反射镜14，经第一反射镜14反射后射向第一偏振分光镜15；波长为λ₁的线偏振光透过第一偏振分光镜15后和波长为λ₂的线偏振光经第一偏振分光镜15反射后，合成一束正交的线偏振光束。

所述波长杠杆式激光干涉***II，包括第一分光镜20、第二偏振分光镜21、第一角锥棱镜22、第二分光镜23、第一快门24、第二快门25、第二反射镜26、第三反射镜27、第三分光镜28、第二角锥棱镜29和第三角锥棱镜210；正交的线偏振光束射向第一分光镜20后被分成反射的参考光束和透射的测量光束，参考光束射向第二偏振分光镜21，其中波长为λ₂的线偏振光被第二偏振分光镜21反射后射向第一分光镜20，波长为λ₁的线偏振光透过第二偏振分光镜21、射向第一角锥棱镜22被反射后返回，再次透过第二偏振分光镜21后射向第一分光镜20，测量光束射向第二分光镜23后被分成反射的近端测量光束和透射的远端测量光束，近端测量光束依次经过第一快门24、第二反射镜26、第二角锥棱镜29和第三分光镜28后射向第一分光镜20，远端测量光束依次经过第二快门25、第三角锥棱镜210、第三反射镜27和第三分光镜28后射向第一分光镜20；射向第一分光镜20近端或远端的测量光束经第一分光镜20反射后，与透过第一分光镜20的参考光束形成干涉光束。

所述干涉信号处理及控制***III，包括第三偏振分光镜30、第一光电探测器31、第二光电探测器32、数据采集模块33、计算机34和控制器35；参考光束形成的干涉光束射向第三偏振分光镜30，其中其中波长为λ₂的干涉光束被第三偏振分光镜30反射后，由第一光电探测器31接收，波长为λ₁的干涉光束透过第三偏振分光镜30后，由第二光电探测器32接收，两光电探测器输出的干涉信号分别送至数据采集模块33，经数据采集模块33处理后传输到计算机34，计算机34根据计算结果通过控制器35改变第二激光器11输出的波长λ₂的值。

所述的光源***I中，第一激光器10输出的激光波长λ₁是固定值，第二激光器11输出的波长λ₂是可变的。

所述的波长杠杆式激光干涉***II中，由第二偏振分光镜21和第一角锥棱镜22构成参考臂；由第二分光镜23、第一快门24、第二快门25、第二反射镜26、第三反射镜27、第三分光镜28、第二角锥棱镜29和第三角锥棱镜210构成测量臂。

所述的波长杠杆式激光干涉***II中，波长为λ₁的线偏振光和波长为λ₂的线偏振光在测量臂形成的合成波长λ_S与参考臂中射向第一角锥棱镜22的线偏振光的波长λ₁有一一对应关系，测量臂中的被测绝对距离与参考臂中第一角锥棱镜22的运动位移形成杠杆式关系。

所述的波长杠杆式激光干涉***II中，当第一快门24打开、第二快门25关闭时，射向第一分光镜20的近端测量光束与射向第一分光镜20的参考光束形成干涉；当第一快门24关闭、第二快门25打开时，射向第一分光镜20的远端测量光束与射向第一分光镜20的参考光束形成干涉；即通过第一快门24和第二快门25的交替打开和关闭，近端测量光束和远端测量光束分别与参考光束形成干涉。

具体实施中的第一激光器10采用德国Toptica公司的一台DL Pro 633型可调谐半导体激光器，输出固定波长λ₁为631nm，第二激光器11采用德国Toptica公司的另一台DL Pro 633型可调谐半导体激光器，输出波长λ₂的范围为630nm-637nm，第一光电探测器31和第二光电探测器32采用北京索阳光电技术有限公司的S09105型PIN光电探测器，数据采集模块33采用凌华科技有限公司的PCI-9820型数据采集卡，计算机34采用惠普公司的Pro4500台式机，控制器35采用德国Toptica公司的Digilock110型控制器。

在图1中，光路中的竖直短线表示偏振方向平行于纸面波长为λ₁的光束，黑点表示偏振方向垂直于纸面波长为λ₂的光束。

结合图2所示，本发明激光干涉波长杠杆式绝对距离测量的具体实施过程如下：

(1)第一激光器10输出固定波长λ₁的线偏振光，控制第二激光器11输出一可变波长λ₂的线偏振光，使得波长λ₁和波长λ₂形成的首级合成波长λ_S1的一半大于被测绝对距离L(L为第二角锥棱镜29和第三角锥棱镜210之间的距离)；

(2)第一快门24打开、第二快门25关闭，此时从第二角锥棱镜29返回的近端测量光束与参考光束形成干涉，第一探测器31和第二探测器32检测到的波长λ₂和波长λ₁的干涉信号分别为：

移动第一角锥棱镜22，使得数据采集模块33检测到的两路干涉信号之间的相位差为零，即有：

式中：L_R为第一分光镜20到第二角锥棱镜29和第一分光镜20到第二偏振分光镜21的距离差，L_M为第二偏振分光镜21与第一角锥棱镜22之间的距离差，λ₁和λ₂为空气中的激光波长，λ₁＝λ₁₀/n₁，λ₂＝λ₂₀/n₂(λ₁₀和λ₂₀为真空激光波长，n₁和n₂为空气折射率，n₁和n₂通过测量空气的温度、湿度、压强和二氧化碳含量由Edlén公式算得)，λ_S1＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|为波长λ₁和λ₂形成的首级合成波长；

(3)第一快门24关闭、第二快门25打开，此时从第三角锥棱镜210返回的测量光束与参考光束形成干涉，被测距离L的引入使得两路干涉信号之间的相位差变为：

(4)为了测得该被测距离L，第一角锥棱镜22移动一微小距离Δl，即L_M→L_M±Δl，此时两路干涉信号之间的相位差变为：

当λ₂＞λ₁时，第一角锥棱镜22向靠近第二偏振分光镜21的方向运动，Δl前面的符号取正号；当λ₂＜λ₁时，第一角锥棱镜22向远离第二偏振分光镜21的方向运动，Δl前面的符号取负号；

第一角锥棱镜22移动的微小距离Δl应满足结合公式(3)和公式(5)，合成波长λ_S1、波长λ₁、被测绝对距离L和第一角锥棱镜22的运动位移Δl之间建立了如下波长杠杆关系：

$\frac{L}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}=\frac{\mathrm{\Δl}}{{\mathrm{\λ}}_1}---\left(6\right)$

该波长杠杆关系，如图2所示，根据该波长杠杆关系，由计算机34算出被测绝对距离的首次粗测值：

$L_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{S1}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δl}---\left(7\right)$

(5)计算机34通过控制器35改变第二激光器11的输出波长λ₂，使波长λ₁和波长λ₂形成一系列合成波长λ_S2＞λ_S3＞…＞λ_Sn，且每级合成波长λ_Si＞4u(L′_i-1)(i＝2，3，…，n)，其中u(L′_i-1)为当合成波长为λ_Si-1时被测距离的估计值L′_i-1的测量不确定度(当i＝2时L′_i-1＝L₁)，对每一级合成波长λ_Si，重复步骤(2)和步骤(3)，记录每次改变第二激光器11波长λ₂时第一角锥棱镜22的运动位移为Δl_i，公式(5)变为：

在公式(8)中当被测距离L大于λ_Si/2时，包含2π的整数倍和小数部分，表示为另外一种形式：

结合公式(8)和公式(9)，被测距离的估计值L′_i表示为：

$L_i^{\′}=(M_{\mathrm{Si}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}})\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{2}---\left(10\right)$

式中：M_Si和ε_Si分别表示被测距离中包含的合成波长λ_Si的整数和小数干涉级次；

重复步骤(4)，由计算机34算出对应合成波长λ_Si小数部分的被测绝对距离的粗测值：

$L_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δ}{l}_i---\left(11\right)$

被测绝对距离L中包含的合成波长λ_Si的小数干涉级次值为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}=\frac{2L_i}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}---\left(12\right)$

被测绝对距离L中包含的合成波长λ_Si的整数干涉纹级次M_Si由上一级合成波长测得的被测绝对距离的估计值L′_i-1和当前测得的小数干涉级次ε_Si根据下式求得：

$M_{\mathrm{Si}}=\mathrm{int}[\frac{2L_{i-1}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}+0.5-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}]---\left(13\right)$

其中int[]表示向下取整；

将求得的M_Si和ε_Si代入公式(10)，由计算机34算出合成波长为λ_Si时的被测绝对距离的估计值L_′i；

将公式(11)代入公式(12)，得到：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}=\frac{2\mathrm{\Δ}{l}_i}{{\mathrm{\λ}}_1}---\left(14\right)$

将公式(14)代入公式(14)，得到：

$L_i^{\′}=M_{\mathrm{Si}}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δ}{l}_i---\left(15\right)$

由公式(15)，得到被测绝对距离的估计值L′_i的测量不确定度为：

$u\left(L_i^{\′}\right)=\sqrt{{(\frac{M_{\mathrm{Si}}}{2}\·u\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}\right))}^2+{(\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·u\left(\mathrm{\Δ}{l}_i\right))}^2+{(\frac{\mathrm{\Δ}{l}_i}{{\mathrm{\λ}}_1}\·u\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}\right))}^2+{(\frac{\mathrm{\Δ}{l}_i{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{{{\mathrm{\λ}}_1}^2}\·u\left({\mathrm{\λ}}_1\right))}^2}---\left(16\right)$

公式(16)表明：被测绝对距离的估计值L′_i的测量不确定度u(L′_i)取决于合成波长λ_Si的整数值M_Si、合成波长λ_Si的不确定度u(λ_Si)、波长λ₁的不确定度u(λ₁)和第一角锥棱镜22的运动位移Δl_i的不确定度u(Δl_i)；

对于不同的i，重复步骤(5)，当4u(L′_n)＜λ₁时，计算机34根据下式算出被测绝对距离：

$L=(M_n+{\mathrm{\ϵ}}_n)\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}---\left(17\right)$

其中： ${\mathrm{\ϵ}}_n=\frac{2\mathrm{\Δ}{l}_i}{{\mathrm{\λ}}_1},M_n=\mathrm{int}[\frac{2L_n^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_1}+0.5-{\mathrm{\ϵ}}_n];$

以测量50m的绝对距离为例，当第一激光器10输出的波长λ₁＝631nm、u(Δl_i)＝0.0003μm、真空波长λ₁₀和λ₂₀的相对不确定度为10^-10和空气折射率测量的相对不确定度为10^-9时，空气中波长λ₁、λ₂和λ_Si的相对不确定度为10^-9，经过4级合成波长测量后，被测绝对距离的测量不确定度达到0.06μm，满足4u(L′_n)＜λ₁，具体数据如表1。

表1.被测绝对距离L＝50m时的四级合成波长值及对应测量结果

根据公式(17)计算出被测绝对距离L＝49999999.98μm，绝对距离测量的相对精度为3.54×10^-10。

由此可见，本发明实现了大长度绝对距离的精密测量，测量精度高；并且光路结构简单，使用方便，具有突出显著的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1)第一激光器(10)输出固定的波长λ₁，控制第二激光器(11)输出可变的波长λ₂，使得波长λ₁和波长λ₂形成的首级合成波长λ_S1的一半大于被测绝对距离L，L为第二角锥棱镜(29)和第三角锥棱镜(210)之间的距离；

2)第一快门(24)打开、第二快门(25)关闭，此时从第二角锥棱镜(29)返回的近端测量光束与参考光束形成干涉信号，移动第一角锥棱镜(22)，使得第一光电探测器(31)和第二探测器(32)检测到的波长λ₂和波长λ₁的干涉信号相位差为

3)第一快门(24)关闭、第二快门(25)打开，此时从第三角锥棱镜(210)返回的远端测量光束与参考光束形成干涉信号，第一光电探测器(31)和第二探测器(32)接收到的两路干涉信号相位差发生变化，再次移动第一角锥棱镜(22)使得两路干涉信号的相位差等于0，记录第一角锥棱镜(22)的运动位移为Δl；

4)首级合成波长λ_S1、波长λ₁、被测绝对距离L和第一角锥棱镜(22)的运动位移Δl存在如下波长杠杆关系：

$\frac{L}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}=\frac{\mathrm{\Δl}}{{\mathrm{\λ}}_1},$

其中λ_S1＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|为波长λ₁和波长λ₂形成的首级合成波长，λ₁和λ₂为空气中的激光波长，根据上述波长杠杆关系，由计算机(34)算出被测绝对距离的首次粗测值：

$L_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{S1}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δl};$

5)计算机(34)通过控制器(35)改变第二激光器(11)输出的波长λ₂，使波长λ₁和波长λ₂形成一系列合成波长λ_S2＞λ_S3＞…＞λ_Sn，且每级合成波长λ_Si＞4u(L′_i-1)，i＝2，3，…，n，其中u(L′_i-1)为当合成波长为λ_Si-1时被测距离的估计值L′_i-1的测量不确定度，当i＝2时L′_i-1＝L₁，重复步骤2)、步骤3)，记录每次改变第二激光器(11)波长λ₂时第一角锥棱镜(22)的运动位移为Δl_i，根据步骤4)中波长杠杆关系，由计算机(34)算出对应合成波长λ_Si小数部分的被测绝对距离的粗测值：

$L_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\Δ}{l}_i;$

计算机(34)根据下式算出被测绝对距离L中包含的合成波长λ_Si的小数干涉级次值：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}=\frac{2L_i}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}},$

计算机(34)根据下式算出被测绝对距离L中包含的合成波长λ_Si的整数干涉级次值：

$M_{\mathrm{Si}}=\mathrm{int}[\frac{2L_{i-1}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}+0.5-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}],$

其中int[]表示向下取整；

计算机(34)根据下式算出被测绝对距离L的每次估计值：

$L_i^{\′}=(M_{\mathrm{Si}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}})\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Si}}}{2};$

当4u(L′_n)＜λ₁时，计算机(34)根据下式算出被测绝对距离：

$L=(M_n+{\mathrm{\ϵ}}_n)\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2},$

其中： ${\mathrm{\ϵ}}_n=\frac{2\mathrm{\Δ}{l}_i}{{\mathrm{\λ}}_1},M_n=\mathrm{int}[\frac{2L_n^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_1}+0.5-{\mathrm{\ϵ}}_n];$

结束测量。

2.根据权利要求1所述方法的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：包括光源***(I)、波长杠杆式激光干涉***(II)和干涉信号处理及控制***(III)；光源***(I)输出波长分别为λ₁和λ₂的正交线偏振光束，射向波长杠杆式激光干涉***(II)中的分光镜后，经波长杠杆式激光干涉***(II)内的分光镜的近端或远端的测量光束经分光镜反射后，与透过分光镜的参考光束形成的干涉光束射向干涉信号处理及控制***(III)中的偏振分光镜，干涉信号处理及控制***(III)中的控制器控制光源***(I)中的激光器输出波长为λ₂的线偏振光。

3.根据权利要求2所述的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：所述光源***(I)，包括第一激光器(10)、第二激光器(11)、第一准直扩束器(12)、第二准直扩束器(13)、第一反射镜(14)和第一偏振分光镜(15)；第一激光器(10)输出固定的波长λ₁且偏振方向平行于纸面的线偏振光，经第一准直扩束器(12)后射向第一偏振分光镜(15)，第二激光器(11)输出可变的波长λ₂且偏振方向垂直于纸面的线偏振光，经第二准直扩束器(13)后射向第一反射镜(14)，经第一反射镜(14)反射后射向第一偏振分光镜(15)；波长为λ₁的线偏振光透过第一偏振分光镜(15)后和波长为λ₂的线偏振光经第一偏振分光镜(15)反射后，合成一束正交的线偏振光束。

4.根据权利要求2所述的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：所述波长杠杆式激光干涉***(II)，包括第一分光镜(20)、第二偏振分光镜(21)、第一角锥棱镜(22)、第二分光镜(23)、第一快门(24)、第二快门(25)、第二反射镜(26)、第三反射镜(27)、第三分光镜(28)、第二角锥棱镜(29)和第三角锥棱镜(210)；正交的线偏振光束射向第一分光镜(20)后被分成反射的参考光束和透射的测量光束，参考光束射向第二偏振分光镜(21)，其中波长为λ₂的线偏振光被第二偏振分光镜(21)反射后射向第一分光镜(20)，波长为λ₁的线偏振光透过第二偏振分光镜(21)、射向第一角锥棱镜(22)被反射后返回，再次透过第二偏振分光镜(21)后射向第一分光镜(20)，测量光束射向第二分光镜(23)后被分成反射的近端测量光束和透射的远端测量光束，近端测量光束依次经过第一快门(24)、第二反射镜(26)、第二角锥棱镜(29)和第三分光镜(28)后射向第一分光镜(20)，远端测量光束依次经过第二快门(25)、第三角锥棱镜(210)、第三反射镜(27)和第三分光镜(28)后射向第一分光镜(20)；射向第一分光镜(20)近端或远端的测量光束经第一分光镜(20)反射后，与透过第一分光镜(20)的参考光束形成干涉光束。

5.根据权利要求2所述的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：所述干涉信号处理及控制***(III)，包括第三偏振分光镜(30)、第一光电探测器(31)、第二光电探测器(32)、数据采集模块(33)、计算机(34)和控制器(35)；参考光束形成的干涉光束射向第三偏振分光镜(30)，其中其中波长为λ₂的干涉光束被第三偏振分光镜(30)反射后，由第一光电探测器(31)接收，波长为λ₁的干涉光束透过第三偏振分光镜(30)后，由第二光电探测器(32)接收，两光电探测器输出的干涉信号分别送至数据采集模块(33)，经数据采集模块(33)处理后传输到计算机(34)，计算机(34)根据计算结果通过控制器(35)改变第二激光器(11)输出的波长λ₂的值。

6.根据权利要求3所述的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：所述的光源***(I)中，第一激光器(10)输出的激光波长λ₁是固定值，第二激光器(11)输出的波长λ₂是可变的。

7.根据权利要求4所述的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：所述的波长杠杆式激光干涉***(II)中，由第二偏振分光镜(21)和第一角锥棱镜(22)构成参考臂；由第二分光镜(23)、第一快门(24)、第二快门(25)、第二反射镜(26)、第三反射镜(27)、第三分光镜(28)、第二角锥棱镜(29)和第三角锥棱镜(210)构成测量臂。

8.根据权利要求4所述的一种激光干涉波长杠杆式绝对距离测量装置，其特征在于：所述的波长杠杆式激光干涉***(II)中，波长为λ₁的线偏振光和波长为λ₂的线偏振光在测量臂形成的合成波长λ_S与参考臂中射向第一角锥棱镜(22)的线偏振光的波长λ₁有一一对应关系，测量臂中的被测绝对距离与参考臂中第一角锥棱镜(22)的运动位移形成杠杆式关系。