CN107942339A - 一种光子计数激光干涉测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子计数激光干涉测距方法，该方法将激光干涉仪与激光三角测距相结合，采用激光三角测距的方式测量待测距物体的低精度距离并且使用待测距物体的低精度距离消除激光干涉仪中多波长距离不确定问题，最终实现高精度的非合作目标距离测量。本发明的优点是，通过在干涉中单光子探测器的应用，能够对极微弱的回波光进行探测，从而实现非合作目标的干涉测距；同时，结合本发明中的三角测距模块，仅采用少数波长的激光，解决了大量程干涉周期不确定的问题，增加测量的范围。

Description

一种光子计数激光干涉测距方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种光子计数激光干涉测距方法。

背景技术

目前，激光三角测距法是当前非合作目标高精度激光测距最为成熟以及应用最为广泛的方法，在10毫米的测量范围内测量精度可以达到1微米，受到CCD（或CMOS）传感器像素尺寸的制约，该方法很难进一步提高测量精度。

迈克尔逊激光干涉仪的工作原理是通过分光镜，使入射光分为两束相互垂直的光束，由两臂反射镜反射后再汇聚到同一光路，两束汇聚光束满足干涉条件，从而形成干涉条纹。干涉条纹改变周期为半个波长，即当臂长差产生细微变化时，干涉相位会产生极大变化。因此，激光干涉仪可以极其精准地测量臂长差的变化。近年来，激光干涉仪在各个领域都有很广泛的应用，在长度测量、折射率测定、波长测量、光学元件检验等方面都起着很重要的作用。

传统的激光干涉仪测距法在对距离进行测量时，可以达到极高的测量精度，精度可以优于1纳米。但是，在所有的干涉法测距中，由于需要有较强的反射光，形成高对比度干涉条纹，然后通过光电探测器探测，通常只有合作目标才适合，限制了干涉测距的应用范围。

为了实现干涉测距的更多应用，势必要解决该问题，当对非合作目标进行干涉测距时，由于激光在物体表面产生漫反射，导致回波光太弱，无法实现相位探测。因此，对微弱的回波光实现高灵敏探测，是解决该问题的有效方法。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种光子计数激光干涉测距方法，该方法通过将迈克尔逊干涉仪与激光三角测距相结合，实现非合作目标的精密测距。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1）将待测距物体的表面作为激光干涉仪的第一反射面，使用多波长激光光源作为所述激光干涉仪的光源；使用所述激光干涉仪依次采用n种不同波长的激光对所述待测距物体进行测距，通过测量得到所述激光干涉仪采用波长为λ_k的激光时所述激光干涉仪的激光干涉仪相位差φ_k，其中n为大于或等于2的正整数，k为大于0且小于等于n的正整数；

2）将激光三角测距模块朝向所述待测距物体的反射面，使用所述激光干涉仪以及所述激光三角测距模块采用激光三角测距的方式测量所述待测距物体的低精度距离D'；

3）使用各种波长的激光对应的激光干涉仪相位差以及所述低精度距离D'计算所述待测距物体的高精度距离D。

测量所述激光干涉仪采用波长为λ_k的激光时所述激光干涉仪的激光干涉仪相位差φ_k具体包括以下步骤：调节所述多波长激光光源使其输出波长为λ_k的激光，所述激光经过所述激光干涉仪的分光镜分为测量臂光束和参考臂光束；所述测量臂光束经过所述待测距物体反射后返回所述分光镜，同时所述参考臂光束经过所述激光干涉仪的第二反射镜的反射后返回所述分光镜；所述分光镜将返回的所述测量臂光束以及所述参考臂光束汇聚合成为干涉光束，所述干涉光束射向单光子探测器，所述单光子探测器用于对所述干涉光束的光子进行计数；所述第二反射镜安装在位置调节装置上；测量过程中，首先使用所述单光子探测器测量所述反射光束的光子计数K，随后使用所述位置调节装置调整所述第二反射镜的位置，在调节过程中，测量所述反射光束的最大光子计数K_MAX和最小光子计数K_MIN；激光干涉仪相位差φ_k的计算公式如下所示：

，

其中，cos^-1为反余弦函数。

所述激光三角测距模块为CCD相机或CMOS相机；测量所述待测距物体的低精度距离D'的过程中，所述测量臂光束经过所述待测距物体漫反射后，部分测量臂光束射向所述激光三角测距模块；所述激光三角测距模块依据其自身的位置、所述测量臂光束的位置以及所述激光三角测距模块接收到的光信号计算所述待测距物体的低精度距离D'。

所述第二反射镜与所述分光镜之间设置有衰减片。

计算所述待测距物体的高精度距离D具体包括以下步骤：

1）计算所述激光干涉仪的最大非模糊测量距离L_S，所述最大非模糊测量距离L_S为所述激光干涉仪采用的各种激光的半波长的最小公倍数，所述最大非模糊测量距离L_S的计算公式如下所示：

，

其中，λ_k为所述激光干涉仪采用的激光的波长，n为所述激光干涉仪采用的激光的波长数量，k为大于0且小于等于n的正整数；

2）将低精度距离D'除以最大非模糊测量距离L_S，将相除得到的商向下取整得到合成周期个数M；

3）依次计算所述激光干涉次采用波长为λ_k的激光时所述待测距物体的最小距离l_k，计算过程中将低精度距离D'、波长λ_k、与波长λ_k对应的激光干涉仪相位差φ_k、所述激光三角测量装置的绝对误差R、最大非模糊测量距离L_S以及合成周期个数M代入如下所示的方程组：

其中，k为大于0且小于等于n的正整数，n为所述激光干涉仪采用的激光的波长数量；求解上述方程组的过程中，寻找变量m_k的非负整数解，将解出的变量m_k代入方程组中，并且与不同波长求得的距离l_k进行比较，取其中最为相近的解，即为波长为λ_k的激光对应的距离l_k；

4）将所述激光干涉仪采用的各种波长的激光相对应的距离l_k取平均值，得到合成距离l，并使用如下所示的公式计算所述待测距物体的高精度距离D：

D=M·L_S+l，

其中，M为合成周期个数，L_S为最大非模糊测量距离L_S。

所述待测距物体为非合作目标。

本发明的优点是，通过在干涉中单光子探测器的应用，能够对极微弱的回波光进行探测，从而实现非合作目标的干涉测距；同时，结合本发明中的三角测距模块，仅采用少数波长的激光，解决了大量程干涉周期不确定的问题，增加测量的范围。

附图说明

图1为本发明中使用的光子计数激光干涉测距装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，图中标记1-14分别为：激光干涉仪1、待测距物体2、多波长激光光源3、激光器4、合束镜5、分光镜6、第二反射镜7、衰减片8、位置调节装置9、单光子探测器10、数据采集和控制***11、压电晶体12、电压输出装置13、激光三角测距模块14。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种光子计数激光干涉测距方法，该方法采用迈克尔逊激光干涉仪测量臂长差，通过单光子探测器10探测非合作目标（待测距物体2）表面漫反射的微弱光子信号，获得波长范围内的高精度距离值。同时，利用激光干涉仪的激光，采用激光三角测距模块14以及三角测距技术，实现非合作目标（待测距物体2）的粗精度距离测量，消除激光干涉仪1中多波长距离不确定问题，最终实现高精度的非合作目标距离测量。

如图1所示，本实施例中，激光干涉仪1的第一反射面为待测距物体2的表面，激光干涉仪1的光源为多波长激光光源3；多波长激光光源3包括若干激光器4以及若干合束镜5，各激光器4具有不同的波长；合束镜5可以将各激光器4的输出光束汇聚合成一束，使得各个激光器4输出的光束具有相同的光路；合束镜5可以采用分光镜或者二向色镜进行实现；多波长激光光源3输出的激光波长可以根据需求进行调节，在调节多波长激光光源3的过程中，打开具有目标波长的激光器4，并关闭剩余的激光器4，多波长激光光源3即可输出目标波长的激光。

本实施例中，激光干涉仪1还包括分光镜6、第二反射镜7、衰减片8、位置调节装置9、单光子探测器10以及数据采集和控制***11；在激光干涉仪1工作的过程中，多波长激光光源3发射的激光经过分光镜6分为互相垂直的测量臂光束和参考臂光束；测量臂光束的光强远远大于参考臂光束的光强；测量臂光束经过待测距物体2反射后返回分光镜6，同时参考臂光束经过第二反射镜7的反射后返回分光镜6；分光镜6将返回的测量臂光束以及参考臂光束汇聚合成为干涉光束，干涉光束射向单光子探测器10，单光子探测器10用于对干涉光束的光子进行计数。

本实施例中，作为第一反射镜的待测距物体2为非合作目标，其反射面仅能进行漫反射，反射后测量臂光束光强度较低；为了使得反射后的测量臂光束与参考臂光束的光强度处于同一量级，第二反射镜7与分光镜6之间设置有衰减片8；参考臂光束两次穿过衰减片8，其光强度大大降低，可以和反射后的测量臂光束产生明显的干涉现象。

本实施例中，第二反射镜7安装在位置调节装置9上；位置调节装置9包括压电晶体12以及压电陶瓷控制器13，第二反射镜7的背面与所述压电晶体12固定连接；通过压电陶瓷控制器13向压电晶体12输出不同的电压，可以调节调节第二反射镜7的位置，进而调节激光干涉仪1的参考臂与测量臂之间的光程差；在激光干涉仪1工作的过程中，数据采集和控制***11可以自动记录压电陶瓷控制器输出的电压与单光子探测器10检测到的光子计数。

本实施例中，激光三角测距模块14朝向待测距物体2的反射面，激光三角测距模块14为CCD相机或CMOS相机；测量待测距物体2进行测距的过程中，测量臂光束经过待测距物体2漫反射后，部分测量臂光束射向激光三角测距模块14；激光三角测距模块14可采用激光三角测距的方式，依据其自身的位置、测量臂光束的位置以及激光三角测距模块14接收到的光信号计算待测距物体的距离。

本实施例的光子计数激光干涉测距方法具体包括以下步骤：

1）使用激光干涉仪1依次采用n种不同波长的激光对待测距物体2进行测距，通过测量得到激光干涉仪1采用波长为λ_k的激光时该激光干涉仪1的激光干涉仪相位差φ_k，其中n为大于或等于2的正整数，k为大于0且小于等于n的正整数，n表示激光干涉仪1采用的激光的波长数量；本实施例采用两种波长的激光（n=2），两种激光的波长分别为531.89纳米的绿光和660.03纳米的红光；测量激光干涉仪1采用波长为λ_k的激光时激光干涉仪1的激光干涉仪相位差φ_k具体包括以下步骤：

（1.1）调节多波长激光光源3使其输出波长为λ_k的激光；

（1.2）使用单光子探测器10测量反射光束的光子计数K；

（1.3）使用位置调节装置9调整第二反射镜7的位置，在调节过程中，使用单光子探测器10测量反射光束的最大光子计数K_MAX和最小光子计数K_MIN；测量完成后将第二反射镜7复位；

（1.4）根据测量得到的数据计算激光干涉仪相位差φ_k，激光干涉仪相位差φ_k的计算公式如下所示：

（1）

其中，cos^-1为反余弦函数；

重复步骤（1.1）至步骤（1.4）直到激光干涉仪1采用的各种波长的激光均测量完成。

将表1中的数据代入公式（1），可以计算出红光在两处位置的干涉相位分别为0.631π和0.230π，绿光在两处位置的干涉相位分别为0.295π和0.333π。

2）使用激光干涉仪1以及激光三角测距模块14采用激光三角测距的方式测量待测距物体的低精度距离D'。

表格1 本实施例中步骤1）和步骤2）测量得到的数据

3）使用各种波长的激光对应的激光干涉仪相位差以及低精度距离D'计算待测距物体2的高精度距离D；具体的计算过程包括以下步骤：

（3.1）计算激光干涉仪1的最大非模糊测量距离L_S，最大非模糊测量距离L_S为激光干涉仪1采用的各种波长的激光的半波长的最小公倍数；最大非模糊测量距离L_S的计算公式如下所示：

（2）

其中，λ_k为激光干涉仪1采用的激光的波长，n为激光干涉仪1采用的激光的波长数量，k为大于0且小于等于n的正整数；本实施例中n= 2，λ₁=531.89 nm，λ₂=660.03nm；计算过程中仅需计算λ₁和λ₂的半波长最小公倍数；本实施例中L_S=87.766微米；

本发明使用可见波段激光波长在400nm-700nm范围，测量周期范围200nm-350nm。在实际使用中，当量程超过测量周期范围就会存在测量周期整数无法确定的问题。采用多束不同波长激光，可以有效延长最大非模糊测量距离L_S(从数百纳米延伸至数十微米)；

（3.2）将低精度距离D'除以最大非模糊测量距离L_S，将相除得到的商向下取整得到合成周期个数M；若激光三角测距模块14的绝对误差为R,则在满足L_S>R的条件下，可在激光波长的数量不变，且测量精度不变的情况下，延长最大测量距离；本实施例中，激光三角测距模块14的绝对误差R为2 微米，小于最大非模糊测量距离L_S，若R>L_S可增加激光干涉仪采用的激光的波长数量，进而增大最大非模糊测量距离L_S；根据表1中的数据，可以得出本实施例中M=4；

（3.3）依次计算激光干涉仪1采用波长为λ_k的激光时待测距物体2的最小距离l_k，计算过程中将低精度距离D'、波长λ_k、与波长λ_k对应的激光干涉仪相位差φ_k、所述激光三角测量装置的绝对误差R、最大非模糊测量距离L_S以及合成周期个数M代入如下所示的方程组：

（3）

其中，k为大于0且小于等于n的正整数，n为所述激光干涉仪采用的激光的波长数量；求解上述方程组的过程中，寻找变量m_k的非负整数解，将解出的变量m_k代入方程组中，并且与不同波长求得的距离l_k进行比较，取其中最为相近的解，即为波长为λ_k的激光对应的距离l_k；

4）将所述激光干涉仪采用的各种波长的激光相对应的距离l_k取平均值，得到合成距离l，并使用如下所示的公式计算所述待测距物体的高精度距离D：

D=M·L_S+l（4）

其中，M为合成周期个数，L_S为最大非模糊测量距离L_S。

结合上述计算方法以及表1中的实测数据，可计算出待测距物体2的高精度距离D为386.9705±0.0021微米。

本实施例的有益效果为：通过单光子探测器，可以对非合作目标表面反射回来的极微弱的光进行高灵敏探测，从而实现非合作目标的精密测量。同时，结合三角测距模块测得的多波长合成周期的整数周期个数以及绝对距离的粗精度值，可以计算得到干涉仪精度的距离信息，测量精度能够达到纳米级水平。

通过在干涉中单光子探测器的应用，能够对极微弱的回波光进行探测，从而实现非合作目标的干涉测距。同时，结合本发明中的三角测距模块，仅采用少数波长的激光，解决了大量程干涉周期不确定的问题，增加测量的范围。

另一次测量数据如表2所示，根据表2中的数据可以计算出待测距物体2的高精度距离D为511.0525±0.0035微米。

表格2

Claims (6)

1.一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1）将待测距物体表面作为激光干涉仪的第一反射镜面，使用多波长激光光源作为所述激光干涉仪的光源；使用所述激光干涉仪依次采用n种不同波长的激光对所述待测距物体进行测距，通过测量得到所述激光干涉仪采用波长为λ_k的激光时所述激光干涉仪的激光干涉仪相位差φ_k，其中n为大于或等于2的正整数，k为大于0且小于等于n的正整数；

2）将激光三角测距模块朝向所述待测距物体的反射面，使用所述激光干涉仪以及所述激光三角测距模块采用激光三角测距的方式测量所述待测距物体的低精度距离D'；

3）使用各种波长的激光对应的激光干涉仪相位差以及所述低精度距离D'计算所述待测距物体的高精度距离D。

2.根据权利要求1所述的一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于测量所述激光干涉仪采用波长为λ_k的激光时所述激光干涉仪的激光干涉仪相位差φ_k具体包括以下步骤：调节所述多波长激光光源使其输出波长为λ_k的激光，所述激光经过所述激光干涉仪的分光镜分为测量臂光束和参考臂光束；所述测量臂光束经过所述待测距物体反射后返回所述分光镜，同时所述参考臂光束经过所述激光干涉仪的第二反射镜的反射后返回所述分光镜；所述分光镜将返回的所述测量臂光束以及所述参考臂光束汇聚合成为干涉光束，所述干涉光束射向单光子探测器，所述单光子探测器用于对所述干涉光束的光子进行计数；所述第二反射镜安装在位置调节装置上；测量过程中，首先使用所述单光子探测器测量所述反射光束的光子计数K，随后使用所述位置调节装置调整所述第二反射镜的位置，在调节过程中，测量所述反射光束的最大光子计数K_MAX和最小光子计数K_MIN；激光干涉仪相位差φ_k的计算公式如下所示：

，

其中，cos^-1为反余弦函数。

3.根据权利要求2所述的一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于所述激光三角测距模块为CCD相机或CMOS相机；测量所述待测距物体的低精度距离D'的过程中，所述测量臂光束经过所述待测距物体漫反射后，部分测量臂光束射向所述激光三角测距模块；所述激光三角测距模块依据其自身的位置、所述测量臂光束的位置以及所述激光三角测距模块接收到的光信号计算所述待测距物体的低精度距离D'。

4.根据权利要求2所述的一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于所述第二反射镜与所述分光镜之间设置有衰减片。

5.根据权利要求1所述的一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于计算所述待测距物体的高精度距离D具体包括以下步骤：

1）计算所述激光干涉仪的最大非模糊测量距离L_S，所述最大非模糊测量距离L_S为所述激光干涉仪采用的各种激光的半波长的最小公倍数，所述最大非模糊测量距离L_S的计算公式如下所示：

，

其中，λ_k为所述激光干涉仪采用的激光的波长，n为所述激光干涉仪采用的激光的波长数量，k为大于0且小于等于n的正整数；

2）将低精度距离D'除以最大非模糊测量距离L_S，将相除得到的商向下取整得到合成周期个数M；

3）依次计算所述激光干涉次采用波长为λ_k的激光时所述待测距物体的最小距离l_k，计算过程中将低精度距离D'、波长λ_k、与波长λ_k对应的激光干涉仪相位差φ_k、所述激光三角测量装置的绝对误差R、最大非模糊测量距离L_S以及合成周期个数M代入如下所示的方程组：

其中，k为大于0且小于等于n的正整数，n为所述激光干涉仪采用的激光的波长数量；求解上述方程组的过程中，寻找变量m_k的非负整数解，将解出的变量m_k代入方程组中，并且与不同波长求得的距离l_k进行比较，取其中最为相近的解，即为波长为λ_k的激光对应的距离l_k；

4）将所述激光干涉仪采用的各种波长的激光相对应的距离l_k取平均值，得到合成距离l，并使用如下所示的公式计算所述待测距物体的高精度距离D：

D=M·L_S+l，

其中，M为合成周期个数，L_S为最大非模糊测量距离L_S。

6.根据权利要求1所述的一种光子计数激光干涉测距方法，其特征在于所述待测距物体为非合作目标。