光频扫描干涉绝对测距系统关键技术研究

发布时间：2020-06-21 23:02

【摘要】：目前重大装备制造技术正朝着大尺寸、高精度的方向发展,主要涉及到航空、航天、大型船舶及机电设备、大型科研设备的制造、装配和运行监控等领域。空间坐标测量技术作为重大装备制造与装配的重要支撑技术,受到人们的广泛关注。其中绝对距离测量作为上述技术的核心和基础,具有重要的研究意义。激光因其具有好的方向性、单色性、相干性和高精度等优点,被广泛应用于测距领域,近年来,光频扫描干涉(OFSI)测距技术作为一种新型的激光测距技术,弥补了传统干涉测距仅适用于增量式测量,且存在模糊范围的缺点,具有能够在大范围内实现灵活可靠的高精度绝对距离测量的潜力。本文针对OFSI绝对测距系统的关键技术进行了研究,主要研究内容如下:1、在分析OFSI测距基本原理的基础上,对比了相位测量方法和拍频测量方法的优缺点;基于拍频测量和傅里叶变换推导了系统的测距分辨率;分析了提高频率分辨率的方法,选取线性调频z变换(CZT)对干涉信号的频谱进行局部细化,提高拍频的测量精度;重点分析了调频非线性、目标漂移误差以及光的色散等因素对OFSI测距精度的影响。2、针对调频非线性对干涉信号频谱展宽的影响,提出了基于双干涉光路的等光频采样方法,利用辅助干涉信号作为触发采样的时钟信号,对测量干涉信号进行重采样,消除非线性调频对测量结果的影响,提高了测距精度同时降低了该方法对激光器的性能要求。3、通过分析目标漂移对最终测量精度的影响,根据多普勒频移方向和运动方向相一致的特点,设计了基于光频三角波扫描漂移误差补偿方法,分别测量在光频上扫和下扫情况下干涉信号的拍频,利用平均原理消除目标漂移误差。并设计对比实验验证了该方法的可行性。4、利用外差相位测量技术和光纤PZT相位补偿原理,设计了基于PID控制的长光纤锁定系统,提高了辅助干涉系统参考长度的稳定性,从而提高OFSI绝对测距的精度。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH721
【图文】：

干涉原理,干涉测距,多波长

2n——为测量光路的折射率， ——为干涉级次，——为测量相位，且的取值范围为 , 。被测距离较小，使得 m 1，则可以直接通过单波长测量得到干涉相离，但如果被测距离较大，使得 m 1，那么就无法用单波长的测量距离，只能通过精密长导轨，移动被测目标，测量连续移动的干涉就是传统的干涉测长原理，这种方法只能测量被测目标的移动距离对距离。传统的干涉测距方法不同的是，多波长干涉测距技术不需要精密长进行连续干涉条纹计数，只需分析各波长干涉小数部分即可推算出波长干涉利用多个波长的激光合成长度不同的合成波长，通过对不进行对同一距离的多次干涉测量逐步求解被测距离，可以说多波长了干涉法的测量范围。下面以双波长干涉为例介绍多波长干涉的

示意图,光频,建立时间,示意图

图 1-2 通过光频梳建立时间和长度的关系示意图但是现阶段飞秒激光频率梳应用在测速仪、人工合成光学孔径和多基站目标雷达中均受到了紧凑性和抗环境干扰能力的限制。自 2000 年起，日本科学家 KMinoshima 等人使用飞秒激光的高次谐波将测量的模糊范围拓展到几百米以来，飞秒激光频率梳以多种方式应用在各种精密的测距系统中。这些方法主要包含如下几种：利用其在微波频率和光频上具有较高的相干性的飞行时间方法，合成微波频率波长干涉仪，基于傅里叶变换的色散干涉仪，基于双飞秒激光器的多外差探测干涉仪，基于平衡探测的非相关飞行时间法。这些新产生的方法都为了一个目标，通过将飞秒脉冲激光器应用在传统的激光干涉仪方法中来实现在绝对距离应用领域实现一个亚波长精度。1.2.3 光频扫描干涉测距光频扫描干涉（OFSI）测距技术最早出现在 20 世纪 80 年代初期[14][15]，随着可调谐激光器的发展而迅速发展起来，1986 年，Kikuta 等人利用半导体二极

【参考文献】