红外与激光工程
2020, 49(8): 20190438
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
调频重采样是一种绝对测距技术。 这种方法采用的光源波长随时间变化, 形成一束宽光谱激光。 激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量, 并对其中频率间隔相同的部分进行重采样, 使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽, 较高的分辨率及精度。 在实际测量过程中, 测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响, 导致待测距离及辅助光纤长度发生变化, 引入测距误差。 针对这个问题, 分析了振动对重采样测量结果产生的误差: (1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量; (2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。 为了弥补这两种误差, 提出了一种三光路结构的补偿方法, 在辅助光路中, 使用一种光路结构简单小巧, 且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪, 实时的监测信号光的瞬时频率。 在测量光部分, 在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号, 并通过FFT算法产生频谱。 频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。 通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差, 通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。 实验证明, 传统的重采样测距方法精度为23.6 μm, 三光路测距方法的精度可达到11 μm, 可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。
高频连续波测距 激光雷达 激光干涉测距 Frequency modulation continous wave ranging Laser radar Laser interferometry ranging 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1007
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据,并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。
测量与计量 非线性消除 重采样 调频连续波 激光测距 measurement and metrology nonlinear elimination resampling frequency modulated continuous wave laser ranging
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
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504 m的测量范围内, 扫描距离从056 mm增加到112 mm, 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50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm, 相对精度从22×10-9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10 μm提高到2 μm, 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。
飞秒激光 光学采样 大尺寸测距 干涉光谱 Femtosecond laser Optical sampling Large-scale distance measurement Interference spectrum 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2708
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
对调频连续波激光测距技术进行改进,提出了触发重采样方法。在所提方法中,辅助信号先触发采集卡,然后对测量信号和辅助信号同时采样,再用采集到的辅助信号的极值点对测量信号进行重采样。实验结果表明:所提出的触发重采样方法的测量标准差最小可达到12 μm。
遥感 激光雷达 线性调频测距 激光干涉 非线性调频
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在双光路调频连续波激光测距过程中, 振动将光程差变化转为拍频信号不需要的相位调制, 并在拍频信号中引入多普勒频移, 导致拍频信号的频谱发生严重展宽和频移, 无法根据拍频频率计算距离值。为解决该问题, 提出一种基于四波混频效应的振动补偿方法, 该方法利用四波混频技术产生与原频率扫描信号扫描方向相反的新频率扫描信号, 通过两个频率扫描信号的测量拍频信号计算距离值。结果表明:当扫描带宽为10 nm, 待测距离为5 m, 待测目标以2 Hz的频率进行行程为100 μm的周期性位移时, 基于四波混频效应的振动补偿方法能有效消除振动对测距的影响, 测量标准差由补偿前的1.062 mm减小为29 μm; 该方法无需测量振动位移便可直接获取消除振动影响的距离值, 极大地简化了系统的硬件部分。
测量 四波混频 调频连续波 振动 等光频间隔重采样
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 湖北工业大学机械工程学院, 湖北 武汉 430068
在结构光的三维测量中,单投影仪单相机的测量结构在测量复杂物体时容易出现遮挡与阴影现象,从而影响了测量数据的完整性;使用双投影单相机的测量结构可扩展成像范围,减小阴影部分的面积,提高测量效率,但从部分重叠的相移光栅中分离出原始投影信号是该方法的难点。在分析传统四步相移法的基础上,提出了一种基于灰度互补关系的重叠相移光栅分离方法,该方法通过调整投影的相移光栅的时间及次序,在不改变原有测量系统结构的基础上有效消除了重叠部分的干扰信号;为了验证该分离方法的有效性,搭建测量系统进行相关实验。结果表明:利用互补关系可以实现重叠相移光栅信号的准确分离,获取完整的点云数据,同时也提高了测量速度。
测量 分离算法 重叠相移光栅 结构光 三维测量 多投影 点云生成 光学学报
2018, 38(11): 1112002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
为满足高精度、大尺寸、高动态的测量需求,提出一种基于光学频率梳方法的绝对测量方案。采用级联相位调制器和强度调制器的电光调制方法生成平坦的光学频率梳,可以实现频率的直接溯源,成本低且易于复现。实现了对数学模型的建立及生成质量的评估,并且将其应用于改进的多波长测距系统中。该系统实现了对传统的多波长测量系统的简化,通过解算出合成波长的相位信息实现了对绝对距离的测量以及对测量过程中噪声和不确定度的分析。
测量 激光测试 光学计量仪器 光电测距 中国激光
2018, 45(12): 1204002