Author Affiliations
Abstract
1 Aragon Institute of Engineering Research (I3A), Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50018, Spain
2 Electronic Engineering and Communications Department, EINA, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50018, Spain
3 Aragon Photonics Labs., Zaragoza 50009, Spain
4 Department of Earth Sciences, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50009, Spain
5 Department of Electronics, Escuela Politécnica Superior, Universidad de Alcalá, Madrid 28805, Spain
The effectiveness of monitoring and early-warning systems for ground deformation phenomena, such as sinkholes, depends on their ability to accurately resolve the ongoing ground displacement and detect the subtle deformation preceding catastrophic failures. Sagging sinkholes with a slow subsidence rate and diffuse edges pose a significant challenge for subsidence monitoring due to the low deformation rates and limited lateral strain gradients. In this work, we satisfactorily illustrate the practicality of the Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) to measure the spatial-temporal patterns of the vertical displacement in such challenging slow-moving sagging sinkholes. To assess the performance of the approach, we compare the strain recorded by the distributed optical fiber sensor with the vertical displacement measured by high-precision leveling. The results show a good spatial correlation with the ability to identify the maximum subsidence point. There is also a good temporal correlation with the detection of an acceleration phase in the subsidence associated with a flood event.
Distributed fiber optic sensing (DFOS) vertical displacement measurement slow subsidence rate sinkhole hazard early-warning system 
Photonic Sensors
2024, 14(1): 240122
作者单位
摘要
浙江理工大学 信息科学与工程学院,浙江杭州310018
针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差,提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系,利用位置敏感探测器(PSD)和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化,从而获得更为准确的转角测量结果,最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性,搭建激光外差干涉测量实验装置,分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明:经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm,测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内,对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量,将测得的转角进行位移补偿后,系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。
激光外差干涉 位移测量 误差补偿 卡尔曼滤波 laser heterodyne interferometry displacement measurement error compensation Kalman filtering 
光学 精密工程
2024, 32(3): 357
雷李华 1,2张玉杰 1,2傅云霞 1,2,*
作者单位
摘要
1 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
2 上海市在线检测与控制技术重点实验室,上海 201203
光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析,通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系,参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法,利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量,对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程,探究出了一个更为普遍的结论,为后续装置的改进提供理论依据,以提高系统的测量精度。
精密位移测量 光栅干涉仪 光栅矢量衍射 周期性误差 precision displacement measurement grating interferometer grating vector diffraction periodic error 
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230536
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Optics and Optical Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2 Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province, Hefei 230026, China
The compact, sensitive, and multidimensional displacement measurement device plays a crucial role in semiconductor manufacture and high-resolution optical imaging. The metasurface offers a promising solution to develop high-precision displacement metrology. In this work, we proposed and experimentally demonstrated a two-dimensional displacement (XZ) measurement device by a dielectric metasurface. Both transversal and longitudinal displacements of the metasurface can be obtained by the analysis of the interference optical intensity that is generated by the deflected light beams while the metasurface is under linearly polarized incidence. We experimentally demonstrated that displacements down to 5.4 nm along the x-axis and 0.12 µm along the z-axis can be resolved with a 900 µm × 900 µm metasurface. Our work opens up new possibilities to develop a compact high-precision multidimensional displacement sensor.
metasurface transversal and longitudinal displacement measurement 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021202
作者单位
摘要
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
2 上海市在线检测与控制技术重点实验室,上海 201203
针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。
光纤干涉仪 正弦相位调制 卡尔曼滤波 位移测量 fiber interferometer sinusoidal phase modulation Kalman filtering displacement measurement 
光学仪器
2023, 45(4): 1
Author Affiliations
Abstract
School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
In this Letter, we propose a simple structure of an orthogonal type double Michelson interferometer. The orthogonal detection method overcomes the problems of uneven ranging sensitivity and the inability of traditional interferometers to determine the displacement direction. The displacement measurement principle and signal processing method of the orthogonal double interferometer are studied. Unlike the arctangent algorithm, the displacement analysis uses the arc cosine algorithm, avoiding any pole limit in the distance analysis process. The minimum step size of the final experimental displacement system is 5 nm, which exhibits good repeatability, and the average error is less than 0.12 nm.
orthogonal detection nanoscale displacement measurement laser interferometer 
Chinese Optics Letters
2023, 21(10): 101201
张玉杰 1,2,3徐雷 4管钰晴 2,3邹文哲 2,3[ ... ]邓晓 5
作者单位
摘要
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室,上海 201203
4 中国计量测试学会,北京 100029
5 同济大学 物理科学与工程学院,上海 200092
纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。
纳米位移测量 激光自混合 光栅干涉仪 全息光栅 nano-displacement measurement laser self-mixing grating interferometer holographic grating 
红外与激光工程
2023, 52(4): 20220676
作者单位
摘要
安徽大学电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601
为解决直线电机动子位置测量中多帧图像位移叠加而产生的误差累积问题,提出一种加阈值变换基准图(TTBM)的机器视觉累积误差消减算法。首先,根据直线电机动子的一维刚体平动特点,生成并优选灰度变化更加平滑的一维散斑图像作为目标拍摄图。其次,采用相位相关算法(PCA)改进灰度梯度方法,对配准图像进行整像素平移后再计算亚像素位移,以增大基准图像与配准图像之间的位移测量范围。最后,提出自调整基准图方法,根据图像位移的测量范围设定基准图像变换阈值,降低位移叠加次数,减小累积误差,实现直线电机长行程精密位移测量。同时,研究了基准图像变换阈值对测量精度的影响,给出了基准图变换的最佳阈值选取范围。仿真和实验表明,所提方法可以有效地减小直线电机动子测量中叠加而产生的累积误差。
直线电机 精密位移测量 阈值设置 变基准图 
光学学报
2023, 43(11): 1112006
作者单位
摘要
1 浙江理工大学纳米测量技术实验室,浙江 杭州 310018
2 中国计量科学研究院,北京 100029
3 中国计量大学计量测试工程学院,浙江 杭州 310018
为了解决外差干涉相位测量中多通道采样信号间的串扰误差对相位测量精度的影响,提出了一种基于采样信号频谱分析的预补偿方法来实现信号串扰误差的补偿和消除。首先建立基于锁相放大的正交鉴相法的信号串扰误差理论模型,阐明了串扰系数、输入信号幅值比和串扰信号相位偏移对相位测量误差的影响;设计仿真实验验证了该误差模型和补偿方法的有效性;然后基于紧凑型FPGA开发平台设计了相位测量实验,结果表明该补偿方法能够有效消除信号串扰误差的影响,补偿后相位测量的最大误差从0.34°下降到0.01°;最后搭建了外差干涉仪并与高精度的压电位移平台进行比对,实验结果表明补偿后的信号处理系统能够满足外差干涉测量的应用需求。
测量 外差干涉 正交鉴相 信号串扰 频谱分析 位移测量 
中国激光
2023, 50(10): 1004001
作者单位
摘要
1 中北大学 信息与通信工程学院,太原03005
2 中北大学 电子测试技术国家重点实验室,太原030051
3 中北大学 机电工程学院,太原00051
以共轭涡旋光干涉原理为基础,理论分析了干涉图像旋转角度和位移量的对应关系,利用光学仿真系统验证了理论的可行性。采用基于空间光调制器和改进型的马赫⁃泽德干涉仪组成的共轭涡旋光干涉测量系统,利用不同拓扑荷数的共轭涡旋光实验测量了纳米位移台的位移变化。实验结果表明,在位移量为100 nm、200 nm和250 nm的情况下,拓扑荷数为3时的相对误差最小,分别为2.19%、1.28%和1.27%。研究结果有助于提高基于共轭涡旋光干涉位移测量的精度。
物理光学 涡旋光 位移测量 拓扑荷数 相对误差 physical optics vortex beam displacement measurement topological charge relative error 
光电子技术
2023, 43(1): 11

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