一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法

摘要

本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法。调频连续波激光干涉得到的是一个动态拍频信号，其频率和初相位都与干涉仪中信号光和参考光之间的光程差有关，当光程差较小或较大时，无法正常精确鉴别初相位或光程差，所以调频连续波激光干涉有两个“死区”。本发明提供的技术方案是：通过测量当前干涉信号的拍频频率，改变调频连续波激光光源的激光频率调制度，使干涉信号的拍频频率始终处在可有效鉴相的频率范围内。本发明的优点是：不仅可以减小光程差较小时的“前死区”，而且还可以消除光程差较大时的“后死区”，从而大幅度扩大调频连续波激光干涉测量量程。

权利要求

1.一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法，其特征在于：通过测量当前干涉信号的拍频频率，改变调频连续波激光光源的激光频率调制度，使干涉信号的拍频频率始终处在可有效鉴相的频率范围内，以便能够精确的测量干涉信号的初位相及其变化，从而大幅度扩大调频连续波激光干涉测量量程；

当拍频频率<＝3×调制频率时，按照2/3等比级数增大激光器驱动信号调制直线斜率，更新线性调制数据表格，直至拍频频率>3×调制频率；

当拍频频率>＝10×调制频率时，按照2/3等比级数减小激光器驱动信号调制直线斜率，更新线性调制数据表格，直至拍频频率<10×调制频率。

说明书

一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，具体涉及一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法。
背景技术：

[0002] 光学调频连续波(FMCW)干涉是一项新的精密测量技术。这种光学干涉技术使用一个光频率周期性连续线性调制的激光光源。当干涉装置中的信号光和参考光相遇干涉时，
所产生的干涉信号是一个动态拍频信号，其频率和初位相都与信号光和参考光之间的光程
差有关。当光程差较小时，由于拍频频率较低，可能无法鉴别初位相及其变化方向，理论分
析指出，只有拍频频率大于或等于2.5倍的激光器调制频率，才能正常鉴别初相位。调频连
续波激光干涉有两个“死区”，光程差较小时对应的称为“前死区”，当光程差较大时，拍频频
率较高，由于数字信号处理电路中的ADC采样频率是国定不变的，每个拍频周期内的信号数
据量必然减少，严重影响测量精确、甚至无法进行测量，称为“后死区”。死区的存在，限制了
调频连续波激光干涉的测量量程。
发明内容：

[0003] 本发明提出一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法，以克服现有技术存在的调频连续波激光干涉的测量量程受限的问题。

[0004] 为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法，其特征在于：通过测量当前干涉信号的拍频频率，所述拍频频率为线性
调制，改变调频连续波激光光源的激光频率调制度，使干涉信号的拍频频率始终处在可有
效鉴相的频率范围内，以便能够精确的测量干涉信号的初位相及其变化，从而大幅度扩大
调频连续波激光干涉测量量程。

[0005] 当拍频频率<＝3×调制频率时，按照2/3等比级数增大激光器驱动信号调制直线斜率，更新线性调制数据表格，直至拍频频率>3×调制频率。

[0006] 当拍频频率>＝10×调制频率时，按照2/3等比级数减小插值直线斜率为k，更新线性调制数据表格，直至拍频频率<10×调制频率。

[0007] 与现有技术相比，本发明的优点是：

[0008] 1、通过本发明的方法，使干涉信号的拍频频率始终处在一个合适的频率范围内，以便能够精确的测量干涉信号的初位相及其变化。

[0009] 2、本方法不仅可以减小“前死区”，而且还可以消除“后死区”，从而大幅度扩大调频连续波激光干涉测量量程。

[0010] 3、本方法不仅适用于锯齿波调制调频连续波干涉，也适用于三角波调制调频连续波干涉。
附图说明：

[0011] 图1是半导体激光器的驱动信号为锯齿波波形时，不同k值驱动电流的波形。具体实施方式：

[0012] 下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

[0013] 根据光学调频连续波干涉理论，如果激光频率是线性调制(例如锯齿波调制或三角波调制)，对于任何双光束光学调频连续波干涉系统，干涉信号的光强度I(τ,t)可以表示
为

[0014] I(τ，t)＝I0[1+Vcos(ατt+ω0τ)]  (1)

[0015] 其中，I0为干涉信号的平均光强度(I0＝I1+I2，I1为参考光强度，I2为信号光强度)，V为干涉信号的对比度 ω0为激光器中心角频率,τ为信号光相对于参
考光的延时时间(τ＝OPD/c，OPD为信号光相对于参考光的光程差，c为光速)，α为激光器角
频率调制率(α＝Δω/Tm,Δω为激光器角频率调制范围，Tm为调制信号周期)。

[0016] 上式表示，线性调频连续波干涉信号是一个动态信号，其拍频频率和初相位都与信号光相对于参考光的延时时间τ(或二者之间的光程差)成比例。但是，拍频频率只与激光
器角频率调制率α有关，而初相位只与激光器中心角频率ω0有关。这意味着改变激光器角
频率调制率α，可以改变干涉信号的拍频频率，但不会影响初相位(即光程差)的测量。

[0017] 基于上述理论，本发明提供的一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法，通过测量当前干涉信号的拍频频率，所述拍频频率为线性调制，改变调频连续波激光光源的
激光频率调制度，使干涉信号的拍频频率始终处在可有效鉴相的频率范围内，以便能够精
确的测量干涉信号的初位相及其变化，从而大幅度扩大调频连续波激光干涉测量量程。

[0018] 当拍频频率<＝3×调制频率时，按照2/3等比级数增大激光器驱动信号调制直线斜率，更新线性调制数据表格，直至拍频频率>3×调制频率。

[0019] 当拍频频率>＝10×调制频率时，按照2/3等比级数减小插值直线斜率为k，更新线性调制数据表格，直至拍频频率<10×调制频率。

[0020] 所说的激光器驱动电路和干涉仪信号处理电路都是采用数字电路，激光器驱动信号是由微处理器读取数据表格经过DA电路转换得到，激光器发出的激光频率调制度与激光
器驱动信号的调制度成正比；数据表格是平均值和线性调制数据两部分组成，线性调制数
据由一条斜率为k的直线插值得到，干涉信号是经过光电探测器转换成电信号再经过AD电
路转换得到的数字信号。

[0021] 实施例：一种扩大调频连续波激光干涉测量量程的方法，包括下述步骤：

[0022] 步骤1：对于数字式半导体激光器调频连续波干涉调制与解调系统，激光器驱动信号是由微处理器读取数据表格再经过DA电路转换得到，数据包括平均值和线性调制数据两
部分，线性调制数据是根据一条斜率为k的直线插值得到。干涉信号是由光电探测器把光信
号转变电信号再经过AD电路转换得到的数字信号，通过测出每个调制周期中干涉信号波形
的极小值点(或极大值点)在时间轴上的位置可以计算出干涉信号的拍频频率。参见图1，本
实施例中所给出的驱动信号为锯齿波波形。

[0023] 当拍频频率<＝3×调制频率时，按照2/3等比级数增大插值直线斜率为k，更新线性调制数据表格，直至拍频频率>3×调制频率。

[0024] 这样调频连续波干涉的拍频频率会始终处在3到10倍调制频率的频率范围，为高精度鉴别初相位提供了良好条件。

[0025] 注意：k的最大值kmax由激光器阈值电流和工作电流以及调制频率确定，如果k增大到最大值kmax时，拍频频率<＝3×调制频率对应的OPD称为“剩余前死区”，测量位移时应该
避开“剩余前死区”。