一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置和方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于激光干涉测量技术领域的一种干涉绝对距离测量装置和方法，特别是一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置和方法。背景技术：2.基于合成波长的多波长干涉法因合成波长构建灵活、测量精度高等优点，被广泛应用于绝对距离干涉测量领域。多波长干涉法的关键技术包括通过多个不同的激光波长来构建合成波长以及各合成波长对应相位的分离与高精度鉴相。3.锁定至飞秒光频梳的多波长干涉法运用了飞秒光频梳具备梳状频率特性并且所有梳齿频率均可溯源至高稳定性微波频率基准的优点，将可调谐激光器偏频锁定至飞秒光频梳产生大功率高稳定性的多波长光源解决了光频梳梳齿功率低的问题。但是通过锁定至不同梳齿来分时构建合成波长时，需要频繁的锁定与解锁，导致测量效率低。将多台可调谐激光器同时偏频锁定至不同梳齿来同时构建合成波长时可提高测量效率，但构建的合成波长数量有限并且需要多路偏频锁定系统与多波长分离光路，系统结构复杂，成本高。合成波长大小与多波长频差大小成反比，上述锁定至飞秒光频梳的多波长频差为光频梳重复频率的整数倍，则所构建最大合成波长受限于光频梳重复频率大小，通常仅能构建米量级的合成波长，难以满足大长度绝对距离测量的要求。4.相对于锁定至飞秒光频梳的多波长干涉法，基于电光频率梳的多外差干涉绝对距离测量方法采用对连续激光进行电光调制产生梳状多波长光源用于绝对距离测量，无需复杂的偏频锁定系统并且多外差干涉的方式使得各波长干涉信号可从频谱上区分简化了信号处理系统，具备测量效率高，系统结构相对简单的优点。其中，腔增强的双电光频率梳多外差干涉法中采用具有微小频差的固定频率双相位调制器和法珀腔对单频激光进行多次正弦相位调制以展宽电光频率梳宽度起到压缩最小合成波长提高测量精度的作用，但是最大合成波长仅为数十毫米，需要通过其它方法预先获得待测距离的初始值。此外，用数据采集卡将信号采集至电脑再通过离线的软件处理方式实现相位解调，限制了测量效率与精度的提高。三电光频率梳多外差干涉法中采用三组级联固定频率强度调制器与相位调制器进行多次调制，产生具有微小频差的三电光频率梳，其中两路电光频率梳同时作为测量光源，可构建百米量级的合成波长，解决了双电光频率梳多外干涉法测量范围小的问题，但各调制器驱动信号需要相位匹配，提高了硬件要求，此外，众多的调制器以及配套驱动电路增加了系统复杂程度和成本。5.所以，如何从大到小连续构建多级合成波长，如何实现对多波长相位的高速高精度解调都是需要解决的关键技术问题。技术实现要素：6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置和方法，本发明解决了多外差干涉绝对距离测量方法中难以从大到小连续构建多级合成波长的问题。7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：8.一、一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量装置：9.装置包括单频激光器、光纤分束器、声光移频器、第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、正交光纤合束器、准直器、分光棱镜、偏振分光棱镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、驱动放大器、第一宽带放大器、第二宽带放大器、固定时钟源、第一可调时钟源、第二可调时钟源、原子钟、计算机、信号处理模块、第一光电探测器、第二光电探测器、第一检偏器和第二检偏器；10.单频激光器的输出端连接至光纤分束器的输入端，光纤分束器的两个输出端分别连接至声光移频器和第二电光相位调制器的输入端，声光移频器的输出端连接至第一电光相位调制器的输入端，第一电光相位调制器的输出端和第二电光相位调制器的输出端连接至正交光纤合束器的两个输入端，正交光纤合束器的输出端连接至准直器的输入端；原子钟分别连接至固定时钟源、第一可调时钟源和第二可调时钟源的输入端；固定时钟源输出端连接至驱动放大器的输入端，驱动放大器输出端连接到声光移频器的控制端；第一可调时钟源和第二可调时钟源的输出端分别连接至第一宽带放大器和第二宽带放大器的输入端，第一宽带放大器和第二宽带放大器的输出端分别书连接到第一电光相位调制器的输出端和第二电光相位调制器的控制端；11.准直器的输出端输出空间光入射至由分光棱镜、偏振分光棱镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一检偏器和第二检偏器组成的外差干涉光路，经外差干涉光路中的第一光电探测器、第二光电探测器采集两路干涉信号。12.所述的外差干涉光路中，准直器的输出空间光先入射分光棱镜发生透射和反射，分光棱镜的反射光经第一检偏器后入射到第一光电探测器中获得检测干涉信号，分光棱镜的透射光再入射到参考角锥棱镜的一处发生透射和反射，参考角锥棱镜一处的反射光经参考角锥棱镜内部的逆反射后在参考角锥棱镜的另一处发生反射，参考角锥棱镜一处的透射光经测量角锥棱镜逆反射后回到参考角锥棱镜的另一处发生透射，参考角锥棱镜的另一处的反射光和透射光合束后经反射镜后再经第二检偏器入射到第二光电探测器中获得测量干涉信号。13.所述的测量角锥棱镜和待测物体固定在一起。14.还包括双动态边带控制与信号处理模块，双动态边带控制与信号处理模块具体包括相互连接的计算机和信号处理模块，原子钟连接至信号处理模块的输入端；计算机的输出端连接至第一可调时钟源和第二可调时钟源的输入端，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接至信号处理模块的输入端，信号处理模块的相位输出端连接至计算机，计算机分别和第一可调时钟源和第二可调时钟源连接。15.二、一种双动态边带多外差干涉绝对距离测量方法，方法包括如下步骤：16.1)单频激光器输出单频激光并分为两束激光，其中一束激光经声光调制器aom移频获得，另一束激光与移频后的激光通过一对频率可调的高频电光相位调制器eopm进行高频正弦相位调制，产生一对频率间隔不同并且动态可调的双动态边带；17.2)不同频率为fm[i](k)和fr[i](k)的双动态边带分别经第一分光棱镜形成多外差干涉绝对距离测量的测量光和参考光，经多外差干涉通过光电探测器探测得测量光与参考光的干涉信号，分别获得测量干涉信号与监测干涉信号；[0018]具体地，步骤2)为：不同频率为fm[i](k)和fr[i](k)的双动态边带经正交光纤合束器与准直器合为在空间中正交的一束激光，频率为fm[i](k)和fr[i](k)的动态边带分别为p偏振态和s偏振态，频率为fm[i](k)和fr[i](k)的动态边带分别做为多外差干涉绝对距离测量的测量光和参考光，经分光棱镜分为一束反射与一束透射的激光均包含频率为fm[i](k)和fr[i](k)的双动态边带分别用于监测漂移与测量绝对距离，其中反射的激光通过光电探测器探测得测量光与参考光间多外差干涉的监测干涉信号，其中透射的激光中的双动态边带经偏振分光棱镜分离出测量光与参考光，分别经测量角锥棱镜、参考角锥棱镜反射回偏振分光棱镜并合束，通过光电探测器探测得测量光与参考光间多外差干涉的测量干涉信号。[0019]3)一对电光相位调制器的调制频率的初始频差为fc，控制一对电光相位调制器的调制频率以同样的跳频量进行动态跳频，并通过光电探测器测量获得每次跳频后的测量干涉信号和监测干涉信号，根据干涉信号处理获得一级合成波长，根据一级合成波长获得二级合成波长，并处理获得一级合成波长和二级合成波长的合成波长相位差；[0020]具体地，步骤3)：测量光在测量路径中偏振分光棱镜与测量角锥棱镜之间构建出一级合成波长，并对步骤2)获得的测量干涉信号与监测干涉信号进行处理获得一级合成波长的合成波长相位差；若双动态边带已进行动态跳频，则根据动态跳频前后的一级合成波长构建二级合成波长，并对一级合成波长的合成波长相位差进行处理获得二级合成波长的合成波长相位差；[0021]再通过计算机发送指令控制第一可调时钟源16与第二可调时钟源17以同样的跳频量进行动态跳频初始频差为fc，改变输出信号频率，经放大后驱动步骤1)中的高频电光相位调制器eopm，改变双动态边带的频率间隔其中，参考光、测量光动态边带的频率间隔分别等于第一可调时钟源16与第二可调时钟源17输出信号的频率。[0022]4)通过计算机发送指令控制双动态边带循环执行步骤1)到步骤3)，一共进行p次动态跳频，每次动态跳频时有2q个动态边带同时参与测量并可同时构建q个二级合成波长λss[1](k),λss[2](k),λss[3](k),……λss[q](k)，p次动态跳频共构建pq个二级合成波长，通过步骤3)求得每个二级合成波长λss[j](k)对应合成波长相位将这pq个二级合成波长记为q×p矩阵形式获得二级合成波长矩阵λss；[0023]二级合成波长矩阵λss表示如下：[0024][0025]5)完成步骤4)所述p次双动态边带跳频后，控制双动态边带频率跳回初始值k＝0，以二级合成波长矩阵中的最小二级合成波长λss[q](p)对应的最终合成波长过渡结果lss[q](p)作为一级合成波长的合成波长过渡初始值，再次进一步逐阶进行一级合成波长过渡，求得p次动态跳频后各阶激光边带的一级合成波长λs[j](k)对应的合成波长过渡结果ls[j]，将各次动态跳频后的一级合成波长λs[j](k)对应的合成波长过渡结果ls[j]进行加权平均获得最终绝对距离，这样能够提高测量精度。[0026]如图1所示为双动态边带的频率关系以及合成波长构建示意，其中顶端为圆形的短线表示测量光、顶端为三角形的短线表示参考光，实线表示跳频前的激光边带，点线表示跳频后的激光边带。[0027]所述3)中，每次第k次动态跳频后，双动态边带中测量光与参考光的的激光频率分别设置为fm[i](k)和fr[i](k)：[0028]fm[i](k)＝fo+i·fr1(k)[0029]fr[i](k)＝(fo-fa)+i·fr2(k)[0030]其中，fo表示单频激光的频率，fa表示声光移频器的移频频率，fr1(k)与fr2(k)分别表示一对电光相位调制器在第k次动态跳频下的调制频率，分别等于第一可调时钟源16和第二可调时钟源17输出信号频率，k表示电光相位调制器的调制频率的序号，k＝0,1,2,3……p，k＝0时表示初始调制频率，k≥1时表示第k次动态跳频的调制频率，p表示动态跳频的总次数；i表示调制产生的激光边带的阶数，i＝0,±1,±2,……±q，q表示最大阶数；fm[i](k)和fr[i](k)分别表示第k次动态跳频后的测量光与参考光中第i阶激光边带的激光频率，下标m表示测量光(measurement)、下标r表示参考光(reference)。[0031]所述3)中，根据测量干涉信号采用测量光中对称的正负阶边带构建一级合成波长λs[j](k)，公式如下：[0032][0033][0034][0035]其中，λs[j](k)表示第k次动态跳频下的第j阶激光边带的一级合成波长，下标s表示一级，λm[j](k)、λm[-j](k)分别表示测量光中第j阶激光边带与第-j阶激光边带的激光波长，c表示真空光速；取±q阶以内的激光边带用于构建合成波长，j＝1,2,3……q；[0036]上述公式可见，一级合成波长λs[j](k)大小由测量光调制频率fr1(k)与阶数j共同决定。[0037]第k次(k≥1)跳频量与一对电光相位调制器的调制频率之间建立以下关系：[0038]δfr(k)＝fr1(k)-fr1(k-1)＝fr2(k)-fr2(k-1)[0039]然后每次第k次动态跳频后，利用第k次的一级合成波长与第k-1次的一级合成波长来构建获得二级合成波长，公式如下：[0040][0041]其中，λss[j](k)表示第k次动态跳频下的第j阶激光边带的二级合成波长，下标ss表示二级，δfr(k)表示两电光相位调制器调制频率等于第一可调时钟源16和第二可调时钟源17输出信号频率第k次的跳频量即跳频后与跳频前的频差。[0042]其中可见，二级合成波长大小由跳频量δfr(k)决定，即合成波长快速可调；当取±q阶以内的激光边带用于二级构建合成波长时，每次双动态边带进行跳频时可同时构建q个二级合成波长，二级合成波长大小与激光边带阶数呈反比例关系。[0043]跳频量越小，二级合成波长越大，反之跳频量越大，二级合成波长越小。进而通过控制跳频量能连续构建从km量级至mm量级的二级合成波长。[0044]此外，动态边带的跳频量溯源至原子钟，保证了所构建的二级合成波长的稳定性与可溯源性。[0045]所述3)中，测量干涉信号与监测干涉信号的频谱成分为：[0046]fi(k)＝fm[i](k)-fr[i](k)＝fa+i·[fr1(k)-fr2(k)][0047]其中，fi(k)表示第k次跳频下的测量光中第i阶激光边带与参考光中第i阶激光边带的频差[0048]在双动态边带跳频时，两调制频率的跳频量相等。使得每次跳频后同阶边带的频差仍等于初始频差fc，对应每次跳频后干涉信号频谱成分的频率不变，则频谱成分化简为fi(k)＝fa+i·fc，这样跳频后频谱成分不变有利于干涉信号的相位解调。[0049]所述3)中，对测量与监测干涉信号进行放大滤波和下混频，下混频后的两路信号通过现场可编程门阵列信号处理器(fpga)进行信号处理，按照以下公式获得测量干涉信号与监测干涉信号中的同阶边带信号的相位差：[0050][0051]其中，表示第k次动态跳频下的测量干涉信号中频率等于fi(k)对应第i阶激光边带的干涉信号的相位，表示第k次动态跳频下的监测干涉信号中频率等于fi(k)对应第i阶激光边带的干涉信号的相位，表示测量干涉信号与监测干涉信号中第i阶激光边带的相位差；[0052]再按照以下公式求解一级合成波长λs[j](k)的合成波长相位差与二级合成波长λss[j](k)的合成波长相位差表示如下：[0053][0054]φss[j](k)＝φss[j](k)-φss[j](k-1)[0055]其中，表示第k次动态跳频下的由测量光中±j阶激光边带构建的一级合成波长的合成波长相位差，表示第k次动态跳频下的由测量光中±j阶激光边带构建的二级合成波长的合成波长相位差。[0056]所述3)中，控制每次的跳频量大小使得二级合成波长随着跳频次数k的增加而逐级缩小，同时每次跳频时二级合成波长随着动态边带阶数序号j的增加而逐阶缩小。这样在二级合成波长矩阵λss中，每列中的元素从上到下依次递减，每行中的元素从左到右依次递减，左上角的二级合成波长λss[1](1)最大，具备最大的测量范围，右下角的二级合成波长λss[q](p)最小，具备更高的测量精度。[0057]所述4)中，采用双循环方式对二级合成波长矩阵λss进行合成波长“列过渡”与“行过渡”计算，实现从λss[1](1)到λss[q](p)的合成波长过渡：[0058]“列过渡”指从第1列到第p列逐列进行合成波长过渡，“列过渡”的每一列合成波长过渡中均进行“行过渡”，“行过渡”指每一列中从第1行到第q行逐行进行合成波长链过渡；[0059]针对每一列每一行的二级合成波长，均根据过渡到当前的合成波长过渡初始值经当前列当前行的二级合成波长进行合成波长过渡；[0060]所述的合成波长过渡是根据合成波长过渡理论按照以下公式进行处理：[0061][0062]其中，int[]表示就近取整，lin表示当前的合成波长过渡初始值，lout表示合成波长过渡结果，λ与ε表示当前列当前行的二级合成波长与对应的合成波长相位差；[0063]最终完成二级合成波长矩阵λss中所有二级合成波长λss[j](k)的合成波长过渡，获得二级最终合成波长过渡结果，即第p列第q行的二级合成波长λss[q](p)的合成波长过渡结果lss[q](p)。[0064]针对二级合成波长矩阵λss的第1列第1行的二级合成波长，取第1列第1行的二级合成波长λss[1](1)按照以下公式直接获得测量距离结果l1：[0065][0066]以测量距离结果l1作为第1列第1行的二级合成波长处的合成波长过渡初始值；[0067]针对第二列开始后每一列的第一行，均以上一列第q行的合成波长过渡结果作为合成波长过渡初始值；针对每一列从第二行开始，均以当前列上一行的合成波长过渡结果作为合成波长过渡初始值。这样在每一列中，从第二行开始均以上一行的合成波长过渡结果作为合成波长过渡初始值，逐行向下进行合成波长过渡。[0068]所述5)中，将各次动态跳频后的一级合成波长λs[j](k)对应的合成波长过渡结果ls[j]进行加权平均获得最终绝对距离，计算过程如下：[0069][0070]其中，ladm为双动态边带多外差干涉绝对距离测量的最终结果。[0071]一级合成波长与动态边带阶数序号j呈反比关系，随j的增加而逐阶缩小，在同等鉴相精度时，测量精度将逐阶提高。[0072]测量过程中，二级合成波长大于一级合成波长，且随着二级合成波长、一级合成波长各自的不断缩小，测量精度不断提高，最终可实现千米量级测量范围内微米量级精度的大长度绝对距离测量。[0073]所述5)中，再次进一步逐阶进行一级合成波长过渡，根据合成波长过渡理论求得一级合成波长λs[j](0)对应的合成波长过渡结果ls[j]，具体为：[0074][0075]其中，int[]表示就近取整，lss[q](p)表示二级合成波长最终过渡结果，ls[j]表示第j阶一级合成波长过渡结果。[0076]本发明用一对频率可调的电光相位调制器对激光进行调制，产生一对频率间隔不同的激光边带。两电光相位调制器由一对有特定频差的可调时钟源驱动；两激光边带频率由两可调时钟源决定，控制两可调时钟源的进行快速动态跳频，两激光边带的频率将快速随之动态改变，即双动态边带；两可调时钟源频差在跳频前后保持不变，则双动态边带同阶数边带间外差频差保持不变；每次动态跳频可同时产生多个大小由可调时钟源决定的可变合成波长；双动态边带结合外差干涉与多波长干涉测得待测距离。[0077]与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：[0078](1)本发明中双动态边带的可变合成波长构建方法，通过一对频率可调的相位调制器调制产生双动态边带，仅单次跳频就可同时构建多级合成波长，合成波长覆盖千米至毫米量级，解决了大长度绝对距离测量中难以从大到小连续精确构建合成波长链的问题；[0079](2)本发明通过双动态边带构建合成波长，具备快速跳频来构建合成波长的能力，所构建合成波长直接溯源至原子钟，具备出色的稳定性；并且仅需单台激光器作为光源，无需飞秒光频梳作为激光频率参考，无需偏频锁定系统，不受偏频锁定系统锁定能力限制，无需法珀腔或级联多个调制器，系统结构更加简洁；[0080](3)本发明双动态边带跳频前后频差保持不变，对应多外差频率也保持不变，有利于信号处理；采用基于fpga的多路相位解调方法进行多波长相位提取，具备实时性好精度高的优点。[0081]综合来说，本发明解决了多外差干涉绝对距离测量方法中难以从大到小连续精确构建多级合成波长、鉴相实时性与精度不够高的问题，可以广泛应用于多外差干涉绝对距离测量技术领域。附图说明[0082]图1是双动态边带跳频前后激光频率关系以及合成波长构建示意图。[0083]图2是本发明方法实施例装置的原理框图。[0084]图中：1、单频激光器，2、光纤分束器，3、声光移频器，4、第一电光相位调制器，5、第二电光相位调制器，6、正交光纤合束器，7、准直器，8、分光棱镜，9、偏振分光棱镜，10、参考角锥棱镜，11、测量角锥棱镜，12、驱动放大器，13、第一宽带放大器，14、第二宽带放大器，15、锁相环，16、第一可调时钟源，17、第二可调时钟源，18、原子钟，19、计算机，20、信号处理模块，21、第一光电探测器，22、第二光电探测器，23、第一检偏器，24、第二检偏器。具体实施方式[0085]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。[0086]如图2所示，装置包括单频激光器1、光纤分束器2、声光移频器3、第一电光相位调制器4、第二电光相位调制器5、正交光纤合束器6、准直器7、分光棱镜8、偏振分光棱镜9、参考角锥棱镜10、测量角锥棱镜11、驱动放大器12、第一宽带放大器13、第二宽带放大器14、固定时钟源15、第一可调时钟源16、第二可调时钟源17、原子钟18、计算机19、信号处理模块20、第一光电探测器21、第二光电探测器22、第一检偏器23、第二检偏器24。[0087]单频激光器1的输出端连接至光纤分束器2的输入端，光纤分束器2的两个输出端分别连接至声光移频器3和第二电光相位调制器5的输入端，声光移频器3的输出端连接至第一电光相位调制器4的输入端，第一电光相位调制器4的输出端和第二电光相位调制器5的输出端连接至正交光纤合束器6的两个输入端，正交光纤合束器6的输出端连接至准直器7的输入端。[0088]原子钟18分别连接至固定时钟源15、第一可调时钟源16和第二可调时钟源17的输入端；固定时钟源15输出端连接至驱动放大器12的输入端，驱动放大器12输出端连接到声光移频器3的控制端；第一可调时钟源16和第二可调时钟源17的输出端分别连接至第一宽带放大器13和第二宽带放大器14的输入端，第一宽带放大器13和第二宽带放大器14的输出端分别书连接到第一电光相位调制器4的输出端和第二电光相位调制器5的控制端。[0089]准直器7的输出端输出空间光入射至由分光棱镜8、偏振分光棱镜9、参考角锥棱镜10、测量角锥棱镜11、第一光电探测器21、第二光电探测器22、第一检偏器23和第二检偏器24组成的外差干涉光路，经外差干涉光路中的第一光电探测器21、第二光电探测器22采集参考和测量的两路干涉信号。[0090]外差干涉光路中，准直器7的输出空间光先入射分光棱镜8发生透射和反射，分光棱镜8的反射光经第一检偏器23后入射到第一光电探测器21中获得检测干涉信号，分光棱镜8的透射光再入射到参考角锥棱镜10的一处发生透射和反射，参考角锥棱镜10一处的反射光经参考角锥棱镜10内部的逆反射后在参考角锥棱镜10的另一处发生反射，参考角锥棱镜10一处的透射光经测量角锥棱镜11逆反射后回到参考角锥棱镜10的另一处发生透射，参考角锥棱镜10的另一处的反射光和透射光合束后经反射镜后再经第二检偏器24入射到第二光电探测器22中获得测量干涉信号。[0091]测量角锥棱镜11和待测物体固定在一起。[0092]还包括双动态边带控制与信号处理模块，双动态边带控制与信号处理模块具体包括相互连接的计算机19和信号处理模块20，原子钟18连接至信号处理模块20的输入端；[0093]计算机19的输出端连接至第一可调时钟源16和第二可调时钟源17的输入端，第一光电探测器21和第二光电探测器22的输出端连接至信号处理模块20的输入端，信号处理模块20的相位输出端连接至计算机19，计算机19分别和第一可调时钟源16和第二可调时钟源17连接。[0094]其中，由单频激光器1、光纤分束器2、声光移频器3、第一电光相位调制器4、第二电光相位调制器5、正交光纤合束器6、驱动放大器12、第一宽带放大器13、第二宽带放大器14、固定时钟源15、第一可调时钟源16、第二可调时钟源17和原子钟18共同构成了双动态边带生成模块；由分光棱镜8、偏振分光棱镜9、参考角锥棱镜10、测量角锥棱镜11、第一光电探测器21、第二光电探测器22、第一检偏器23和第二检偏器24共同构成了外差干涉光路；由计算机19和信号处理模块20共同构成了双动态边带控制与信号处理模块。[0095]如图2所示，单频激光器1输出的激光经光纤分束器2分为功率比为75:25两束激光，其中功率比为25％的激光先经声光调制器3进行移频，功率比为75％的激光与移频后的激光分别通过一对频率可调的第一电光相位调制器4与第二电光相位调制器5进行高频正弦相位调制，产生一对频率间隔不同并且动态可调的双动态边带，双动态边带的频率分别表示如下：[0096]fm[i](k)＝fo+i·fr1(k)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)[0097]fr[i](k)＝(fo-fa)+i·fr2(k)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)[0098]其中，fo表示单频激光器1的激光频率、fa表示声光移频器3的移频频率，fr1(k)与fr2(k)分别表示第一电光相位调制器4和第二电光相位调制器5的调制频率，k表示调制频率的序号(k＝0,1,2,3……p)，k＝0时表示初始调制频率，k≥1时表示第k次动态跳频的调制频率，p＝2表示动态跳频的总次数；i表示调制产生的激光边带的阶数(i＝0,±1,±2,……±q)，q表示最大阶数。[0099]双动态边带生成模块中，声光移频器3的驱动信号由溯源至原子钟18的固定时钟源15产生并由驱动放大器12进行功率放大。第一电光相位调制器4与第二电光相位调制器5的驱动信号由溯源至原子钟18的第一可调时钟源16和第二可调时钟源17产生并由第一宽带放大器13和第二宽带放大器14进行功率放大。第一电光相位调制器4和第二电光相位调制器5的调制频率等于第一可调时钟源16和第二可调时钟源17输出信号频率。第一可调时钟源16和第二可调时钟源17输出信号频率由计算机19发送的控制指令进行控制，即通过计算机19可实现双动态边带的跳频控制。频率为fm[i](k)和fr[i](k)的双动态边带所组成的测量光和参考光，经正交光纤合束器6将合为一束正交线偏振光，经准直器7的输出为空间光，其中测量光与参考光分别为p偏振态与s偏振态，入射至由分光棱镜8、偏振分光棱镜9、参考角锥棱镜10、测量角锥棱镜11、第一光电探测器21、第二光电探测器22、第一检偏器23和第二检偏器24组成的外差干涉光路。[0100]如图1所示，在外差干涉光路进行绝对距离测量时,采用测量光中的对称的正负阶边带构建一级合成波长λs[j](k)，公式如下：[0101][0102]其中，λm[j](k)＝c/fm[j](k)、λm[-j](k)＝c/fm[-j](k)分别表示测量光中第j阶与第-j阶激光边带的激光波长，c表示真空光速；假定取±q(q＝5)阶以内的激光边带用于构建合成波长，即j＝1,2,3……q；[0103]显然，一级合成波长λs[j](k)大小由测量光调制频率fr1(k)与阶数j共同决定，随着阶数的增加，一级合成波长将随之缩小，对应测量精度将随之提高。[0104]实施例中，两电光相位调制器的调制频率的初始频差为fc＝1khz，控制两电光相位调制器的调制频率以同样的跳频量进行动态跳频，第k次(k≥1)跳频量与两调制频率的关系可表示如下：[0105]δfr(k)＝fr1(k)-fr1(k-1)＝fr2(k)-fr2(k-1)ꢀꢀꢀꢀꢀ(4)[0106]第k次动态跳频后，用第k次的一级合成波长与第k-1次的一级合成波长来构建二级合成波长，公式如下：[0107][0108]其中，二级合成波长大小由跳频量δfr(k)决定，即合成波长快速可调；当取±q阶以内的激光边带用于二级构建合成波长时，每次双动态边带进行跳频时可同时构建q个二级合成波长，二级合成波长大小与激光边带阶数呈反比例关系；跳频量越小，二级合成波长越大，反之跳频量越大，二级合成波长越小。同时，动态边带的跳频量溯源至原子钟，保证了所构建的二级合成波长的稳定性与可溯源性。[0109]双动态边带用于多外差干涉测量时，第一光电探测器21、第二光电探测器22进行探测获得的监测干涉信号与测量干涉信号的频谱成分可表示如下：[0110][0111]由于在双动态边带跳频时，两调制频率的跳频量相等，每次跳频后同阶边带的频差仍等于初始频差fc，即fr1(k)-fr2(k)＝fc，对应每次跳频后干涉信号频谱成分频率不变，即fi(k)＝fa+i·fc，跳频后频谱成分不变有利于干涉信号的相位解调。以第4阶激光边带为例，跳频前后测量光与参考光中第4阶激光边带的频差均为f4(k)＝fa+4fc。实施例中，移频频率fa＝60mhz，原始干涉信号频谱呈现以fa＝60mhz为中心频率以频率间隔等于频差fc＝1khz的梳状分布，频谱覆盖范围为60mhz±5khz。[0112]信号处理模块20中，对干涉信号放大滤波并进行搬移频率为fd＝59.99mhz下混频，下混频后各频谱成分可表示为f′i＝(fa-fd)+i·fc，频谱覆盖范围为10±5khz，下混频后的信号经模数转换后传输至现场可编程门阵列信号处理器(fpga)。在fpga中，对两路信号均进行2q路并行相位解调，同时求得测量干涉信号与监测干涉信号的中各同阶边带信号的相位差[0113]fpga将求得的相位差以数组形式传输至计算机19用于绝对距离的解算。在计算机19中，通过labview程序运用相位差数组计算一级合成波长λs[j](k)与二级合成波长λss[j](k)的合成波长相位差(k)的合成波长相位差与φss[j](k)＝φs[j](k)-φs[j](k-1)，与待测距离l的关系可表示如下：[0114][0115][0116]其中，mod(x)1表示数值x的小数部分(大于等于0并且小于1)。[0117]计算机19发送指令控制第一可调时钟源16与第二可调时钟源17进行p次动态跳频，每次跳频后通过信号处理模块20求解并记录对应的合成波长相位差φs[j](k)、φss[j](k)，结合各一级合成波长、二级合成波长进行合成波长链过渡，求解绝对距离的过程如下：[0118]每次跳频时有2q个动态边带同时参与测量可同时构建q个二级合成波长λss[j](k)，即一共可产生pq个二级合成波长，方面起见，将这pq个二级合成波长记为q×p矩阵形式，表示如下：[0119][0120]控制每次的跳频量大小使得二级合成波长随着跳频次数k的增加而逐级缩小，同时每次跳频时二级合成波长随着动态边带阶数序号j的增加而逐阶缩小，则在二级合成波长矩阵λss中，每列中的元素从上到下依次递减，每行中的元素从左到右依次递减，左上角的二级合成波长λss[1](1)最大，具备最大的测量范围，右下角的二级合成波长λss[q](p)最小，在二级合成波长矩阵λss中绝对距离测量精度最高。[0121]为了实现从λss[1](1)到λss[q](p)的合成波长链过渡，采用双循环方式进行合成波长“列过渡”与“行过渡”计算，“列过渡”指从第1列到第p列的逐列合成波长链过渡，“行过渡”指每一列中再进行第1行到第q行的逐行合成波长链过渡。[0122]λss矩阵的第一列合成波长中，取第1行的合成波长λss[1](1)直接测量的距离结果λss[1](1)·φss[1](1)/2作为该列合成波长过渡初始值；第二列开始，取上一列的第q行合成波长过渡结果lss[q](k-1)作为该列第1行的合成波长过渡初始值进行过渡。在每一列中，从第二行开始均以上一行的合成波长过渡结果lss[j-1](k)作为合成波长过渡初始值，逐行向下进行合成波长过渡，最终完成二级合成波长λss[j](k)的合成波长过渡，对应绝对距离测量结果表示为lss[j](k)。其中，合成波长过渡根据合成波长过渡理论进行，公式如下：[0123][0124]式中，int[]表示就近取整，lin表示过渡初始值，lout表示过渡结果，λ与ε表示过渡的合成波长与对应相位差。[0125]完成p次双动态边带跳频后，计算机19发送指令控制第一可调时钟源16与第二可调时钟源17将双动态边带频率跳回初始值(k＝0)。以最小二级合成波长λss[q](p)对应测量结果lss[q](p)作为一级合成波长λs[j](0)的过渡初始值进一步逐阶进行一级合成波长过渡，求得一级合成波长λs[j](k)对应绝对距离测量结果ls[j]，计算过程如下：[0126][0127]为了进一步提高测量精度，将一级合成波长各阶测量结果进行加权平均，计算过程如下：[0128][0129]其中，ladm即为双动态边带多外差干涉绝对距离测量最终结果。[0130]实施例中，一共进行p＝2次动态跳频(δfr(1)＝0.75mhz、δfr(2)＝75mhz)，共构建200m至0.4m十个二级合成波长，对应测量范围为合成波长的一半，即最大测量范围可达100m。假定信号处理模块20中对合成波长相位差φs[j](k)、φss[j](k)解调的相对精度分别为0.1％、0.2％，则λss[1](1)＝200m对应距离测量精度为0.2m，二级合成波长随着阶数缩小至第±5阶，最小二级合成波长为λss[5](2)＝0.4m，对应距离测量精度提高至0.4mm。测量光调制频率初始值为fr1(0)＝18.75ghz，则±1至±5阶动态边带构建的一级合成波长覆盖8.0mm至1.6mm，对应距离测量精度分别为4.0μm至0.8μm，即各阶一级合成波长距离测量精度均为微米量级，通过对各一级合成波长距离测量结果进行加权平均，可以进一步提升距离测量精度。综上，经合成波长链过渡，最终可以实现100m大长度范围内微米级精度的绝对距离测量。[0131]综上可见，本发明中双动态边带的可变合成波长构建方法，通过一对频率可调的相位调制器调制产生双动态边带，仅单次跳频就可同时构建多级合成波长，合成波长覆盖千米至毫米量级，解决了大长度绝对距离测量中难以从大到小连续精确构建多级合成波长的问题。本发明通过双动态边带构建合成波长，具备快速跳频来构建合成波长的能力，所构建合成波长直接溯源至原子钟，具备出色的稳定性；并且仅需单台激光器作为光源，无需飞秒光频梳作为激光频率参考，无需偏频锁定系统，不受偏频锁定系统锁定能力限制，无需法珀腔或级联多个调制器，系统结构更加简洁。采用基于fpga进行多波长相位同步提取，具备实时性好鉴相精度高的优点。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。









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