專利名稱：：波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于精密測量技術(shù)中采用波動方法，包括外差干涉法的
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法。
背景技術(shù)：
：在真實的物質(zhì)世界中，波動這一類運(yùn)動形式存在著多種物質(zhì)載體。我們可以不失一般性地采用光波或其它形式的電磁波為例來討論，激光外差干涉法是一個典型的利用波動來測量的方法。激光外差干涉法可以用來測量位移和振動等物理量，是目前最好的納米測量方法之一。該方法是將被測位移量轉(zhuǎn)變到外差信號的頻率或者相位變化中，再將這種變化測量出來，由于外差信號的頻率比光頻低得多，光電信號容易處理，容易經(jīng)過電子細(xì)分而達(dá)到較高的測量分辨率。這種方法可以達(dá)到皮米(Pm)或更好的測量分辨率。但是在光外差干涉法這類技術(shù)中普遍存在著非線性(nonlinearity)問題，這個問題也同樣存在于其它種類波動的外差干涉測量中，比如普通電磁波，這些因素是納米測量的主要誤差來源，使其精度一般只有納米級，甚至十幾納米，其原因是作為外差干涉的測量光和參考光中兩個頻率不同的光線成分不能很好的分離，相互“串?dāng)_”。這些周期性的非線性誤差問題，多年來一直是該領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的障礙。多年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷地發(fā)明了一些改善的方法，但也多存在一些限制或問題，例如文獻(xiàn)iVGBadami，andSRPatterson，Afrequencydomainmethodforthemeasurementofnonlinearityinheterodyneinterferometry,Prec.Eng.，Vol.24,pp.41-9,2000.，公開了使用速率計和頻譜儀在移動系統(tǒng)直接測量非線性誤差成分并進(jìn)行補(bǔ)償；文獻(xiàn)iTaeBongEom,TaeYoungChoiiKeonHeeLeeetal..Asimplemethodforthecompensationofthenonlinearityintheheterodyneinterferometer[J].Meas.Sci.Technol.，2002，13222225’公幵了對相位信號積分后進(jìn)行橢圓擬合的方法來補(bǔ)償非線性誤差；文獻(xiàn)‘Highresolutionheterodyneinterferometerwithoutdetectableperiodicnonlinearity,Ki-NamJoo,JonathanD.Ellis,EricS.Buice,JoW.Spronck,andRobertH.MunnigSchmidt，OpticsExpress,Vol.18,Issue2,pp.1159-11652010’公開了使用雙頻激光器加上兩個聲光器件移頻等手段來消除非線性誤差。這些方法可以在沒有其它的輔助干涉儀存在時補(bǔ)償非線性誤差，但系統(tǒng)復(fù)雜，而且有些還需要大量的波動信號周期和相對大量的運(yùn)算，影響測量的實時性。2007年，我國業(yè)界著名學(xué)者侯文玫等(外差激光干涉儀非線性的細(xì)分和消除，上海理工大學(xué)光電學(xué)院，上海200093，計量學(xué)報-2007，28(3).-210215)公布了一種可以有效地減小雙頻激光干涉儀的各種非線性誤差的方法，它可以成倍地減小測量結(jié)果的相對誤差。其方法是改變干涉儀的結(jié)構(gòu)，增加測量光程的折返倍數(shù)。這樣就提高了測量靈敏度。即提高了單位位移量對應(yīng)的光電探測器輸出的交流電信號的相位變化量，使其呈同樣倍數(shù)地增加。而非線性誤差對應(yīng)的相角(誤差)的振幅是不變的。即成倍地減小了測量結(jié)果的相對誤差。在一定的范圍內(nèi)，這個方法有很好的效3果。但問題是如果要成數(shù)量級地減小非線性誤差，比如將非線性誤差減小到百分之一，那就需要上百倍的折返光路，而一般的講，這是困難的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種波動探測方法中非線性誤差的基波(也稱基頻，在業(yè)內(nèi)的文章中也被叫做一次諧波)和奇次諧波的消除法，可以消除周期性的非線性誤差，提高測量精度，將非線性誤差降低2-3個數(shù)量級以上。光外差干涉系統(tǒng)測量光臂的光電探測器所獲得的，是以形成干涉的兩束異頻光的光頻差為頻率的交流電信號，這個交流電信號還包含一個應(yīng)該與被測位移成精確的比例關(guān)系的，反應(yīng)了被測物體位移量的相位差，而這個相位差正是由異頻的兩束光的相位差產(chǎn)生的。這種形成干涉的兩光束的相位差信號就是我們在外差干涉法中所要得到的，包含著被探測物理量信息的信號。但是，由于形成干涉的兩光束不能在頻率上徹底分開，存在“串?dāng)_”現(xiàn)象等，因此在產(chǎn)生檢測目標(biāo)信號的同時，還產(chǎn)生了周期性的、主要分布在傅立葉頻譜的基波上的非線性誤差干擾信號，該干擾信號的相角可以通過測量形成干涉的兩光束——即參考光和測量光之間的光程差來確定?；谏鲜鰞?nèi)容，本發(fā)明采用下面的方法來消除非線性誤差的基波和奇次諧波成分將被探測信號所在光臂上的干涉光光電探測器由一個增加到兩個，通過調(diào)整探測器接收到的參考光和測量光之間的光程差，來改變形成干涉的兩光束的相位差，從而使兩個探測器接收到的兩束干涉光中，形成周期性的非線性誤差的兩個干擾信號的相位差為180°(或180°+2ηπ，其中，n是整數(shù)，以下類似之處不再重復(fù)說明)，進(jìn)而便可以在后續(xù)的電子學(xué)處理中消除非線性誤差成分。上述調(diào)整探測器接收到的參考光和測量光之間的光程差(對于其它波動形式可以叫做波程差)的方法中的一種方式是，將測量光和參考光各自再分成兩束，然后再分別作差頻干涉后，分別得到兩路外差干涉光束，送至兩個光電探測器各自檢測，并通過調(diào)節(jié)測量光或參考光之中的任一光束的光程，來調(diào)它們之間的光程差。本發(fā)明采用兩個對稱放置的楔形光學(xué)介質(zhì)塊對干涉光的相位進(jìn)行微調(diào)對于這個起微調(diào)作用的子系統(tǒng)，在光線的入射和出射的位置處，介質(zhì)表面垂直于入射和出射光線；而兩介質(zhì)塊相鄰的兩個平面平行但不垂直于入射和出射光線；在進(jìn)行相位調(diào)節(jié)時，這兩個平面保持距離不變，并且兩個介質(zhì)塊之間不做轉(zhuǎn)動。這樣便能夠單純地調(diào)節(jié)光程，而不影響被調(diào)節(jié)的干涉光的出射光線的位置和角位置。同時，可對光線的幅度做調(diào)節(jié)，使兩路光信號通道中，產(chǎn)生非線性誤差的干擾信號的振幅值相等?；谏鲜龅恼{(diào)節(jié)之后，光電探測器所獲得的兩個信號中，不但非線性誤差信號中基頻的幅度相等、方向相反，而且當(dāng)被探測物理量變化時，兩通道中代表被測物理量的相位變化的方向相同。即便此時兩路光電信號中的被探測信號也存在著相位差，那么也可以在后續(xù)電子學(xué)處理電路中將相位差調(diào)整，以使兩路信號中的被探測信號的相位一致，并通過運(yùn)算電路4使兩路電信號相加，便保留了被探測的信號成分，同時，這兩路檢出的電信號中包含的非線性誤差干擾成分，由于在相位差調(diào)整的過程中，大小和相位角偏移量均未改變，即保持了所謂的大小相等，方向相反的狀態(tài)，而彼此抵消掉了。實際上，當(dāng)兩路中的非線性誤差信號基波成分的相位相反時，其他的奇次諧波成分的相位也是相反的，所以其他的奇次諧波成分也會被彼此抵消。因此，應(yīng)用上述的方法，就能夠使得光外差干涉法檢測中，造成非線性誤差干擾的信號中基波成分等被消除或抑制，從而提高激光外差干涉法的測量精度。從理論上講，如果欲消除或減小的周期性非線性誤差成分不是一次諧波，即基波，而是η次諧波，甚至是任意的頻率成分f或f的奇數(shù)倍的頻率成分的情況，則可以利用同樣的裝置和原理，在含有相應(yīng)頻率干擾信號的檢測路徑中，增加相應(yīng)的光學(xué)和電子學(xué)電路，并通過調(diào)節(jié)使得該檢測電路中兩個光電探測器接收到的干涉波動信號中的周期性非線性誤差頻率為f的成分的大小相等、方向相反，即相位差互為180°，再通過后續(xù)的電子學(xué)處理，即可消除或抑制這些產(chǎn)生非線性誤差的干擾成分。在應(yīng)用上述消除或抑制非線性誤差干擾成分的方法時，不必滿足對調(diào)整兩束光的光波幅值相等的要求，而是在后續(xù)電路上最終通過運(yùn)算電路對電信號上進(jìn)行加權(quán)處理、移相和相加等處理，同樣可以消除或大幅度降低非線性誤差成分。這種降低對光波幅值調(diào)整要求的方法，可以應(yīng)用在各路光束(或各通道)中，被探測信號的有用信號和非線性誤差干擾信號同時存在不同的“信噪比”或幅度的情況。除上述先在光電信號部分的，以光頻的差頻為頻率的電信號階段，通過移相、加權(quán)、疊加等方法來抵消產(chǎn)生非線性誤差干擾信號的方式以外，還可以將其被分成兩路的光電探測信號分別象原有的外差干涉系統(tǒng)那樣處理，在最后的測量結(jié)果之后，再進(jìn)行加權(quán)和疊加等處理。因此，本發(fā)明方法所及的原理中可采用的電子學(xué)處理方法并不唯一。依照本發(fā)明的方法，消除誤差的過程，不需要知道非線性誤差的幅度和相位的具體數(shù)值。異頻光的產(chǎn)生方法，可以是通過聲光器件，也可以是其它方法，如雙頻激光器等。本發(fā)明方法的特點是，沒有在原有外差干涉法的任何部分和結(jié)構(gòu)上增加了任何的非線性誤差成分，而只是在原有的誤差基礎(chǔ)上大幅度消除這種誤差。這樣即便是出現(xiàn)任何原因引起的完全失調(diào)，將不會使非線性誤差大于原有的誤差。本發(fā)明方法的光學(xué)處理部分，適用于各類集成光學(xué)方式，包括光纖方式，也適用于體波方式。本方法的電信號處理過程，也適用于各類模擬量處理或數(shù)字量處理。另外，本方法對參考信號的選取，可以由光學(xué)處理部分的光外差處理得到，或直接由后續(xù)電學(xué)處理部分對電信號的電路運(yùn)算處理得到。這種選擇處理方式的多樣性同樣是本發(fā)明所具有的優(yōu)點和意義。本發(fā)明所提出的消除或減小波動信號中任何諧波成分所產(chǎn)生的非線性干擾，從而提高測量精度的方法，適用范圍廣，對于應(yīng)用同類工作原理的任何其它波動形式，如其它波段的電磁波、聲波等，本發(fā)明所提出的方法和原理均適用。在一般性的原理中，由于紫外探測器、紅外探測器和前面所述的光電探測器并不能響應(yīng)光頻級的電磁波，而是能夠響應(yīng)該電磁波載波上的較低調(diào)制頻率或干涉的拍頻。因此，在將本發(fā)明應(yīng)用于波長在紅外或紫外區(qū)段內(nèi)的電磁波所進(jìn)行外差干涉法的測量時，只5需將所述的光電探測器替換為相應(yīng)的紫外探測器或紅外探測器，則所應(yīng)用的紫外探測器或紅外探測器同樣可以實現(xiàn)對被檢測波動信號中任何諧波成分所產(chǎn)生的非線性誤差干擾的檢波功能，并通過本發(fā)明提供的其它步驟，達(dá)到消除或減小誤差的目的。對于被檢測波動信號為聲波的情況，則光電探測器為麥克，而對于聲表面波可以是叉指換能器等等，它們的后面可以繼續(xù)做混頻、變頻等等；也可在非干涉方法中，直接與其他信號進(jìn)行相位比較等等，在這樣的過程中，非線性誤差等周期性的有害信號會檢出于像變頻、相位比較(如相敏檢波)等這類信號檢出的環(huán)節(jié)，而不一定像可見光等那樣產(chǎn)生在探測器上，這時本方法所需要得到的兩個相位反向的干擾信號成分，就不一定來源于兩個探測部分，而是更一般地來源于像變頻、相位比較等這類相位檢出部分。當(dāng)然，如果將探測器和后面的變頻部分等看做是一個整體，那么就可以完全地起到與光電探測器完全相對應(yīng)的作用。綜上，本發(fā)明是，在利用各種波動信號(包括激光外差干涉)的測量方法中，消除或減小存在對被測物理量呈周期性的非線性誤差(或其他呈周期性的干擾成分)中的基頻(即一次諧波)，和其它奇次諧波成分；或者是消除或減小其中任意的某一頻率成分f，也可包括可能存在的3f、5f、7f......等這些奇數(shù)的諧波成分，提高外差干涉法測量精度的方法。該方法的技術(shù)方案是在存在周期性誤差的波動信號通道上，將混頻部分或相位檢出部分由通常的一路增加到兩路，并通過對于檢出信號中所包含的周期性誤差信號的相位做連續(xù)的調(diào)節(jié)或設(shè)置，使其這兩路輸出中的周期性誤差干擾成分的基頻或頻率f的相位差互為180°(或180°+2ηπ，其中，n是整數(shù))，便可以通過后續(xù)的電子學(xué)處理來消除或抑制這些周期性的非線性誤差成分。對于激光外差干涉測量法，上述波動信號的通道是指在干涉光路上。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的方法能夠有效地消除或大幅地降低非線性誤差等周期性干擾成分，提高測量精度。本發(fā)明新增的部分主要是在原有激光外差干涉測量系統(tǒng)中存在的類似器件和結(jié)構(gòu)，該新增部分不會給整個測量系統(tǒng)帶來明顯的新的誤差來源、成本、體積和重量，也不會明顯的破壞整個測量系統(tǒng)的可靠性；新增部分的電子學(xué)部分，其特點是精度高和成本低，有很小的體積和重量，可靠性極好，與新增的光學(xué)部分結(jié)合起來后，使整體功能強(qiáng)大，而成本增加很小。圖1是本發(fā)明激光外差干涉法中非線性誤差中基波和奇次諧波的消除法原理示意圖。圖2是本發(fā)明方法中相位調(diào)節(jié)器的原理示意圖。圖中1、激光器，2、第一分光鏡，3、聲光器件，4、第二分光鏡，5、測量棱鏡，6、第三分光鏡，7、第一偏振片，8、第一反射鏡，9、第四分光鏡，10、第二反射鏡，11、第一光電探測器，12、第二偏振片，13、第二光電探測器，14、第五分光鏡，15、光程微調(diào)裝置，16、第三反射鏡，17、第三偏振片，18、第三光電探測器，19、加權(quán)運(yùn)算，20、移相部分，21、加權(quán)運(yùn)算，22、加法運(yùn)算，23、相位比較。具體實施例方式如圖1所示，以光學(xué)應(yīng)用為例，在原有的激光外差干涉測量法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的6方法是增加了圖中虛線框中的部分，用以與原有的激光外差干涉測量法配合來實現(xiàn)本發(fā)明所述的原理和功能。首先，闡述原有的激光外差干涉測量法的工作原理由激光器1發(fā)出激光，經(jīng)第一分光鏡2的透射光入射到聲光器件3，被聲光器件3移頻后出射到第二分光鏡4，經(jīng)第二分光鏡4的透射光由測量棱鏡5反射回來，入射到第三分光鏡6，經(jīng)第三分光鏡6反射的光線與經(jīng)第二反射鏡10反射的光線經(jīng)過第一偏振片7干涉。由第一分光鏡2反射的光線，為后續(xù)的各光路干涉部分提供參考光線，該反射的光線經(jīng)第一反射鏡8反射進(jìn)入第四分光鏡9，再經(jīng)過第四分光鏡9、第二反射鏡10之后，與第三分光鏡6的反射光一同入射到第一偏振片7，經(jīng)第一偏振片7出射的干涉光由第一光電探測器11將兩光的差頻部分轉(zhuǎn)換成交流電信號。該電信號作為測量信號，該電信號包含有從測量棱鏡5上面獲得的位移信息以及干涉過程中的非線性誤差成分。由第二分光鏡4反射的光線與第四分光鏡9反射的光線匯合，一同入射到第二偏振片12，經(jīng)第二偏振片12出射的干涉光由第二光電探測器13將兩光的差頻部分轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號作為參考信號，在原有的激光外差干涉測量法中，將參考信號與測量信號進(jìn)行比較，便解出由測量棱鏡5上面獲得的位移信息，此位移信息中含有破壞測量精度的非線性誤差成分。本發(fā)明在上述原有的激光外差干涉測量法基礎(chǔ)之上，增加了圖1中的虛線框內(nèi)的部分。其中，由第四分光鏡9透射的光線射入第五分光鏡14，經(jīng)第五分光鏡14反射的光線射入光程微調(diào)裝置15，經(jīng)過光程微調(diào)裝置15入射到第三偏振片17；第三分光鏡6的透射光經(jīng)第三反射鏡16反射后，也入射到第三偏振片17，兩光相干涉后由第三光電探測器18將兩光的差頻部分轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號與第一光電探測器11輸出的測量信號，除了下面的區(qū)別之外是完全一樣的，兩路信號的區(qū)別是經(jīng)過光程微調(diào)裝置15的調(diào)節(jié)，使第三光電探測器18探測的干涉光信號中，或輸出的電信號中的非線性誤差信號的基波部分，在兩路之間有180°的相位差。至此，根據(jù)所獲得的信息量，足以實時地得到準(zhǔn)確的測量值。即，對應(yīng)于被測的位移量所引起的相位的變化，兩路的輸出量是相同的。移相部分20的作用是使兩路信號中的有用信號具有相同的相位，以便在隨后的加法運(yùn)算22中，兩路信號被加強(qiáng)，而不是被抵消或降低。兩路中存在的非線性誤差的基波成分，則是方向相反的，在分別通過各自的加權(quán)運(yùn)算19和加權(quán)運(yùn)算21進(jìn)行適當(dāng)加權(quán)之后的加法運(yùn)算22中被抵消掉。經(jīng)過加法運(yùn)算22之后的信號，與現(xiàn)有技術(shù)相同，即，再與由第二光電探測器13輸出的參考信號進(jìn)行相位比較23，以輸出純凈的測量結(jié)果。對于一般波動信號來說，本發(fā)明只需要在上述圖1的光路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將上述光源部分和各部分的名稱做了改變和調(diào)整之后，即可完全地實現(xiàn)本發(fā)明對于一般波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波的消除法。比如，將圖1中光源部分，包括激光器1、第一分光鏡2、聲光器件3和第一反射鏡8換成雙頻波束發(fā)生器，分別發(fā)出不同頻率的兩波束，即參考波束和測量波束；對于光電探測器來說，一般波動信號可以叫做探測器，例如可以是紅外線探測器，或紫外線探測器，或麥克(傳聲器)和混頻器，或電磁波天線和混頻器；對于一般波動信號，可以將圖1中的反射鏡換成反射器；文字說明中的光的概念換成波的概念等。通過上述名稱的改變，我們并不需要改變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，也不需要改變圖1中的原理圖。因此，實施例中的內(nèi)容，也同樣適用于幾乎任何的波的形式。對于可見光段內(nèi)部，我們也不詳細(xì)討論和設(shè)置實施例于不同的波段(如氦氖紅光和其他的可見光)以及應(yīng)該采用哪種材料和工藝的Pin探測器等。權(quán)利要求波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法，其特征在于，該方法是在存在對于被測量的周期性的非線性誤差的波動信號的通道上，將混頻部分或相位檢出部分由一路增加到兩路，并通過對檢出信號中所包含的周期性誤差信號的相位做連續(xù)的調(diào)節(jié)或設(shè)置，使這兩路輸出中的周期性誤差干擾成分的基波的相位差互為180°或180°+2nπ，其中，n是整數(shù)，然后，通過后續(xù)的電子學(xué)處理來消除或減小這些周期性誤差的基波和奇次諧波成分。2.如權(quán)利要求1所述的波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法，其特征在于，若所述的波動探測方法為光外差干涉測量法，則該光外差干涉測量法中非線性誤差的基波和奇次諧波的消除法是在存在周期性非線性誤差的干涉光路上，將光電探測部分由一個增加到兩個，并通過連續(xù)地調(diào)節(jié)或設(shè)置其至少一路的光電探測器接收到的參考光與測量光之間的相位差，來實現(xiàn)使兩個光電探測器接收到的干涉光中的周期性非線性誤差干擾成分基波的相位差互為180°或180°+2ηπ，其中，η是整數(shù)，然后，通過后續(xù)的電子學(xué)處理來消除或減小非線性誤差的基波和奇次諧波成分。3.如權(quán)利要求2所述的波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)或設(shè)置光電探測器接收到的參考光與測量光之間的相位差的方法是將測量光和參考光各分成兩束，再分別作差頻干涉，得到兩路外差干涉光束，分別由兩個光電探測器探測，并通過調(diào)節(jié)至少一個干涉光路中參與干涉的測量光和參考光中的至少一個光束的光程，來調(diào)節(jié)參與干涉的測量光和參考光的光程差。4.如權(quán)利要求2或3所述的波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)光電探測器接收到的參考光與測量光之間相位差的方法是由兩個對稱的折射率相等的楔型光學(xué)介質(zhì)塊實現(xiàn)的，每個介質(zhì)塊的兩個光學(xué)面之間具有相同的夾角，在光線入射和出射的位置處，兩光學(xué)介質(zhì)塊的介質(zhì)表面垂直于光線；兩光學(xué)介質(zhì)塊相鄰的光學(xué)面平行且不垂直于入射和出射光線，在調(diào)整相位時，平行的兩個光學(xué)面間的距離保持不變。5.如權(quán)利要求4所述的波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法，其特征在于，所述兩個楔型光學(xué)介質(zhì)塊相平行的光學(xué)平面與垂直于光線的平面之間的夾角不大于0.1度。全文摘要本發(fā)明波動探測方法中非線性誤差的基波和奇次諧波消除法屬于精密測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，該方法在激光外差干涉法測量的過程中，將攜帶被測物理量信息的干涉光由兩個光電探測器接收，通過光程差的調(diào)整或設(shè)置，使探測到的兩路中周期性的非線性誤差的相位反向，然后，在后續(xù)的電子學(xué)處理中消除周期性的非線性誤差中占據(jù)主部的基波成分等。本發(fā)明的方法可以消除非線性誤差的主部，提高精度，可以將非線性誤差降低2-3個數(shù)量級以上。文檔編號G01D3/036GK101936747SQ20101023844公開日2011年1月5日申請日期2010年7月28日優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日發(fā)明者孫強(qiáng),李也凡申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所