本發(fā)明屬于精密激光干涉測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種雙干涉儀的空氣折射率廓線的測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在重大裝備制造、裝配過(guò)程中，激光干涉測(cè)量方法與儀器已廣泛應(yīng)用于各類大型零部件在線精密測(cè)量、跟蹤定位。對(duì)于激光干涉測(cè)量，空氣折射率是影響測(cè)量精度的一個(gè)重要制約因素。

傳統(tǒng)的空氣折射率測(cè)量方法可分為間接測(cè)量法與直接測(cè)量法。間接測(cè)量法是在測(cè)量路徑中設(shè)置一系列的溫度、空氣壓強(qiáng)、濕度、co2成分等環(huán)境參數(shù)傳感器，代入edlen經(jīng)驗(yàn)公式或相關(guān)的修正公式間接計(jì)算空氣折射率。這種計(jì)算得到的空氣折射率不確定度主要取決于各環(huán)境參量的測(cè)量精度。而且，這種間接計(jì)算空氣折射率的方法需要保證整個(gè)測(cè)量路徑中環(huán)境參數(shù)分布均勻且變化緩慢。與此類似，目前研究的直接測(cè)量空氣折射率的方法，如多波長(zhǎng)干涉法、瑞利干涉發(fā)、真空腔標(biāo)準(zhǔn)具方法等。這類方法通常以真空中的折射率作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量光束在經(jīng)過(guò)真空和空氣光路時(shí)的光程差所產(chǎn)生的干涉條紋數(shù)，來(lái)獲得空氣折射率。然而，這類方法主要解決空間某一局部空氣折射率的測(cè)量問(wèn)題，且測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，不利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種空氣折射率廓線的測(cè)量系統(tǒng)及方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)量光束路徑上的空氣折射率序列，并以此擬合測(cè)量光束路徑上的空氣折射率空間分布。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種雙干涉儀的空氣折射率廓線的測(cè)量系統(tǒng)，包括激光器、光纖分束器、參考干涉儀、測(cè)量干涉儀、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；

激光器輸出的調(diào)諧激光通過(guò)光纖分束器分成兩束，一束激光通過(guò)第一光纖準(zhǔn)直器后，進(jìn)入?yún)⒖几缮鎯x形成干涉，參考干涉儀的干涉信號(hào)由第一光電探測(cè)器進(jìn)行接收；另一束激光通過(guò)第二光纖準(zhǔn)直器后，進(jìn)入測(cè)量干涉儀形成干涉，測(cè)量干涉儀的干涉信號(hào)由第二光電探測(cè)器進(jìn)行接收；

第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步的，激光器采用可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器。

進(jìn)一步的，參考干涉儀由第一分光鏡、第一參考反射棱鏡第一目標(biāo)反射棱鏡組成；參考干涉儀用籠式框架進(jìn)行固定，并置于環(huán)境穩(wěn)定的密封腔內(nèi)。

進(jìn)一步的，密封腔內(nèi)設(shè)有溫度、濕度、壓力傳感器。

進(jìn)一步的，測(cè)量干涉儀由第二分光鏡、第二參考反射棱鏡和第二目標(biāo)反射棱鏡組成；測(cè)量干涉儀的第二目標(biāo)反射棱鏡能夠沿著測(cè)量路徑來(lái)回移動(dòng)。

一種雙干涉儀的空氣折射率廓線的測(cè)量方法，包括以下步驟：

首先，將參考干涉儀放置于一個(gè)環(huán)境穩(wěn)定的密封腔內(nèi)，并且在密封腔內(nèi)內(nèi)置一個(gè)溫度、濕度、壓力傳感器，將測(cè)量干涉儀放置于待測(cè)路徑上；

其次，調(diào)節(jié)激光器的輸出模式，控制激光器輸出激光頻率線性變化的調(diào)諧激光；激光通過(guò)光纖分束器分成光強(qiáng)相等的兩束激光，一束進(jìn)入長(zhǎng)度固定且為lr的參考干涉儀，干涉信號(hào)由第一光電探測(cè)器進(jìn)行接收；另一束激光進(jìn)入長(zhǎng)度可調(diào)的測(cè)量干涉儀，干涉信號(hào)由第二光電探測(cè)器進(jìn)行接收；數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集到的兩路干涉信號(hào)；當(dāng)激光器光頻率線性輸出時(shí)，在一個(gè)單調(diào)區(qū)間內(nèi)，檢測(cè)到參考干涉儀的干涉條紋數(shù)為nr，對(duì)應(yīng)的測(cè)量干涉儀的條紋數(shù)為nm；

然后，控制測(cè)量干涉儀的第二目標(biāo)反射棱鏡沿路徑上移動(dòng)，在相同的單調(diào)區(qū)間內(nèi)檢測(cè)到第二目標(biāo)反射棱鏡移動(dòng)到第i個(gè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)量干涉儀的干涉條紋數(shù)為nmi，第i+1個(gè)點(diǎn)的干涉條紋數(shù)為nmi+1，且第二目標(biāo)反射棱鏡在相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的位移為δli；

接下來(lái)，讀取密封腔內(nèi)的溫度、濕度、壓力傳感器的測(cè)量參數(shù)，并利用edlen公式計(jì)算密封腔內(nèi)的空氣折射率nr；

利用空氣折射率計(jì)算公式，得到測(cè)量路徑上各點(diǎn)的折射率：

最后，通過(guò)對(duì)測(cè)量路徑上各點(diǎn)的折射率序列ni進(jìn)行樣條擬合，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)路徑上的折射率廓線分布的測(cè)量。

本發(fā)明與傳統(tǒng)的干涉法相比，具有以下有益效果：

本發(fā)明提出了一種可以直接測(cè)量路徑上空氣折射率廓線的系統(tǒng)及方法，擴(kuò)大了空氣折射率的測(cè)量范圍。同時(shí)，取代了在測(cè)量路徑上布置大量傳感器的方法，降低了測(cè)量成本，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和魯棒性。能夠應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境的空氣折射率的測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是基于雙干涉儀的空氣折射率廓線測(cè)量系統(tǒng)原理圖。

圖2是參考干涉信號(hào)和測(cè)量干涉信號(hào)示意圖。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)左側(cè)為記錄的參考干涉儀的干涉信號(hào)，右側(cè)為記錄的測(cè)量干涉儀的干涉信號(hào)。圖中反映的是參考干涉儀的目標(biāo)鏡在測(cè)量路徑中的某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，參考干涉儀和測(cè)量干涉儀分別檢測(cè)到的干涉信號(hào)。

其中：10-可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，11-光纖分束器，12-第一光纖準(zhǔn)直器，13-第一分光鏡，14-第一參考反射棱鏡，15-第一目標(biāo)反射棱鏡，16-第一光電探測(cè)器，17-第二光纖準(zhǔn)直器，18-第二參考反射棱鏡，19-第二分光鏡，20-第二光電探測(cè)器，21-第二目標(biāo)反射棱鏡，22-數(shù)據(jù)采集卡，23-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種雙干涉儀的空氣折射率廓線的測(cè)量系統(tǒng)，采用可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器、分束器、參考干涉儀以及測(cè)量干涉儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備與計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過(guò)軟件對(duì)參考干涉儀與測(cè)量干涉儀的干涉信號(hào)進(jìn)行相位提取，控制測(cè)量干涉儀目標(biāo)反射棱鏡移動(dòng)，并與放在恒定環(huán)境下參考干涉儀的空氣折射率進(jìn)行比較，計(jì)算出測(cè)量路徑上的一系列空氣折射率序列，通過(guò)樣條擬合的方法，進(jìn)而計(jì)算出測(cè)量路徑上的空氣折射率廓線。

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種雙干涉儀的空氣折射率廓線的測(cè)量系統(tǒng)，采用可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器10作為光源，輸出激光頻率線性變化的調(diào)諧激光。頻率調(diào)諧的激光通過(guò)光纖分束器11分成兩束，一束激光通過(guò)第一光纖準(zhǔn)直器12后，進(jìn)入到由第一分光鏡13、第一參考反射棱鏡14、第一目標(biāo)反射棱鏡15組成的參考干涉儀形成干涉，干涉信號(hào)由第一光電探測(cè)器16進(jìn)行接收；其中，參考干涉儀用籠式框架進(jìn)行固定，并置于一環(huán)境穩(wěn)定的密封腔內(nèi)。另一束激光通過(guò)第二光纖準(zhǔn)直器17后，進(jìn)入到由第二分光鏡19、第二參考反射棱鏡18、第二目標(biāo)反射棱鏡21組成的測(cè)量干涉儀形成干涉，測(cè)量干涉儀的干涉信號(hào)由第二光電探測(cè)器20進(jìn)行接收；其中，測(cè)量干涉儀的第二目標(biāo)反射棱鏡21可以沿著測(cè)量路徑來(lái)回移動(dòng)。

本發(fā)明一種雙干涉儀的空氣折射率廓線的測(cè)量方法，包括以下步驟：

首先，將參考干涉儀放置于一個(gè)環(huán)境穩(wěn)定的密封腔內(nèi)，并且在密封腔內(nèi)內(nèi)置一個(gè)溫度、濕度、壓力傳感器，將測(cè)量干涉儀放置于待測(cè)路徑上。

其次，通過(guò)調(diào)節(jié)中心波長(zhǎng)為780nm的newfocustlb-6813-p可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器10的輸出模式，控制激光器輸出激光頻率線性變化的調(diào)諧激光。激光通過(guò)光纖分束器11分成光強(qiáng)相等的兩束激光，一束進(jìn)入長(zhǎng)度固定且為lr的參考干涉儀，干涉信號(hào)由第一光電探測(cè)器16進(jìn)行接收。另一束激光進(jìn)入長(zhǎng)度可調(diào)的測(cè)量干涉儀，干涉信號(hào)由第二光電探測(cè)器20進(jìn)行接收。數(shù)據(jù)采集卡22同時(shí)采集到的兩路干涉信號(hào)示意圖如圖2所示。當(dāng)激光器光頻率線性輸出時(shí)，在一個(gè)單調(diào)區(qū)間內(nèi)，檢測(cè)到參考干涉儀的干涉條紋數(shù)為nr，對(duì)應(yīng)的測(cè)量干涉儀的條紋數(shù)為nm。

然后，控制測(cè)量干涉儀的第二目標(biāo)反射棱鏡21沿路徑上移動(dòng)，第二目標(biāo)反射棱鏡21移動(dòng)的距離大小和移動(dòng)的次數(shù)視被測(cè)路徑長(zhǎng)度而定，第二目標(biāo)反射棱鏡21移動(dòng)的距離越小，空氣折射率的測(cè)量精度越高；第二目標(biāo)反射棱鏡21移動(dòng)的次數(shù)越多，擬合出的空氣折射率廓線越準(zhǔn)確。在相同的單調(diào)區(qū)間內(nèi)檢測(cè)到第二目標(biāo)反射棱鏡21移動(dòng)到第i個(gè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)量干涉儀的干涉條紋數(shù)為nmi，第i+1個(gè)點(diǎn)的干涉條紋數(shù)為nmi+1，且第二目標(biāo)反射棱鏡21在相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的位移為δli。

接下來(lái)，讀取密封腔內(nèi)的溫度、濕度、氣壓傳感器的測(cè)量參數(shù)，并利用edlen公式計(jì)算密封腔內(nèi)的空氣折射率nr。

利用空氣折射率計(jì)算公式，得到測(cè)量路徑上各點(diǎn)的折射率：

最后，通過(guò)對(duì)測(cè)量路徑上各點(diǎn)的折射率序列ni進(jìn)行樣條擬合，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)路徑上的折射率廓線分布的測(cè)量。