基于調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的激光頻率掃描干涉儀色散相位補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高分辨率激光頻率掃描干涉儀色散補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光頻率掃描干涉儀在工業(yè)零件測(cè)量、飛行器表面加工、物體三維形貌建模等領(lǐng) 域發(fā)揮著重要作用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)更高分辨率的頻率掃描干涉儀提出了要求。提高 測(cè)量分辨率的關(guān)鍵是增大掃頻帶寬，然而，隨著掃頻帶寬的增加，用于校正測(cè)量信號(hào)拍頻非 線性的輔助干涉儀光纖色散隨之增大，測(cè)量信號(hào)經(jīng)輔助干涉儀校正非線性后，導(dǎo)致目標(biāo)頻 譜發(fā)生展寬，降低了測(cè)量分辨率。因此，輔助干涉儀光纖色散對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響需要進(jìn)行補(bǔ) 償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法測(cè)量分辨率低并且對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?問題，而提供了基于調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的激光頻率掃描干涉儀色散相位補(bǔ)償方法。
[0004] 基于調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的激光頻率掃描干涉儀色散相位補(bǔ)償方法，其特征在于 它按以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0005] ( -）建立高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散條件下的測(cè)量信號(hào)拍頻模型；
[0006] (二）采用相位法對(duì)測(cè)量信號(hào)拍頻模型的光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償：
[0007] (1)將測(cè)量信號(hào)乘以復(fù)相位補(bǔ)償項(xiàng)，通過調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償系數(shù)補(bǔ)償測(cè)量信號(hào)中的色 散相位畸變，當(dāng)測(cè)量信號(hào)的色散相位畸變得到補(bǔ)償時(shí)，信號(hào)的頻譜半高全寬將變窄；
[0008] (2)提出調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)作為判斷測(cè)量信號(hào)拍頻模型的相位畸變是否得到補(bǔ) 償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)；
[0009] (3)采用三分法尋找最佳色散補(bǔ)償系數(shù)對(duì)激光頻率掃描干涉儀光纖色散進(jìn)行補(bǔ) 償。
[0010] 發(fā)明效果：對(duì)距離2. 44m處的高度差為200 μ m的臺(tái)階進(jìn)行測(cè)量，色散補(bǔ)償前目標(biāo) 峰值產(chǎn)生偽峰，且無法分辨該高度差。采用本方案補(bǔ)償后，目標(biāo)峰值清晰可辨，且測(cè)得高度 差為201. 1 μ m，與實(shí)際值相比誤差為L 1 μ m，實(shí)現(xiàn)了大尺寸高分辨率測(cè)量。
【附圖說明】
[0011]圖1是激光頻率掃描干涉儀測(cè)量系統(tǒng)圖；
[0012] 圖2是頻率采樣法校正測(cè)量信號(hào)拍頻非線性過程；其中，（a)測(cè)量路拍信號(hào)，（b)輔 助干涉儀拍信號(hào)（觸發(fā)信號(hào)）；
[0013] 圖3(a)是經(jīng)校正非線性后的測(cè)量信號(hào)（采樣后信號(hào)）；(b)采樣后信號(hào)的Fourier 變換頻譜圖；
[0014] 圖4是考慮光纖色散情況下的輔助干涉儀拍頻；
[0015] 圖5是考慮輔助干涉儀光纖色散情況下的頻率采樣法；其中（a)測(cè)量路拍信號(hào)， (b)輔助干涉儀拍信號(hào)（觸發(fā)信號(hào)）；
[0016] 圖6是經(jīng)校正非線性后的測(cè)量信號(hào)（采樣后信號(hào)）；其中，（a)采樣后信號(hào)時(shí)域圖， (b) 采樣后信號(hào)的Fourier變換頻譜圖；
[0017] 圖7是測(cè)量信號(hào)譜峰輪廓隨S值的變化過程；
[0018] 圖8是補(bǔ)償系數(shù)與S值的變化關(guān)系；
[0019] 圖9是三步法尋找最佳補(bǔ)償系數(shù)的原理；
[0020] 圖10是單目標(biāo)情況下，對(duì)目標(biāo)峰值的補(bǔ)償；其中，（a)補(bǔ)償前；(b) S = 691230638 ; (c) S = 719881503 ;(d)S = 673929306 ;
[0021] 圖11是兩個(gè)目標(biāo)情況下，對(duì)目標(biāo)峰值的補(bǔ)償；其中，（a)補(bǔ)償前；(b) S = 9.8126X1015;(c)S = 1.0279X 1016;(d)S = 1.0151X1016。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0022] 一：基于調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的色散相位補(bǔ)償方法，它按以下步驟 實(shí)現(xiàn)：
[0023] (三）建立高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散條件下的測(cè)量信號(hào)拍頻模型；
[0024] (四）采用相位法對(duì)測(cè)量信號(hào)拍頻模型的光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償：
[0025] (1)將測(cè)量信號(hào)乘以復(fù)相位補(bǔ)償項(xiàng)，通過調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償系數(shù)補(bǔ)償測(cè)量信號(hào)中的色 散相位畸變，當(dāng)測(cè)量信號(hào)的色散相位畸變得到補(bǔ)償時(shí)，信號(hào)的頻譜半高全寬將變窄；
[0026] (2)提出調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)作為判斷測(cè)量信號(hào)拍頻模型的相位畸變是否得到補(bǔ) 償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)；補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量信號(hào)頻譜半高全寬變窄的同時(shí)，調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的值在增大，通 過比較調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的值判斷測(cè)量信號(hào)色散是否得到補(bǔ)償，當(dāng)調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù) 的值最大時(shí)，測(cè)量信號(hào)色散被完全補(bǔ)償，此時(shí)，頻譜最窄，測(cè)量分辨率最高；
[0027] (3)采用三分法尋找最佳色散補(bǔ)償系數(shù)對(duì)高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散 進(jìn)行補(bǔ)償。
[0028] 本實(shí)施方式的采用寬帶外腔調(diào)頻激光器進(jìn)行測(cè)量，所構(gòu)建掃頻干涉儀的系統(tǒng)原理 圖如圖1所示。外腔調(diào)頻激光器經(jīng)光學(xué)隔離器、耦合器1后分為兩路光，一路光經(jīng)過環(huán)形 器、光纖端面、發(fā)射接收系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)，由目標(biāo)返回的光與本振光疊加在平衡探測(cè)器B上形 成外差干涉，該部分為測(cè)量干涉儀，所形成的電信號(hào)為測(cè)量拍信號(hào)。實(shí)際中，激光器無法實(shí) 現(xiàn)理想線性調(diào)頻形式，所形成的拍信號(hào)頻率不是單一頻率，發(fā)生頻譜展寬，將導(dǎo)致很大的測(cè) 量誤差。為解決該問題，可采用頻率采樣法校正測(cè)量信號(hào)拍頻非線性，光經(jīng)過兩臂長差不等 的光纖后在平衡探測(cè)器A上疊加進(jìn)行外差干涉，該部分為輔助干涉儀，形成的信號(hào)為觸發(fā) 信號(hào)，采集卡記錄觸發(fā)信號(hào)相位每次經(jīng)過2 π的時(shí)刻，利用該時(shí)刻序列對(duì)進(jìn)入采集卡的測(cè) 量拍信號(hào)進(jìn)行同步采樣，可校正測(cè)量信號(hào)的拍頻非線性，如圖2所示。圖3為經(jīng)頻率采樣法 校正非線性后的測(cè)量信號(hào)，采樣后信號(hào)經(jīng)Fourier變換后的頻譜由展寬變?yōu)閱畏濉?br>[0029] 然而，實(shí)際中為實(shí)現(xiàn)大尺寸高分辨率測(cè)量，通常要求輔助干涉儀光纖長度很長，此 時(shí)，光纖色散效應(yīng)將隨寬帶光源的掃頻帶寬增加而增大。經(jīng)頻率采樣法采樣后，測(cè)量信號(hào)的 拍頻將隨掃頻帶寬增大產(chǎn)生變化，導(dǎo)致測(cè)距峰值發(fā)生展寬，測(cè)量分辨率下降，其模型如下。
[0030] 考慮光纖色散情況下的輔助干涉儀的拍頻圖如圖4所示。
【具體實(shí)施方式】 [0031] 二：本實(shí)施方式與一不同的是：步驟（一）具體為：
[0032] (1)由高分辨率激光頻率掃描干涉儀的輔助干涉儀形成的拍頻表示為式 (6)：
[0033]
(6)
[0034] 其中，所述表示輔助干涉儀中兩光纖臂長差對(duì)應(yīng)的時(shí)延，μ為調(diào)頻斜率，β 2 =-20ps2/km表示單模光纖的群速度色散，u g表示群速度，t表示激光器調(diào)頻時(shí)間；
[0035] (2)由于測(cè)量干涉儀與輔助干涉儀的拍頻與時(shí)延成正比，因此，采用頻率采樣法對(duì) 測(cè)量信號(hào)采樣后，測(cè)量干涉儀與輔助干涉儀的時(shí)延比值變?yōu)椋?br>[0036] m
[0037] 其中，所述測(cè)量干涉儀對(duì)應(yīng)于被測(cè)目標(biāo)形成的拍信號(hào)，輔助干涉儀為馬赫澤德干 涉儀，其形成的拍信號(hào)用來校正測(cè)量干涉儀信號(hào)的非線性，所述τ表示測(cè)量干涉儀的時(shí) 延，對(duì)應(yīng)于被測(cè)目標(biāo)的時(shí)延；T aux(t)表示隨調(diào)頻時(shí)間變化的輔助干涉儀時(shí)延；
[0038] (3)調(diào)諧波長選擇1542nm~1562nm，等效于調(diào)頻帶寬yt = 2.4911ΤΗΖ，由于 2 31 μ P2ugt << 1，忽略二次以上的項(xiàng)后，式（7)表示如下：
[0039]
(S)
[0040] (4)對(duì)應(yīng)于 220m 光程差的時(shí)延為 τ aux= 733ns，則 I 2 π μ β 2 υ g τ aux I < 10 9,其 影響忽略，對(duì)式（8)整理后，得到高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散條件下的測(cè)量信 號(hào)拍頻模型如式（9)所示：
[0041 ]
ψ)
[0042] 考慮輔助干涉儀光纖色散情況下的頻率采樣法過程如圖5所示。經(jīng)過采樣后的測(cè) 量信號(hào)如圖6所示，可以看出信號(hào)中含有啁嗽分量，信號(hào)頻譜發(fā)生了展寬。
[0043] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0044] 三：本實(shí)施方式與一或二不同的是：步驟（二）（1)具 體為：
[0045] (1)表示每次調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償因子后，計(jì)算S值，看其是否達(dá)到最大，當(dāng)S值最大時(shí)， 即認(rèn)為完成了色散補(bǔ)償。但是，在此過程中通常設(shè)置固定的步長改變相位補(bǔ)償因子，并每次 判斷S值，直到使得S值達(dá)到最大，補(bǔ)償速度比較慢。而（2)通過三分法避免了設(shè)置固定的 步長，可以通過較少的計(jì)算次數(shù)，找到S的最大值，因此，三分法提高了補(bǔ)償?shù)男省?br>[0046] 通過計(jì)算調(diào)焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的S值是否達(dá)到最大實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，將采樣后測(cè)量 信號(hào)乘以復(fù)相位補(bǔ)償項(xiàng)，補(bǔ)償采樣后測(cè)量信號(hào)的相位畸變I b，如式（10):
[0047] CN 105136021 A 兄明書 4/5 頁
(10)
[0048] 其中Pr為本振光的光強(qiáng)，P T為出射光的光強(qiáng)，ξ H為外差效率，為米樣后信號(hào) 的畸變相位，主要由輔助干涉儀光纖與測(cè)量