基于白光干涉的绝对距离测量

第一章绪论1．1测量绝对距离技术概论绝对距离测量指无导轨测长。

激光干涉仪测量过程中虽然可以达到纳米级甚至亚纳米级的测量精度，但也有种种局限性，如只能进行增量式测量，测量过程不能间断，以及需要导轨作为参考标准等等。

这些缺点限制了激光干涉仪的应用场合。

所以在实际测量中迫切需要无导轨绝对距离测量。

1．1．1绝对距离干涉测量(无导轨测量)方法无导轨测量的研究历史应该追溯到迈克尔逊时代。

在1892年把国际标准米尺与Cd红线波长相比较提高了小数重合法。

在激光出现之后，激光光谱学的研究结果向人们展示了极为丰富的谱线系列和令人振奋的相干特性。

1976年，C．R．Ti lford和A．G．0rszag首先报导了使用CO2激光器进行多波长干涉测长而不必求助于其他初测手段，成为严格意义上的激光多波长无导轨测量的开端。

1977年C．R．Ti 1ford对于由条纹尾数确定长度的分析法进行了系统的理论分析，并且提供了合成波长的概念，对激光多波长干涉测量起了重要的推动作用。

此后各国科学家开展研究。

无导轨测量比有导轨测量有明显的优点，因为它不但省去了导轨，也避免了在累加计数过程中出现的误差甚至是错误，省去了滑板移动的时间等等。

另一个更为重要的优点是在三维跟踪控制中应用更为方便和避免余弦误差的不断累积。

激光多波长无导轨测量技术无疑会推动测量机器人的发展。

1．2绝对距离测量原理用光学干涉仪测量长度时，干涉仪的干涉条纹与被测光程差之间的关系下：其中L为被测长度，N，ε分别为干涉条纹的整数级次和小数部分。

它们都是正数，λ是光波波长。

上式中ε可以直接通过干涉仪精确测量出来，N可以有两种方法获得：一是利用条纹计数。

二是利用L的已知初始值，通过计算估计，确定N即无导轨绝对距离测量法。

设被测长度L的粗测值为L0，其测量的不确定度为△L，即L= L0+△L，那么：两式相减得：要使整数唯一确定，只需使m1-m2<1，即△L <λs/4。

即如果已知L的初值不确定度小于所用波长的四分之一，那么2L／λs的整数部分唯一确定，这时只需测量出小数级次，就可精确测量出长度L。

这就是绝对距离干涉测量的基本原理。

由于直接用于长度测量的光波波长很短，因此利用单波长实现绝对距离测量是很困难的，对粗测精度要求太高，难于实现。

要实现绝对距离测量，必须有一个波长较长的波。

如果当两光波的波长λ1, λ2相差较小时，λS将远大于λ1和λ2，就是说可以获得一个波长较长的拍波。

该拍波也称为合成波。

综上所述：1光学拍波可为实现绝对距离测量提供合适的波长。

2为了放宽对被测量长度初始值的要求，可采用多个波长相近的光波形成多级合成波长链。

根据粗测值得到的各波长的小数级次计算值与测量值的重合程度确定整数级次，从而得到被测距离的精确值。

几种绝对距离的测量方法。

1．可调谐半导体激光器测距2．光学倍程干涉法3．白光于涉法1．3国内外研究现状90年代以来，随着计算机信息技术和光学信息的发展，国内外绝对距离测量技术也是有相当大的进展。

近年来在绝对距离测量方面，我国的高校试验室或研究所在激光干涉和白光干涉都有很大的关注，其中以激光干涉为主，白光干涉测绝对距离比较少，而国外在白光干涉测绝对距离方面有很多的涉及。

1994年清华大学精仪系首次介绍了基于小数重合法的无导轨绝对距离测量技术并报导研制的多波长无导轨绝对距离测量系统。

其后该系提出了一种可用于绝对距离测量的波长扫描光纤干涉仪。

理论分析了法布里泊罗腔多光束干涉所产生的干扰以及扫描过程中波的随机漂移对输出信噪比的影响，设计了相应的信号处理算法，达到了距离测量所要求的0．05微米的精度和0．01微米的分辨率。

1999年该系和美国的Calimetrics有限公司又提出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测量外差干涉仪，并在25m的测量范围取得了140微米的测量精度。

2002年天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室研究了一种基于光纤准自光干涉技术的大量程绝对测距系统系统首次引入光开关器件用于量程倍增。

2006年清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。

系统包括两个干涉仪：采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。

采用这套绝对测量系统可以实现长度为2m以内的绝对距离测量，定位精度可以达到±0．5微米。

1995年瑞士Neuchatel大学的显微技术学院研究的白光通道截取光谱干涉仪用于绝对距离测量的测量范围是8微米～1．9毫米。

其采用衍射元件和探测阵列来扫描干涉信号，利用对条纹间隔的四次同步采样来获得光谱干涉图的局部相位，由许多测量相位与波长的比值可以计算出绝对距离。

2002年捷克Silesian大学的物理学院和俄罗斯的Technical大学的精密机械及光学学院提出了一种在MICHELSON干涉仪低色散和宽波长范围决定的光谱干涉条纹的条件下的干涉测量技术。

利用白光干涉原理的测量系统具有非接触性、非破坏性、高精确度、快速检测和结构紧凑等突出优点，对难以接触的各种复杂的工作环境进行测量和控制，有着广泛的应用前景，适合实时监控生产过程，以达到自动控制生产流程、保证高质量和高效率的目的。

同时该系统具有光机电算一体化现代系统特征，适合在当今高度发达的信息社会对复杂信息进行实时、高速采集、数据处理和自动控制的迫切要求。

1．4论文的研究内容本文对绝对距离测量技术进行了延伸研究。

在实验室条件下，通过对迈克尔逊干涉仪的臂长差进行测量研究，得出关于绝对距离测量的一些结论，本课题主要完成以下的研究工作：1分析和讨论白光干涉法测量绝对距离的原理。

2介绍并讨论了白光干涉测量系统的组成部分。

3分析测量系统的各样性能指标，详细讨论影响仪器性能参数的各种可能因素及消除方法，并通过试验进行验证。

第二章白光干涉测量术2．1引言光的干涉测试本质是以光波的波长作为单位进行计量的，传统的干涉计量主要检测的是干涉条纹，通过检测条纹位置、形状、间距等的变化，精确测定一些物理量的微小量值。

在这些测量系统中，最常使用的是以各类单模或窄频带高相干激光设备作为光源的测量系统。

这类系统采用激光波长为标准量，在精密测量条件下，可达纳米级至亚纳米级的测量精度，这类系统诸多的限制因素给系统的实用化和进一步推广带来相当大的困难。

而采用低相干光源的白光干涉仪则能解决其中的一些难题。

由于低相干光源的相干长度很小(大约为几个微米到几十个微米)j干涉仪输出的干涉条纹的特征是有一个主极大值，它与零光程差位置相对应，称为中心条纹：中心条纹位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，根据该位置可获得被测物理量的绝对值。

当对物理量的测量转变为对干涉信号中心条纹的有效识别，即检测干涉条纹的相对差异，而不是决定绝对强度时，则减弱了系统对信号检测和处理的难度，减少了系统硬件的开销，降低了系统的复杂性。

同时，由于采用此种信号检测方法，降低了系统对外界环境因素的敏感性，提高了系统的抗干扰能力。

同时能使测量的动态范围得以扩大，分辨率得以提高。

由于以上的优良特性，低相干技术被认为是一种非常有前途的干涉测量技术，近年来低相干光干涉测量系统的应用研究也非常活跃，如：白光干涉的绝对测量的特性让其在位移距离测量中也独占优势；另外扫描白光干涉技术也广泛的应用在表面三维形貌的测量上；此外，用于应变、压力温度等物理量的测量；建筑结构、石化工业环境噪声等方面也得到了相当广泛的应用。

因此，白光干涉仪是一种非常有用且功能众多的光学测量仪器。

本文根据这种成熟的白光干涉理论，通过光纤对接白光干涉组件，组成调节方便、结构紧凑、坚固可靠的绝对距离测量系统。

同时本文中避开了对干涉条纹的直接检测而通过对干涉光谱分析的方法进行距离计算，能够极大地提高测试的动态范围和精确度。

本章从光的干涉理论出发，详细研究白光干涉的原理、实现方法、白光光源的光学特征及其干涉特性，为自光干涉测量系统的建立和实现奠定理论基础。

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电话信道建模对通信系统的建设有着重要的意义。

通信信道建模与仿真贯穿着通信系统.1_程设计的全过程。

'言通过所建信道模型的仿真结果来对实际的建设提供指导，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考口。