提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明半导体激光正弦相位调制干涉仪的结构示意图。由图可见，本发明所采用的半导体激光正弦相位调制干涉仪的构成为：包括带有光源控制器1的光源2、隔离器3、光纤耦合器4、准直器5、光电探测器6、数据采集卡7、计算机8、压电陶瓷9和信号发生器10，在所述的计算机8的控制下所述的信号发生器10为光源控制器1输入控制信号，光源控制器1为光源2提供驱动电流，由光源2发射的激光光束通过第一段光纤201进入隔离器3，由隔离器3出射后，通过第二段光纤301进入光纤耦合器4内，由光纤耦合器4出射后通过第三段光纤401，经过准直器5准直后照射到待测物体11上，由待测物体11表面反射的光和由准直器5出射端面反射的光再次通过准直器5、第三段光纤401和光纤耦合器4后，经过第四段光纤402入射到光电探测器6，该光电探测器6将光信号转化为电信号后由数据采集卡7采集，该数据采集卡7输入端口7a与光电探测器6的输出端口相连，输出端口7b与计算机8的输入端口相连，信号发生器10包含第一输出端口10a、第二输出端口10b和输入端口10c，第一输出端口10a与光源控制器1的输入端口相连，第二输出端口10b与压电陶瓷9的输入端口相连，输入端口10c与计算机8的输出端口相连，计算机8带有数据处理程序。

所说的光源控制器1具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制光源2的温度，使光源2的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块可为光源2提供直流偏置和交流信号。

所说的隔离器3是使光单向通过的元件。

所说的准直器4是使出射光为平行光的光学元件。

所说的光电探测器6是具有光电转换功能和信号放大功能的元件。

所说的信号发生器10是具有输出标准三角波和正弦波信号功能的器件，该功能也可以利用具有输出功能的数据采集卡实现。

本发明提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法，包括具体测量步骤如下：

①参数测定：

开启光源2，并使其注入电流保持为直流，此时光源2发出激光的中心波长为λ₀，所述的计算机8控制信号发生器10产生的正弦信号驱动压电陶瓷9，使压电陶瓷9产生一个振幅大于λ₀/8的正弦振动，此时所述的光电探测器6所探测到的干涉信号为：P′(t)＝SS₀+SS₁cos[α(t)+α₀]，其中：α(t)和α₀分别为由压电陶瓷9的振动和初始光程差决定的相位，由于cos[α(t)+α₀]的值可以达到1，干涉信号P′(t)的交流幅值为SS₁，即为所测定的参数；

②粗测光程差：

所述的计算机8控制信号发生器10停止压电陶瓷9的振动，并控制信号发生器10的输出端口10a向光源控制器1输出三角波信号，光源控制器1对光源2注入三角波电流进行调制，所述的数据采集卡7采集所述的光电探测器6探测的线性调频信号，截取一段干涉信号进行数波数，并利用下列公式计算光程差的粗测值lc：

$l_c=\frac{m{\lambda }_0^2}{{\beta }_0\mathrm{b\Delta t}},$

其中：β₀为光源2输出的激光波长随驱动电流的变化系数，b为三角波电流的幅值；Δt为所截取的干涉信号的时间，m为干涉信号的波数；

③计算正弦调制电流幅度：

所述的计算机8根据所述的光程差的粗测值l_c和正弦相位调制深度z＝3.054按下式确定光源2调制的正弦电流幅值a，

$z=4\mathrm{\pi a}{\beta }_0{l}_c/{\lambda }_0^2$为3.054；

④测量并计算待测物体11的振动信息：

所述的计算机8控制所述的信号发生器10输出正弦波信号，使所述的光源控制器1向光源2注入具有所述的正弦电流幅值a的交变正弦电流后，通过数据采集卡7采集所述的光电探测器6探测所述的待测物体11反射的正弦相位调制的干涉信号，并利用快速傅里叶变换对干涉信号进行频谱分析，提取干涉信号的二阶频谱分量为：

P₂(t)＝-2SS₁J₂(z)cosα，

其中：J₂(z)为二阶贝塞尔函数，α＝(4π/λ₀)[l₀+dcos(ω₀t)]为由准直器5和待测物体11之间的初始距离l₀和待测物体11的振动dcos(ω₀t)所决定的相位，则cosα的表达式为：

$\cos \alpha =-\frac{1}{2{\mathrm{SS}}_1{J}_2\left(z\right)}{P}_2\left(t\right),$

cosα表达式中的常量SS₁已在步骤①中测得，对干涉信号进行处理，通过反余弦函数求得α为：

$\alpha =\arccos (-\frac{1}{2{\mathrm{SS}}_1{J}_2\left(z\right)}{P}_2\left(t\right))=(4\pi /{\lambda }_0)[l_0+d\cos \left({\omega }_{0}t\right)],$

则α中的交流成分即为待测物体11的振动信息dcos(ω₀t)。

这里需要说明的是本发明方法计算待测物体11的振动信息的原理是：

本发明所述的半导体激光正弦相位调制干涉仪工作时，根据光程差的粗测值确定光源控制器1输出的正弦交流电流幅度，以优化正弦相位调制深度至3.054，从而精确地求出干涉信号相位的余弦值，进而得到干涉信号相位以及待测物体11的振动信息。

图2是本发明振动测量的程序流程图。计算机1通过控制信号发生器10的输入端口10c输出三角波信号，通过光源控制器1向光源2注入三角波电流，利用线性调频波长扫描技术可以得到光程差的粗测值l_c(在先技术[3]：“调频激光干涉绝对距离测量技术及其信号处理”，航空计测技术，17(2)，31～35，1997)。

计算机8通过信号发生器10的输入端口10c控制信号发生器10输出正弦波信号，通过光源控制器1向光源2注入正弦电流后，光源2发出激光的波长和强度分别表示为：

λ(t)＝λ₀+β₀I_m(t)    (1)

g(t)＝β′[I₀+I_m(t)]’

其中，λ₀为光源2的中心波长，β₀为光源2的波长随驱动电流的变化系数，β′为光源2的光强随驱动电流的变化系数。I₀为光源控制器1提供的直流偏置，I_m(t)为光源控制器1提供的正弦交流电流，可以表示为：

I_m(t)＝acosωt，    (2)

其中ω为光源2的正弦调制角频率，a为光源控制器1提供的正弦交流电流的幅度。

光电探测器检测到的干涉信号可以表示为：

S(t)＝g(t)[S₀+S₁cos(zcosωt+α)]

＝β′[I₀+I_m(t)][S₀+S₁cos(zcosωt+α)]，    (3)

＝S(1+βcosωt)[S₀+S₁cos(zcosωt+α)]

其中，S＝β′I₀为光源2输出光强的直流部分；β＝a/I₀为光源2注入电流交流成分幅值与直流偏置的比值；S₀和S₁分别为不考虑光强调制时，干涉信号的直流成分和交流成分的幅值；为干涉信号的正弦相位调制深度；α＝(4π/λ₀)[l₀+dcos(ω₀t)]为由准直器5和待测物体11之间的初始距离l₀和待测物体11的振动dcos(ω₀t)所决定的相位。

通过数据采集卡7采集正弦相位调制干涉信号，并利用快速傅里叶变换对干涉信号进行频谱分析提取干涉信号的一阶和二阶频谱分量，其中一阶频谱分量可以表示为：

P₁(t)＝β{SS₀+SS₁[J₀(z)-J₂(z)]cosα}-2SS₁J₁(z)sinα    (4)

二阶频谱分量可以表示为：

P₂(t)＝-βSS₁[J₁(z)-J₃(z)]sinα-2SS₁J₂(z)cosα，    (5)

根据(4)和(5)两个表达式可知，当调制深度z满足J₀(z)＝J₂(z)时，(4)式中的项SS₁[J₀(z)-J₂(z)]cosα＝0，则可以由(4)式求出sinα的值，进而通过反正弦函数求得a的值，此时z＝1.841。若调制深度z满足J₁(z)＝J₃(z)，(5)式中的项-βSS₁[J₁(z)-J₃(z)]sinα＝0，则可以由(5)式求出cosα的值，进而通过反余弦函数求出α的值，此时z＝3.054。根据公式可知调制深度光源2的调制电流幅值a的表达式为与调制深度z成正比，与光程差2l成反比。当保持z不变时，光程差2l越大，调制电流a幅度越小，光电探测器中的直流噪声对干涉信号的干扰越大，对测量精度的影响就越大。而在某些特殊应用下，由于准直器5无法靠近待测物体11，导致光程差较大。在这种情况下，如果选择较小的调制深度z(如1.841)，则调制电流幅值a就比较小，光电探测器中的直流噪声对干涉信号的干扰增大，影响测量精度；为了在此时仍能够保证较高的测量精度，需要通过选择较大的调制深度来提高调制电流幅值a。因此在实际测量过程中选用调制深度z＝3.054，对干涉信号的相位进行求解。

在数据处理程序运行时，利用得到的光程差粗测值l_c近似表征光程差l，通过公式计算得到当正弦相位调制深度z＝3.054时，光源2的正弦交流调制电流幅值a，此时J₁(z)＝J₃(z)，(5)式可改写为：

P₂(t)＝-2SS₁J₂(z)cosα，    (6)

则cosα的表达式为：

$\cos \alpha =-\frac{1}{2{\mathrm{SS}}_1{J}_2\left(z\right)}{P}_2\left(t\right),---\left(7\right)$

(7)式中的常量SS₁为与反射率和光强有关的参数，该参数难以通过直接计算获得，需要间接测量。如图1所示，开启光源2，并使其注入电流保持为直流，利用信号发生器10产生正弦信号驱动压电陶瓷9，使压电陶瓷9产生一个振幅f大于λ₀/8的正弦振动fcos(ω_ct)。此时，光电探测器6所探测到的干涉信号为：

P′(t)＝SS₀+SS₁ cos[α(t)+α₀]，    (8)

其中由于压电陶瓷9的振幅大于λ₀/8，cos[α(t)+α₀]的值可以达到1，干涉信号P′(t)的交流幅值即为SS₁。求得参数SS₁后，将其导入数据处理程序，并使压电陶瓷9停止振动，然后对干涉信号进行处理与分析，利用(7)式可得到cosα的值，通过反余弦函数求得α为：

$\alpha =\arccos (-\frac{1}{2{\mathrm{SS}}_1{J}_2\left(z\right)}{P}_2\left(t\right))=(4\pi /{\lambda }_0)[l_0+d\cos \left({\omega }_{0}t\right)],---\left(9\right)$

由(9)式的交流分量可得到待测物体11的振动dcos(ω₀t)。由于选用了调制深度z＝3.054，与z＝1.841的调制深度相比，在相同的光程差处提高了光源调制电流的幅值，减小了光电探测器6中电路的直流噪声对干涉信号的干扰，提高了振动测量精度。

此外，为了增大测量振动的范围，在干涉仪工作前微调激光器的直流驱动电流大小或初始光程差长度，使得α₀为π/2的奇数倍。

如图1所示的用于振动测量的半导体激光正弦相位调制干涉仪，光源2为半导体激光器，波长为1309.49nm，最大输出功率为10mW。在测量前，驱动压电陶瓷9产生正弦振动，并使光源的注入电流为直流，通过对干涉信号进行处理与分析，测得与待测物体11的反射率和光源光强有关的参数，并将参数导入数据处理程序。之后使压电陶瓷9停止振动，利用程序控制信号发生器10产生频率为20Hz的三角波信号，通过光源调制器1对光源2进行调制，利用干涉信号计算出初始光程差的粗测值l_c。然后，根据计算得到的初始光程差粗测值l_c计算当正弦相位调制深度为3.054时注入光源2的正弦信号的幅值，并根据计算得到的幅值控制信号发生器10输出正弦波信号，进而通过光源调制器1调制光源2。对采集到的干涉信号进行分析与处理，计算出干涉信号的相位α，即可计算得到待测物体11的振动信息。