双纵模双频激光精密测距仪的研究

　　随着科技的发展，许多领域里对精度的要求不断的提高，原来常用的测量方法已不能适应要求，迫切需要开发出新型有效的测量仪器，以解决 3~200m 这段尺寸范围内精密检测的难题。

　　1 工作原理

　　如图 1 所示，从双频内腔式氦氖激光器(长度19cm 左右)1 发射出的一对互相垂直的线偏振光，频率分别为1f 、2f ，经布儒斯特窗 2 取出稳频信号，进行热稳频。其余光束经分光镜 3 分为两束，其中反射光为双频激光干涉仪的参考信号，透射光经光扩展器 4 准直扩束后，再经析光镜 5 反射及透射，透射光经布儒斯特窗 6 又分为两束，其中反射光是频率为1f 的双频激光干涉仪的参考光，透射光射向测量角锥镜 7，该分量中包含1f 、2f 两个频率的光，再经透镜、偏振器产生大尺寸测量信号，为光电接收器 8 接收;经析光镜 5 反射的一对线偏振光作为参考信号，经参考镜9 反射后，被布儒斯特窗 11 分为两束，其中透射光包含1f 、2f 两个频率的光，经透镜、偏振器产生大尺寸测量的参考信号，为光电接收器 12 接收，而反射光的频率仅为2f ，它与布儒斯特窗 6 的反射光在偏振分光镜13 处汇合后，经透镜、偏振器产生拍频，形成双频激光干涉仪的测量信号，为光电接收器 14 接收。

　　设双频激光的频率分别为1ν 、2ν ，波长分别为1λ 、2λ 。如果将双纵模激光在大尺寸参考光路rL 和测量光路mL 上的空间场强分布分别表示为：

　　由于激光频率极高(1014Hz 数量级)，无法获取双频激光空间场强的完整信息，于是将双频激光通过与其偏振方向成45°放置的检偏器后，按同一偏振条件在光电接收器上合成，可得到其输出信号为

　　当角锥棱镜 7 在位置 I时，微调整参考镜9，即改变式(6)中的Lr，使得大尺寸的测量信号和参考信号的两光束光程差为拍波半波长的整数倍 KI，这时双频激光干涉仪的测量结果，即为rL 的调整量1l ;同理，角锥棱镜 7 在位置 II 时，可以得到式(7)中rL 的调整量2l 、IIK ，则1l +2l 为不足半个拍频波长 的 长 度 ， 而 整 数 倍 拍 波 半 波 长 的 长 度 为IIIs( K K)λ。 则 整 个 大 尺 寸 测 量 长 度 为[IIIs( K K)λ+(1l +2l )]。

　　2 系统的后续信号处理

　　根据测量原理，信号处理系统有四路输入信号，即大尺寸测量信号dV 和参考信号rV ，双频激光干涉测量信号sV 和参考信号tV ，它们均是雪崩二极管接收到的 800 MHz 高频微弱信号。因此，四路信号都需经过高频放大 ，如图 2 所示。

　　四路输入信号经 4 个高频放大器放大后，其中的双频激光干涉测量信号和参考信号各通过一个 0°功率分配器被分为相同的两路。大尺寸测量信号和参考信号经放大后输入到混频器中，经过信号处理检测出的相位差信号，经直流放大和低通滤波后，由小波分析来确定空间合成场强分布的节点，得到节点触发信号，输入到双频激光干涉测量系统的采样输入端，用双频激光干涉系统进行不足半个拍频波长长度的计数测量，其结果便为被测长度中不足半个拍频波长长度的测量值。