基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置及其校准方法

本发明涉及外差激光干涉仪动态测量性能校准，特别涉及针对外差激光干涉仪的信号处理环节在目标高速运动下动态测量性能的等效校准装置。

背景技术：

1、外差激光干涉仪在超精密数控加工、微电子装备制造、精密传感器校准等领域有着十分广泛的应用，随着这些领域的迅猛发展，对外差激光干涉仪的动态测量性能提出了高测速、高精度的需求。而作为决定外差激光干涉仪极限测量性能的信号处理环节，对其动态测量性能的校准也是一项新的挑战。

2、在外差激光干涉仪动态测量过程中，机械安装、待测目标振动会引入阿贝误差、余弦误差；m/s级高速运动带来的温度变化、湿度波动、气压扰动会引入空气折射率误差，干涉仪的测量时间延迟会带引入数据周期误差。同样，这些误差在主流的激光干涉仪的校准方法中依旧存在，且会耦合到校准结果中，导致无法校准激光干涉仪信号处理环节的测量性能，进而难以对激光干涉仪极限动态测量性能进行评定。

3、目前主要存在两种外差激光干涉仪的校准方法，第一种方法是分别对外差干涉仪中各个部分，包括温度、湿度、气压传感器，光学镜组，条纹计数器，光源等，分别进行校准，计算得到干涉仪整体性能的校准结果。如2019年09月22日在sensor上发表的calibrationof displacement laser interferometer systems for industrial metrology(工业计量用位移激光干涉仪系统的校准)，使用pzt微小位移台或加热铝管的方式对干涉仪计数环节极限精度进行测试。但该方法无法实现高速动态校准，且未引入空气折射率误差等。2009年06月1日发表的论文：超精密动态激光干涉仪信号处理单元标准测试平台设计。使用电信号模拟外差激光干涉仪动态运动轨迹，实现对信号处理单元的校准测试。但该方法并未兼容信号处理环节中较为关键的光电转换部分。

4、第二种方法是令待校准干涉仪与高精度的参考干涉仪在比对平台上测量同一目标，根据测量结果的差距，确定待校干涉仪的性能。采用干涉仪校准规范asme b89.1.8-2011，

5、《performance evaluation of displacement-measuring laserinterferometers》对该方法进行了详细描述与分析。该类校准方法虽然能够在整体上对干涉仪性能进行评估，但是其校准结果耦合了机械安装等带来的阿贝误差、余弦误差，以及由于非同步测量带来的数据周期误差，难以评定干涉仪信号处理环节的动态测量性能。

技术实现思路

1、本发明解决现有外差激光干涉仪的校准方法，其校准结果耦合了机械安装等带来的阿贝误差、余弦误以及由于非同步测量带来的数据周期误差，带来的难以评定干涉仪信号处理环节的动态测量性能的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置，所述校准装置包括激光器组件、第一测量光路、第二测量光路、aofs驱动及电机控制器光路和相位计；

4、所述第一测量光路包括第一反光镜、第一aofs、第一光阑、第一1/2波片、偏振分光棱镜pbs、偏振片和光电探测器pd；

5、所述第测量二光路包括分光棱镜组件、第二aofs、第二光阑、第二1/2波片、第二反光镜和电机；

6、所述激光器组件用于发射激光，射入所述分光棱镜组件中，分光棱镜组件将入射光分成两束偏振方向垂直的激光，并分别射入所述第一反光镜和第二aofs中；

7、所述第一反光镜将入射光反射到所述第一aofs中，第一aofs将入射光衍射为多级衍射光并射入所述第一光阑中，第一光阑选择多级衍射光的+1级衍射光并射入所述第一1/2波片中，第一1/2波片调整+1级衍射光的偏振方向并射入所述偏振分光棱镜pbs中，偏振分光棱镜pbs将入射光射入到所述偏振片中，偏振片将入射光转换为拍频光信号发送给所述光电探测器pd中，光电探测器pd将拍频光信号转换为电信号发送到所述相位计中；

8、所述第二aofs中将光束衍射为多级衍射光并射入所述第二光阑中，第二光阑选择多级衍射光的+1级衍射光并射入所述第二1/2波片中，第二1/2波片调整+1级衍射光的偏振方向并射入所述第二反光镜中，第二反光镜将入射光反射给所述偏振分光棱镜pbs中；

9、所述激光器组件还用于向所述aofs驱动及电机控制器光路提供参考光信号；

10、所述aofs驱动及电机控制器光路用于分别控制所述第一aofs和第二aofs的驱动频率，还用于通过所述电机控制第二反光镜的角度，还用于将所述激光器组件发射的激光转换为参考电信号发送到所述相位计中；

11、所述相位计用于根据接收到的电信号解算出相位差。

12、进一步，还有一种优选实施例，上述激光器组件采用具有参考光信号的双频激光器实现；

13、上述分光棱镜组件采用第一偏振分光棱镜pbs实现；

14、上述aofs驱动及电机控制器光路包括消偏振分光棱镜npbs，第二光电探测器pd、第三光电探测器pd和aofs驱动及电机控制器；

15、所述具有参考光信号的双频激光器发射两束激光，一束激光射入所述第一偏振分光棱镜pbs中，另一束激光射入所述消偏振分光棱镜npbs中，消偏振分光棱镜npbs将入射光分成两两束线偏振光，分别射入所述第二光电探测器pd和第三光电探测器pd中，第二光电探测器pd将入射光信号转换为电信号发送到所述aofs驱动及电机控制器中，第三光电探pd测器将入射光信号转换为电信号发送到所述相位计中；

16、所述aofs驱动及电机控制器用于将接收到的电信号作为驱动时钟分别调整所述第一aofs和第二aofs的驱动频率，还用于控制所述电机。

17、进一步，还有一种优选实施例，上述具有参考光信号的双频激光器发射两束同轴传输、偏振方向垂直且频率不同的激光。

18、进一步，还有一种优选实施例，上述激光器组件还可以采用不具有参考光信号的双频激光器实现；

19、上述分光棱镜组件还可以采用第一偏振分光棱镜pbs实现；

20、上述aofs驱动及电机控制器光路包括第一消偏振分光棱镜npbs、第二偏振片、第二消偏振分光棱镜npbs、第二光电探测器pd、第三光电探测器pd和aofs驱动及电机控制器；

21、所述不具有参考光信号的双频激光器发射一束激光，射入所述第一消偏振分光棱镜npbs中，第一消偏振分光棱镜npbs将入射光分成两束偏振激光，分别射入所述第一偏振分光棱镜pbs和第二偏振片中，第二偏振片将入射光转换为拍频光信号射入所述第二消偏振分光棱镜npbs中，第二消偏振分光棱镜npbs将入射光分成两束线偏振光，分别射入所述第二光电探测器pd和第三光电探测器pd中，第二光电探测器pd将入射光信号转换为电信号发送到所述aofs驱动及电机控制器中，第三光电探测器pd将入射光信号转换为电信号发送到所述相位计中；

22、所述aofs驱动及电机控制器用于将接收到的电信号作为驱动时钟分别调整所述第一aofs和第二aofs的驱动频率，还用于控制所述电机。

23、进一步，还有一种优选实施例，上述不具有参考光信号的双频激光器发射两束同轴传输、偏振方向垂直、频率不同的激光。

24、进一步，还有一种优选实施例，上述激光器组件还可以采用单频激光器实现；

25、上述分光棱镜组件还可以采用第二消偏振分光棱镜npbs实现；

26、所述aofs驱动及电机控制器电路包括第一消偏振分光棱镜npbs、第三反光镜、第三消偏振分光棱镜npbs、第四aofs、第四光阑、第四1/2波片、第五反光镜、第四反光镜、第三aofs、第三光阑、第三1/2波片，第二偏振分光棱镜pbs、第二偏振片、第二光电探测器pd和aofs驱动及电机控制器；

27、所述单频激光器发射一束激光，射入所述第一消偏振分光棱镜npbs中，消偏振分光棱镜npbs将入射光分成两束激光，分别射入所述第二消偏振分光棱镜npbs和第三反光镜中；

28、所述第三反光镜将入射光反射给所述第三消偏振分光棱镜npbs中，消偏振分光棱镜npbs将入射光分成两束激光，分别射入所述第四反光镜和第四aofs中，第四反光镜将入射光反射给所述第三aofs中，第三aofs将入射光衍射为多级衍射光并射入所述第三光阑中，第三光阑选择多级衍射光的+1级衍射光并射入所述第三1/2波片中，第三1/2波片调整+1级衍射光的偏振方向并射入所述第二偏振分光棱镜pbs中，第二偏振分光棱镜pbs将入射光射入到所述第二偏振片中，第二偏振片将入射光转换为拍频光信号发送给所述第二光电探测器pd中，第二光电探测器pd将拍频光信号转换为电信号发送到所述相位计中；

29、所述第四aofs将入射光衍射为多级衍射光并射入所述第四光阑中，第四光阑选择多级衍射光的+1级衍射光并射入所述第四1/2波片中，第四1/2波片调整+1级衍射光的偏振方向并射入所述第五反光镜中，第五反光镜将入射光反射给所述第二偏振分光棱镜pbs中；

30、所述aofs驱动及电机控制器用于分别调整所述第一aofs、第二aofs、第三aofs和第四aofs的驱动频率，还用于控制所述电机。

31、进一步，还有一种优选实施例，上述单频激光器发射一束线偏振的单频光。

32、进一步，还有一种优选实施例，上述消偏振分光棱镜npbs将入射光分成两束偏振方向相同的激光。

33、进一步，还有一种优选实施例，上述aofs驱动及电机控制器用于将所述第三aofs和第四aofs的驱动信号频率设为固定值。

34、本发明还提供基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准方法，所述校准方法是基于上述任意一项所述的基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置实现的，所述校准方法为：

35、s1、预先测量：分别调整第一1/2波片和第一1/2波片的旋转角度，使得旋转方向与光路方向垂直，调整偏振分光棱镜pbs，改变最终发生干涉的两束激光光功率，调整偏振片的旋转角度，使得旋转方向与光路方向垂直，分别调整第一aofs和第二aofs的驱动频率，测量在不同拍频下测量拍频光信号光功率及交直流比可调整范围和aofs驱动和电机控制器电路时钟的光信号光功率及交直流比；

36、s2、测量初始化：通过调整第一测量光路和第二测量光路两个声光移频器aofs驱动频率调整测量路拍频光信号拍频到预设值，通过调整第一测量光路和第二测量光路两个1/2波片及偏振片旋转角度调整测量路拍频光信号光功率及交直流比到预设值；

37、s3、选取测试点；

38、s4、开始测量：通过aofs驱动及电机控制器同时调节第一测量光路和第二测量光路两个aofs驱动频率及反光镜角度以使测量路拍频光信号拍频达到测试点，调整第一测量光路和第二测量光路的两个1/2波片及偏振片旋转角度以调整测量路拍频光信号光功率及交直流比，利用待测相位计实时测量干涉光与实际模拟待测目标运动相位的相位差，进行外差激光干涉仪信号处理环节动态测试性能测试与校准。

39、本发明的有益效果为：

40、1、本发明提供一种基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置，通过aofs驱动及电机控制器同时调节第一测量光路和第二测量光路两个aofs驱动频率及反光镜角度以使测量路拍频光信号拍频达到测试点，调整第一测量光路和第二测量光路的两个1/2波片及偏振片旋转角度以调整测量路拍频光信号光功率及交直流比，利用待测相位计实时测量干涉光与实际模拟待测目标运动相位的相位差，进行外差激光干涉仪信号处理环节动态测试性能测试与校准。

41、2、本发明提供一种基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置，基于基本的外差激光干涉结构进行设计，采用aofs驱动及电机控制器同时改变两个声光移频器aofs驱动频率或保持一个声光移频器aofs驱动频率不变并调整另一个声光移频器aofs驱动频率以连续调制最终合成拍频光信号的频率，来模拟不同的待测目标运动方式。aofs驱动及电机控制器同时驱动电机调整第二反光镜的角度，使第一测量光路和第二测量光路的两路激光最终合成时有较好的重合度，以保证在调制过程中干涉光信号的质量。

42、3、现有外差激光干涉仪在位移测量中常常耦合环境误差、阿贝误差、余弦误差、数据周期误差等多种误差，会带来难以评定干涉仪信号处理环节的动态测量性能的问题。本发明提供一种基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置，通过产生干涉拍频光信号并调节其频率模拟待测目标的高速运动，同时实现拍频光信号光功率及交直流比的调节，能够有效避免环境误差、阿贝误差、余弦误差、数据周期误差等因素的影响，能够实现外差激光干涉仪信号处理环节在目标高速运动下的动态性能测试与校准。

43、4、本发明提供一种基于声光移频器的外差激光干涉仪信号处理环节动态性能校准装置，基于基本的外差激光干涉结构进行设计，能够灵活调节测量路干涉拍频光信号的光功率、交直流比及频率，且保证了测量路与参考路的干涉信号同源，不仅可用于外差激光干涉仪信号处理环节的动态测量性能测量与校准，还可用于外差激光干涉仪动态测量中拍频光信号的模拟及其光功率、交直流比和频率调节。

44、本发明适用于针对外差激光干涉仪的信号处理环节在目标高速运动下动态测量性能的等效校准装置。