激光干涉非线性误差自补偿方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光干涉非线性误差自补偿方法及装置，属于激光干涉精密测量
技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光干涉测量广泛地应用于在精密测量技术领域，是目前高精度测量的重要手 段，对长度测量领域具有十分重要的意义。激光干涉测量由于应用的光学器件以及电气器 件等因素的综合影响会导致其测量结果的非线性误差，这项误差具有周期性的特征，其周 期是以干涉条纹的整数点起始和终止，通常可达到几个或十几个纳米的程度不等。在长度 量高准确度要求的测量时，特别是测量误差要求小于IOnm时，干涉测量非线性误差成为影 响测量结果准确度的关键因素。目前应用的非线性误差修正的方法，多利用精密位移台产 生位移，干涉仪同步测量得到一组干涉测量相位的冗余数据，通过最小二乘等方法解矛盾 方程得到最优解，完成非线性误差修正，该方法实现起来系统复杂，过程中引入位移台运动 误差，影响最终非线性修正的精度，特别是在非线性误差大拐点处尤为突出。因此从原理上 如何减小干涉测量的非线性误差补偿问题是提升精密测量水平的关键技术之一。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有激光干涉系统的非线性误差采用物理位移调制存 在的问题，提供一种激光干涉非线性误差自补偿方法及装置。本装置具有较高适应性和同 步测量干涉系统误差的特性，可以在无物理位移的条件下，通过自动调节激光器的频率来 确定干涉仪测量相位与理论值的差异进而实现干涉系统的非线性误差补偿。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0005] -种激光干涉非线性误差自补偿装置，其特征在于：其包括：干涉测量模块（1)、 光学解调制模块（2)、调频控制模块（3)、控制及信息输出模块（4)。
[0006] 控制及信息输出模块（4)的作用是：①产生光频控制信号，并发送至调频控制模 块（3)。②对光学解调制模块（2)输出的干涉信号进行处理，得到被测对象的当前位置测量 值。所述干涉信号包括干涉信号的整数级次和小数级次。③根据被测对象的当前位置测量 值计算得到干涉信号小数级次的理论值。④根据测量得到的干涉信号的小数级次以及计算 得到的干涉信号小数级次的理论值之间的关系，对干涉测量模块（1)的非线性误差进行补 偿。
[0007] 调频控制模块（3)的作用是：根据控制及信息输出模块（4)发送来的光频控制信 号，输出光频控制信号指定频率的激光，并将其输出至干涉测量模块（1)。
[0008] 干涉测量模块（1)的作用是：利用调频控制模块（3)输入进来的指定频率的激光 对被测对象的位移变化进行测量，得到相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号，并将其 输出到光学解调制模块（2)。
[0009] 光学解调制模块（2)的作用是：对干涉测量模块（1)发送来的相互正交的第一正 弦信号和第二正弦信号进行处理，得到被测对象的当前位置的干涉信号，并将其发送至控 制及信息输出模块（4)。
[0010] 各模块的连接关系为：
[0011] 控制及信息输出模块（4)的输出端与调频控制模块（3)的输入端连接；调频控制 模块（3)的输出端与干涉测量模块（1)的输入端连接；干涉测量模块（1)的输出端与光学 解调制模块（2)的输入端连接；光学解调制模块（2)的输出端与控制及信息输出模块（4) 的输入端连接。
[0012] 使用所述激光干涉非线性误差自补偿装置进行激光干涉非线性误差自补偿的方 法，其特征在于：其具体操作步骤为：
[0013] 步骤一、得到激光干涉非线性误映射表。
[0014] 步骤I. 1 :固定被测对象与干涉测量模块（1)的相对位置。从外部向控制及信息 输出模块（4)输入光频控制信号的频率范围[F1, F2];同时设定频率步长，用符号Af表示。 所述频率范围[F1, F2]，是获取一个干涉周期内干涉信号测量值的非线性误差所需的频率范 围，F1G [0,4G]，F2e [0,4G]。
[0015] 步骤I. 2 :设定i为一个变量，并设定其初始值为0。
[0016] 步骤1. 3 :控制及信息输出模块（4)产生第i个光频控制信号，其指定的频率用符 号fi表示。如果i =〇，。为[FpF2]范围内的任意一频率值；否则，AzfV1+Λ f。 _7] 步骤I. 4 :控制及信息输出模块⑷判断f# 否成立，如果成立，则将第i个 光频控制信号发送至调频控制模块（3);否则，完成激光干涉非线性误映射表的制作过程， 执行步骤二的操作。
[0018] 步骤1. 5 :调频控制模块（3)根据控制及信息输出模块（4)发送来的第i个光频 控制信号，输出频率为A的激光，并将其输出至干涉测量模块（1)。
[0019] 步骤1. 6 :干涉测量模块（1)利用调频控制模块（3)输入进来的频率为fi的激光 对被测对象的位移变化进行测量，得到第i组相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号， 并将其输出到光学解调制模块（2)。
[0020] 步骤1. 7 :光学解调制模块⑵对干涉测量模块⑴发送来的第i组相互正交的 第一正弦信号和第二正弦信号进行处理，得到被测对象的干涉信号，并将其发送至控制及 信息输出模块（4)。用符号N i表示被测对象的干涉信号的整数级次；用符号ε 1表示被测 对象的干涉信号的小数级次。
[0021] 步骤1. 8 :如果i = 0,则信息输出模块⑷判断此时ε i是否为〇 ;如果ε i = 〇， 则执行步骤1. 9的操作；如果ε 0,则通过调整f ^的值，使f ^的值为最接近F i，并且使 光学解调制模块（2)得到的干涉信号的小数级次ε i的值为0 ;然后执行步骤1. 9的操作。 如果i尹0,直接执行步骤1. 10的操作。
[0022] 步骤1. 9 :当i = 0,信息输出模块（4)利用光学解调制模块⑵得到的干涉信号 的整数级次Ni,通过公式（1)计算被测对象的位移变化量（用符号L表示），此时，由于光 学解调制模块（2)得到的干涉信号的小数级次ε iS〇,因此计算得到的被测对象的位移变 化量L不存在误差。然后，使i的值自增1，重复执行步骤1. 3至步骤1. 12的操作。
[0023] (1)
【主权项】
1. 一种激光干涉非线性误差自补偿装置，其特征在于：其包括：干涉测量模块（I)、光 学解调制模块（2)、调频控制模块（3)、控制及信息输出模块（4); 控制及信息输出模块（4)的作用是：①产生光频控制信号，并发送至调频控制模块 (3);②对光学解调制模块（2)输出的干涉信号进行处理，得到被测对象的当前位置测量 值；所述干涉信号包括干涉信号的整数级次和小数级次；③根据被测对象的当前位置测量 值计算得到干涉信号小数级次的理论值；④根据测量得到的干涉信号的小数级次以及计算 得到的干涉信号小数级次的理论值之间的关系，对干涉测量模块（1)的非线性误差进行补 偿； 调频控制模块（3)的作用是：根据控制及信息输出模块（4)发送来的光频控制信号，输 出光频控制信号指定频率的激光，并将其输出至干涉测量模块（1); 干涉测量模块（1)的作用是：利用调频控制模块（3)输入进来的指定频率的激光对被 测对象的位移变化进行测量，得到相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号，并将其输出 到光学解调制模块（2); 光学解调制模块（2)的作用是：对干涉测量模块（1)发送来的相互正交的第一正弦信 号和第二正弦信号进行处理，得到被测对象的当前位置的干涉信号，并将其发送至控制及 信息输