[发明专利]波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术中采用波动方法，包括外差干涉法的技术领域，涉及一种波动探测方法中非线性误差的基波和奇次谐波消除法。

背景技术

在真实的物质世界中，波动这一类运动形式存在着多种物质载体。我们可以不失一般性地采用光波或其它形式的电磁波为例来讨论，激光外差干涉法是一个典型的利用波动来测量的方法。

激光外差干涉法可以用来测量位移和振动等物理量，是目前最好的纳米测量方法之一。该方法是将被测位移量转变到外差信号的频率或者相位变化中，再将这种变化测量出来，由于外差信号的频率比光频低得多，光电信号容易处理，容易经过电子细分而达到较高的测量分辨率。这种方法可以达到皮米(pm)或更好的测量分辨率。

但是在光外差干涉法这类技术中普遍存在着非线性(nonlinearity)问题，这个问题也同样存在于其它种类波动的外差干涉测量中，比如普通电磁波，这些因素是纳米测量的主要误差来源，使其精度一般只有纳米级，甚至十几纳米，其原因是作为外差干涉的测量光和参考光中两个频率不同的光线成分不能很好的分离，相互“串扰”。这些周期性的非线性误差问题，多年来一直是该领域技术进一步发展的障碍。

多年来，国内外学者不断地发明了一些改善的方法，但也多存在一些限制或问题，例如文献‘V G Badami，and S R Patterson，A frequency domain method for the measurement of nonlinearity in heterodyne interferometry，Prec.Eng.，Vol.24，pp.41-9，2000.’公开了使用速率计和频谱仪在移动系统直接测量非线性误差成分并进行补偿；文献‘Tae Bong Eom，Tae Young Choi，Keon Hee Lee et al..A simple method for the compensation of the nonlinearity in the heterodyne interferometer[J].Meas.Sci.Technol.，2002，13：222～225’公开了对相位信号积分后进行椭圆拟合的方法来补偿非线性误差；文献‘High resolution heterodyne interferometer without detectable periodic nonlinearity，Ki-Nam Joo，Jonathan D.Ellis，Eric S.Buice，Jo W.Spronck，and Robert H.Munnig Schmidt，Optics Express，Vol.18，Issue 2，pp.1159-1165 2010’公开了使用双频激光器加上两个声光器件移频等手段来消除非线性误差。这些方法可以在没有其它的辅助干涉仪存在时补偿非线性误差，但系统复杂，而且有些还需要大量的波动信号周期和相对大量的运算，影响测量的实时性。2007年，我国业界著名学者侯文玫等(外差激光干涉仪非线性的细分和消除，上海理工大学光电学院，上海200093，计量学报-2007，28(3).-210～215)公布了一种可以有效地减小双频激光干涉仪的各种非线性误差的方法，它可以成倍地减小测量结果的相对误差。其方法是改变干涉仪的结构，增加测量光程的折返倍数。这样就提高了测量灵敏度。即提高了单位位移量对应的光电探测器输出的交流电信号的相位变化量，使其呈同样倍数地增加。而非线性误差对应的相角(误差)的振幅是不变的。即成倍地减小了测量结果的相对误差。在一定的范围内，这个方法有很好的效果。但问题是如果要成数量级地减小非线性误差，比如将非线性误差减小到百分之一，那就需要上百倍的折返光路，而一般的讲，这是困难的。

发明内容

本发明的目的是提供一种波动探测方法中非线性误差的基波(也称基频，在业内的文章中也被叫做一次谐波)和奇次谐波的消除法，可以消除周期性的非线性误差，提高测量精度，将非线性误差降低2-3个数量级以上。

光外差干涉系统测量光臂的光电探测器所获得的，是以形成干涉的两束异频光的光频差为频率的交流电信号，这个交流电信号还包含一个应该与被测位移成精确的比例关系的，反应了被测物体位移量的相位差，而这个相位差正是由异频的两束光的相位差产生的。这种形成干涉的两光束的相位差信号就是我们在外差干涉法中所要得到的，包含着被探测物理量信息的信号。