本发明涉及光学传感技术领域，具体涉及一种差分自混合干涉测量系统及方法。
背景技术：
自混合干涉(self-mixinginterference,smi)效应是指从激光器发射的光波经过外部物体反射回随机偏振激光器的谐振腔，与随机偏振激光器的谐振腔内的光波发生干涉的效应。由于反馈光携带外部物体信息，因此激光器的输出特性受到腔外物体的调制，从而利用该特性可实现对目标物物理量的测量。自混合干涉系统仅需一个光路通道，因此具有结构简单、紧凑的特点；另外，易准直、灵敏度高、信号检测方便，使自混合干涉系统已广泛用于测量位移、振动、形貌、加速度、微小角度等。
smi检测系统在实际应用时存在噪声干扰的问题，如不采取有效措施对其进行处理，则会影响系统稳定性和检测精度。双通道差分探测已被证明是一种有效的自混合干涉降噪技术。已报道的差分探测自混合干涉技术，主要有两类，一类是利用半导体激光器前后端输出的两路光束，产生两路位相反相的自混合干涉信号进行差分探测，提高了自混合干涉测量系统的信噪比；另一类是利用双频正交偏振激光器输出的两路正交偏振光束，产生两路位相反相的自混合干涉信号进行差分探测。然而，在半导体激光器前向出光端与后向漏光端探测的两路干涉信号，很难保证其振幅完全一致，影响差分降噪效果；而双频正交偏振激光器成本高，装置复杂，难于推广。而在本发明的提出过程中至少发现，随机偏振激光器是最容易制造和使用最广的激光器，利用随机偏振激光器产生位相反相、幅度相同的差分自混合干涉信号，实现差分测量的技术，将更有利于推广使用。
技术实现要素：
本发明的第一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用随机偏振激光器的差分自混合干涉测量系统，可以有效降低自混合干涉系统测量过程中的噪声干扰，降低测量系统成本，有利于差分自混合干涉测量技术的广泛使用。
本发明的另一个目的在于提供一种利用上述系统实现测量的方法。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种差分自混合干涉测量系统，所述的测量系统包括随机偏振激光器1、光衰减器2、线偏振器3、消偏振分光棱镜4、载物台5、偏振分光棱镜6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、信号处理器9、信号采集器10、计算机11；
其中，所述的随机偏振激光器1用于发射激光束，形成两束光，一光束依次通过线偏振器3和光衰减器2后入射到被设置在载物台5的待测物上，然后，该光束被待测物反射按原光路返回进入随机偏振激光器1的谐振腔，形成反馈光束，该反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；
另一光束入射到偏振分光棱镜6进行偏振分光，将光束分成第一光束和第二光束，第一光束的偏振方向平行入射面，称为p偏振光，第二光束的偏振方向垂直入射面，称为s偏振光；
所述的第一光电探测器7设置在p偏振光的光路上，用于探测p偏振光自混合干涉信号，所述的第二光电探测器8设置在s偏振光的光路上，用于探测s偏振光自混合干涉信号；
所述的信号处理器9分别与第一光电探测器7以及第二光电探测器8相连，将探测到的两路差分干涉信号，放大后再由信号采集器10传输至相连的计算机11，所述的计算机11将采集到的两路干涉信号进行差分降噪后，然后处理获得待测物的位移量信息。
进一步地，所述的测量系统还包括消偏振分光棱镜4，所述的随机偏振激光器1前端发射激光束，进入到消偏振分光棱镜4分束，形成两束光。
进一步地，所述的随机偏振激光器1的前端和后端各发射一激光束，形成两束光。
进一步地，所述的光衰减器2用于调节反馈光的强度，使反射回随机偏振激光器1的谐振腔的反馈光处于弱反馈状态。
进一步地，所述的线偏振器3用于调节反馈光的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同。
进一步地，所述的信号处理器9集成电信号放大功能，且对第一光电探测器7以及第二光电探测器8的两路探测信号具有相同的放大倍数。
进一步地，所述的第一光电探测器7和第二光电探测器8为相同规格、型号。
本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于差分自混合干涉测量系统的测量方法，所述的测量方法包括以下步骤：
s1、将待测物安置在载物台5上，开启随机偏振激光器1和计算机11；调整待测物的位置，使得入射到待测物的激光束被反射回随机偏振激光器1的谐振腔中，形成反馈光；调节光衰减器2的衰减系数，使反射回随机偏振激光器1的谐振腔的反馈光处于弱反馈状态；调节线偏振器3的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同；
s2、随机偏振激光器1发射激光束并形成两束光，一光束依次通过线偏振器3和光衰减器2后入射到被设置在载物台5的待测物上，然后，该光束被待测物反射按原光路返回进入随机偏振激光器1的谐振腔，形成反馈光束，该反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；另一光束入射到偏振分光棱镜6进行偏振分光，将光束分成第一光束和第二光束，第一光束的偏振方向平行入射面，称为p偏振光，第二光束的偏振方向垂直入射面，称为s偏振光；
s3、通过第一光电探测器7探测p偏振光自混合干涉信号，通过第二光电探测器8探测s偏振光自混合干涉信号；信号处理器9将第一光电探测器7和第二光电探测器8采集到的p偏振光和s偏振光自混合干涉信号进行光电转换后，再通过信号采集器10存入计算机11。
s4、计算机11对采集到的两路自混合干涉信号进行差分降噪，得到一降噪后的自混合干涉信号，再进行信号处理获取待测物的位移量信息。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明公开的差分自混合干涉测量系统基于市场上最常见、价格最低廉的随机偏振氦氖激光器，成本低、结构简单。
(2)本发明公开的差分自混合干涉测量系统及方法可获得两路幅度一致、相位反相的、可用于差分降噪的自混合干涉信号，有利于提高干涉信号的信噪比，从而提升系统的测量精度和准确度。
附图说明
图1是本发明公开到的前端探测的差分自混合干涉测量系统示意图；
图2是前端探测时探测到的双偏振自混合干涉信号图；
图3是前端探测到的双偏振自混合干涉信号以及差分后的干涉信号图；
图4是前端探测时用自混合干涉信号重构的待测物的位移曲线图；
图5是前端探测时双通道差分测量和单通道测量待测物位移的误差线对比图；
图6是本发明公开到的后端探测的差分自混合干涉测量系统示意图；
图7是后端探测时探测到的双偏振自混合干涉信号图；
图8是后端探测到的双偏振自混合干涉信号以及差分后的干涉信号图；
图9是后端探测时用自混合干涉信号重构的待测物的位移曲线图；
图10是后端探测时双通道差分测量和单通道测量待测物位移的误差线对比图；
其中：1---随机偏振激光器，2---光衰减器，3---线偏振器，4---消偏振分光棱镜，5---载物台，6---偏振分光棱镜，7---第一光电探测器，8---第二光电探测器，9---信号处理器，10---信号采集器，11---计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种基于随机偏振激光器的差分自混合干涉测量系统。图1为本实施例中公开的差分自混合干涉测量系统的结构示意图。差分自混合干涉测量系统，包括随机偏振激光器1、光衰减器2、线偏振器3、载物台5、偏振分光棱镜6、消偏振分光棱镜4、两个强度型光电探测器(第一光电探测器7和第二光电探测器8)及相应信号处理电路。随机偏振激光器1为一输出功率为0.8mw、波长λ为632.8nm的氦氖随机偏振激光器，随机偏振激光器1的前端(激光输出端)发出的激光束，入射到消偏振分光棱镜4，光束被分成两束，一束为透射光，一束为反射光。透射光射入线偏振器3，再经光衰减器2将光束衰减后入射到安置载载物台5上的待测物上，光束待测物反射成为反馈光，反馈光按原光路返回随机偏振激光器1的谐振腔中，与腔内的激光束形成自混合干涉；反射光入射到偏振分光棱镜6，将光束分成两束，一束的偏振方向平行入射面(称为p偏振光)，另一束的偏振方向垂直入射面(称为s偏振光)，第一光电探测器7探测p偏振光自混合干涉信号，第二光电探测器8探测s偏振光自混合干涉信号。
光衰减器2可以调节反馈光的强度，使反射回随机偏振激光器1的谐振腔的反馈光处于弱反馈状态；线偏振器3可以调节反馈光的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同。
本实施例还提供了一种基于随机偏振激光器的差分自混合干涉测量系统的测量方法。待测物为纳米位移器，利用该系统测量纳米位移器位移量。首先，将纳米位移器置于载物台5上，开启氦氖随机偏振激光器1，激光器发出的激光束透过消偏振分光棱镜4、线偏振器3和衰减片2后入射到纳米位移器上的一个反射面，调整反射面使得反射光经原路返回随机偏振激光器1的谐振腔中，反射光成为反馈光，在谐振腔内形成自混合干涉；纳米位移器沿着入射光束的方向做纳米级平移运动，第一光电探测器7探测从偏振分光棱镜6出射的p偏振光自混合干涉信号，第二光电探测器8探测从偏振分光棱镜6出射的s偏振光自混合干涉信号，两路自混合干涉信号经信号处理器9进行光电转换和信号放大后，再经信号采集器10送至计算机11显示和处理，调节线偏振器3的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同，可得到如图2所示的双偏振位相反相的自混合干涉信号。线偏振器3的偏振方向确定后，开始测量纳米位移器的位移，纳米位移器沿着入射光束的方向做纳米级平移步进运动，每步平移标称位移20纳米，第一光电探测器7和第二光电探测器8分别采集一个干涉信号，得到图3所示的双偏振自混合干涉信号以及差分降噪后的信号。由图3可见，该方法可有效滤除干涉信号中的干扰噪声。选取p偏振光的干涉信号和差分后的干涉信号，可以解算出图4所示纳米位移器的位移值，再将解算的位移值分别与标称的位移值相减，得到的标称位移误差如图5所示。由图5可见，差分后的位移测量误差远小于单通道测量的误差。
实施例二
本实施例公开了一种后端探测的差分自混合干涉测量系统。图6为本实施例中公开的后端探测的差分自混合干涉测量系统的结构示意图，包括随机偏振激光器1、光衰减器2、线偏振器3、载物台5、偏振分光棱镜6、两个光电探测器(第一光电探测器7和第二光电探测器8及相应信号处理电路。随机偏振激光器1为一输出功率为0.8mw、波长λ为632.8nm的氦氖随机偏振激光器，随机偏振激光器1前端和后端各发射一激光束，形成两束光；前端发射的光束通过线偏振器3和光衰减器2后入射到安置载载物台5上的待测物上，光束待测物反射成为反馈光，反馈光按原光路返回随机偏振激光器1的谐振腔，反馈光与腔内的激光形成自混合干涉；后端发射的光束入射到偏振分光棱镜6，将光束分成两束，一束的偏振方向平行入射面(称为p偏振光)，另一束的偏振方向垂直入射面(称为s偏振光)，第一光电探测器7探测p偏振光自混合干涉信号，第二光电探测器8探测s偏振光自混合干涉信号。
光衰减器2可以调节反馈光的强度，使反射回随机偏振激光器1的谐振腔的反馈光处于弱反馈状态；线偏振器3可以调节反馈光的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同。
本实施例还提供一种基于后端探测的差分自混合干涉测量系统的测量方法。待测物为纳米位移器，利用该系统测量纳米位移器位移量。首先，将纳米位移器置于载物台5上，开启氦氖随机偏振激光器1前端激发的光束透过线偏振器3和光衰减器2后入射到纳米位移器上的一个反射面，调整反射面使得反射光经原路返回随机偏振激光器1的谐振腔，反射光成为反馈光，在谐振腔内形成自混合干涉；纳米位移器沿着入射光束的方向做纳米级平移运动，第一光电探测器7探测从偏振分光棱镜6出射的p偏振光自混合干涉信号，第二光电探测器8探测从偏振分光棱镜6出射的s偏振光自混合干涉信号，两路自混合干涉信号经信号处理器9进行光电转换和信号放大后，再经信号采集器10送至计算机11显示和处理，调节线偏振器3的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同，可得到如图2所示的双偏振位相反相的自混合干涉信号。线偏振器3的偏振方向确定后，开始测量纳米位移器的位移，纳米位移器沿着入射光束的方向做纳米级平移步进运动，每步平移标称位移20纳米，第一光电探测器7和第二光电探测器8分别采集一个干涉信号，得到图7所示的双偏振自混合干涉信号以及差分降噪后的信号。由图7可见，该方法可有效滤除干涉信号中的干扰噪声。选取p偏振光的干涉信号和差分后的干涉信号，可以解算出图8所示纳米位移器的位移值，再将解算的位移值分别与标称的位移值相减，得到的标称位移误差如图9所示。由图9可见，差分后的位移测量误差远小于单通道测量的误差。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
1.一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的测量系统包括随机偏振激光器(1)、光衰减器(2)、线偏振器(3)、载物台(5)、偏振分光棱镜(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、信号处理器(9)、信号采集器(10)、计算机(11)；
其中，所述的随机偏振激光器(1)用于发射激光束，形成两束光，一光束依次通过线偏振器(3)和光衰减器(2)后入射到被设置在载物台(5)的待测物上，然后，该光束被待测物反射按原光路返回进入随机偏振激光器(1)的谐振腔，形成反馈光束，该反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；
另一光束入射到偏振分光棱镜(6)进行偏振分光，将光束分成第一光束和第二光束，第一光束的偏振方向平行入射面，称为p偏振光，第二光束的偏振方向垂直入射面，称为s偏振光；
所述的第一光电探测器(7)设置在p偏振光的光路上，用于探测p偏振光自混合干涉信号，所述的第二光电探测器(8)设置在s偏振光的光路上，用于探测s偏振光自混合干涉信号；
所述的信号处理器(9)分别与第一光电探测器(7)以及第二光电探测器(8)相连，将探测到的两路差分干涉信号，放大后再由信号采集器(10)传输至相连的计算机(11)，所述的计算机(11)将采集到的两路干涉信号进行差分降噪后，然后处理获得待测物的位移量信息。
2.根据权利要求1所述的一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的测量系统还包括消偏振分光棱镜(4)，所述的随机偏振激光器(1)前端发射激光束，进入到消偏振分光棱镜(4)分束，形成两束光。
3.根据权利要求1所述的一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的随机偏振激光器(1)的前端和后端各发射一激光束，形成两束光。
4.根据权利要求1所述的一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的光衰减器(2)用于调节反馈光的强度，使反射回随机偏振激光器(1)的谐振腔的反馈光处于弱反馈状态。
5.根据权利要求1所述的一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的线偏振器(3)用于调节反馈光的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同。
6.根据权利要求1所述的一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的信号处理器(9)集成电信号放大功能，且对第一光电探测器(7)以及第二光电探测器(8)的两路探测信号具有相同的放大倍数。
7.根据权利要求1所述的一种差分自混合干涉测量系统，其特征在于，所述的第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)为相同规格、型号。
8.一种根据权利要求1至7任一所述的差分自混合干涉测量系统的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：
s1、将待测物安置在载物台(5)上，开启随机偏振激光器(1)和计算机(11)；调整待测物的位置，使得入射到待测物的激光束被反射回随机偏振激光器(1)的谐振腔中，形成反馈光；调节光衰减器(2)的衰减系数，使反射回随机偏振激光器(1)的谐振腔的反馈光处于弱反馈状态；调节线偏振器(3)的偏振方向，使得p偏振光和s偏振光的自混合干涉信号幅度相同；
s2、随机偏振激光器(1)发射激光束并形成两束光，一光束依次通过线偏振器(3)和光衰减器(2)后入射到被设置在载物台(5)的待测物上，然后，该光束被待测物反射按原光路返回进入随机偏振激光器(1)的谐振腔，形成反馈光束，该反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；另一光束入射到偏振分光棱镜(6)进行偏振分光，将光束分成第一光束和第二光束，第一光束的偏振方向平行入射面，称为p偏振光，第二光束的偏振方向垂直入射面，称为s偏振光；
s3、通过第一光电探测器(7)探测p偏振光自混合干涉信号，通过第二光电探测器(8)探测s偏振光自混合干涉信号；信号处理器(9)将第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)采集到的p偏振光和s偏振光自混合干涉信号进行光电转换后，再通过信号采集器(10)存入计算机(11)；
s4、计算机(11)对采集到的两路自混合干涉信号进行差分降噪，得到一降噪后的自混合干涉信号，再进行信号处理获取待测物的位移量信息。
技术总结