CN106199623B - 一种飞秒激光模间拍频法测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞秒激光模间拍频法测距系统，其特征在于，该测距系统包括飞秒激光频率梳、声光调制器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一机械快门、第二机械快门、第一反射镜、第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、扩束器、角反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器和信号处理系统。本发明使用声光调制器实现合成波长，对飞秒激光模间拍频法的量程进行扩大，测量过程中不需改变谐振腔长度调节飞秒激光器重复频率，由于声光调制器为电控器件，相比调节激光器谐振腔长度的机械延迟线，声光调制器控制器结构简单，便于操作，且器件响应时间短，因此可以大大减小单次测量所需时间，简化测量步骤，实现便捷快速测量。

Description

一种飞秒激光模间拍频法测距系统

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光绝对距离测量系统，特别是关于一种飞秒激光模间拍频法测距系统。

背景技术

传统的激光测距方法包括飞行时间法、干涉法、单波长相位法等。飞行时间法通过测量光在光源与目标间往返飞行时间测量目标距离，由于光速度极快，因此光的往返飞行时间较短，测量精度有限，导致该方法的测距精度不高；干涉法可以实现亚光波长量级的测量精度，但非模糊距离也在波长量级，测量过程中必须架设导轨进行不间断增量式测量，不能实现绝对距离测量；单波长相位法对连续激光进行射频段的幅度调制，通过测量光传播过程中调制波产生的相位延迟解算距离，调制波长越长则量程越大，但测距精度降低，反之调制波长越短则精度越高，但量程也越小，因此该方法无法兼顾大量程和高精度。在大型机械装备、大型飞机、高速铁路、土木工程和卫星编队中所需的测距场合，对测距范围达到微米量级，测距量程达到千米量级的测距技术有较大需求，而上述三种传统激光测距方法均难以同时满足量程和精度的需求。

随着激光技术的发展，飞秒激光频率梳光源的出现为大尺寸高精度绝对距离测量带来了突破。飞秒激光是一种脉冲宽度在飞秒量级的超短脉冲激光，在频域上为一系列稳定、等间隔分布的纵模谱线，相邻纵模间隔称为重复频率，简称重频，以f_rep表示，重复频率一般在几十到几百MHz的射频频段。飞秒激光各纵模间可相互差拍形成模间拍信号，拍信号包含的频率成分为重复频率的正整数倍，利用这些不同的频率成分可以进行多波长相位法测距，低频长波长信号可用于大量程粗测，以粗测结果为基础，高频短波长信号可用于进一步提高测量精度，由此可以同时实现高精度和大量程。2000年日本的研究团队首先报道了飞秒激光频率梳多波长干涉法测距系统和实验结果。由于飞秒激光重复频率在几十到几百MHz，模间拍频信号中频率最低的成分，即f_rep，对应的波长即测量的非模糊距离仅为几米到几十米，如果无先验数据作为参考，该方法量程也仅能达到几十米，仍然不能满足许多工程应用场合对千米量级大量程的需求。

为了解决上述问题，现有技术提出了合成波长扩大量程的方法，该方法通过改变激光谐振腔长度，对飞秒激光重复频率进行微小改变，改变前后的重复频率形成合成波长，先利用合成波长进行相位法粗测，再利用模间拍频法多波长测距获得高精度。由于在实验精度下合成波长可达到几千米到几十千米量级，该方案量程也可扩展到千米量级，即同时实现了大量程和高精度。但是该方法需要手动或电控调节飞秒激光谐振腔延迟线长度，涉及机械调节，调节系统结构较为复杂，调节所需时间长，导致测量所需时间长，不利于快速实时测量；而且调节过程中可能对激光器的稳定性产生影响。另外在某些商用飞秒激光频率梳光源中不具有较大范围调节激光谐振腔的功能，因此也无法实现合成波长法扩大飞秒激光模间拍频法测距量程。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种不需改变飞秒激光器重复频率，不需调节激光谐振腔中的机械延迟线长度，测量方案简便，对激光器稳定性影响小，能够实现快速测量的飞秒激光模间拍频法测距系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种飞秒激光模间拍频法测距系统，其特征在于，该测距系统包括飞秒激光频率梳、声光调制器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一机械快门、第二机械快门、第一反射镜、第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、扩束器、角反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器和信号处理系统；所述飞秒激光频率梳将发出的频率梳发射到所述声光调制器；未经所述声光调制器进行调制的0级衍射光经若干反射镜反射后发射到所述第一分光棱镜，0级衍射光的频率与所述飞秒激光频率梳的光频率相同；经所述声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一反射镜反射到所述第一分光棱镜，0级衍射光和1级衍射光在所述第一分光棱镜处合光后分成两束光，合光之前的0级衍射光和1级衍射光的光程相同，两束光中的其中一束光发射到所述第一光纤耦合镜作为固定长度的参考臂光路，所述第一光纤耦合镜将接收的参考光通过一光纤发射到所述第一光电探测器；两束光中的另一束光发射到所述第二分光棱镜，经所述第二分光棱镜出射的一束光经所述第一机械快门发射到所述第一反射镜作为固定长度的监测臂光路，经所述第一反射镜反射的监测光按照原光路返回所述第二分光棱镜；经所述第二分光棱镜出射的另一束光经所述第二机械快门和扩束器后发射到固定设置在待测物体上的所述角反射镜作为待测距离的测量臂，经所述角反射镜反射的测量光按照原光路返回所述第二分光棱镜，所述第二分光棱镜将监测光或测量光通过所述第二光纤耦合镜经一光纤发射到所述第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器将所探测的信号发送到所述信号处理系统。

优选地，所述信号处理系统包括两信号源、四个低通滤波器、两增益放大器、一锁相放大器、一计算机和一快门控制器；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接一混频器的输入端，两所述混频器的另一输入端均连接所述第一信号源，所述第一信号源输出端连接所述计算机，两所述混频器的输出端分别经第一低通滤波器、增益放大器和第二低通滤波器并联连接所述锁相放大器的输入端，所述锁相放大器的输出端经一数据采集装置连接所述计算机，所述计算机还通过所述快门控制器分别控制所述第一机械快门和第二机械快门的开启和关闭；所述第二信号源的输入端连接所述计算机，所述第二信号源的输出端连接所述声光调制器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用声光调制器移频实现合成波长测量，不需要改变飞秒激光器重复频率和调节激光谐振腔中的机械延迟线长度，光路和电路结构简单，系统中飞秒激光器仅需锁定重复频率，不需锁定载波包络偏移频率，对光频梳的控制难度低，可以实现快速测量，单次测量所需时间可达到1s以内。2、本发明通过声光调制器实现合成波长，对飞秒激光模间拍频法的量程进行扩大，测量过程中不需改变谐振腔长度调节激光器重复频率；由于声光调制器为电控器件，相比调节激光器谐振腔长度的机械延迟线，声光调制器控制器结构简单，便于操作，且器件响应时间短，因此可大大减小单次测量所需时间，简化测量步骤，实现便捷快速测量。3、由于电路系统不对称漂移会引起相位测量结果漂移，本发明使用监测臂光路配合机械快门交替切换测量方式消除相位测量结果漂移，可以实现高精度的相位测量，提高测量精度。4、本发明利用电外差法将高频振荡信号降为低频信号，高精度测量高频振荡信号的相位，实现相位法测距；另外，使用合成波长方法获得大测距量程，实现量程达千米量级、精度达微米量级的绝对距离测量。本发明可以广泛应用于飞秒激光绝对距离测量中。

附图说明

图1是本发明的测距系统结构示意图；

图2是本发明的信号处理系统原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的飞秒激光模间拍频法测距系统，包括飞秒激光频率梳L、准直透镜N、声光调制器AOM、第一分光棱镜BS₁、第二分光棱镜BS₂、第一机械快门S₁、第二机械快门S₂、反射镜M₁、第一光纤耦合镜D₁、第二光纤耦合镜D₂、扩束器K、角反射镜C、第一光电探测器PD₁、第二光电探测器PD₂和信号处理系统。

飞秒激光频率梳L将发出的中心波长为1560nm，重复频率为56.27MHz(以此为例，不限于此)的频率梳经由一光纤传输到准直透镜N后发射到声光调制器AOM；

未经声光调制器AOM进行调制的0级衍射光经若干反射镜(图中未示出)反射后发射到第一分光棱镜BS₁，0级衍射光的频率与飞秒激光频率梳的光频率相同；

经声光调制器AOM后调制的1级衍射光以某个调制角度经一反射镜反射到第一分光棱镜BS₁，0级衍射光和1级衍射光在第一分光棱镜BS₁处合光后分成两束光(需要保证合光之前的0级衍射光和1级衍射光的光程相同，具体使用过程可以通过采用若干反射镜进行光程的调节，在此不再赘述)，其中一束光经第一光纤耦合镜D₁作为固定长度的参考臂光路，第一光纤耦合镜D₁将参考光通过一光纤发射到第一光电探测器PD₁，另一束光发射到第二分光棱镜BS₂，经第二分光棱镜BS₂出射的一束光经第一机械快门S₁发射到反射镜M₁作为固定长度的监测臂光路，经反射镜M₁反射的监测光按照原光路返回第二分光棱镜BS₂；经第二分光棱镜BS₂出射的另一束光经第二机械快门S₂发射到扩束器K，经扩束器K扩束后的光发射到固定设置在待测物体上的角反射镜C作为待测距离的测量臂，经角反射镜C反射的测量光按照原光路返回第二分光棱镜BS₂，第二分光棱镜BS₂将监测光或测量光通过第二光纤耦合镜D₂经光纤发射到第二光电探测器PD₂，第一光电探测器PD₁和第二光电探测器PD₂将所探测的信号发送到信号处理系统。

如图2所示，信号处理系统包括两信号源、两混频器、四个低通滤波器、两增益放大器、一锁相放大器、一计算机和一快门控制器；第一光电探测器PD₁和第二光电探测器PD₂的输出端分别连接一混频器HP的一输入端，两混频器HP的另一输入端均连接第一信号源SN1，第一信号源SN1的输出端连接计算机，第一信号源SN1输出信号的频率通过计算机进行控制，两混频器HP的输出端分别经第一低通滤波器LB1、增益放大器FD和第二低通滤波器LB2并联连接锁相放大器RS的输入端，锁相放大器RS的输出端经一数据采集装置连接计算机，计算机对锁相放大器RS进行数据采集和参数进行控制。计算机还可通过快门控制器分别控制第一机械快门S₁和第二机械快门S₂的开启和关闭；第二信号源SN2的输入端连接计算机，第二信号源SN2的输出端连接声光调制器AOM，计算机通过控制第二信号源SN2的输出或关闭用以启动或关闭声光调制器AOM。

本发明的飞秒激光模间拍频法测距系统在距离测量过程中，第一机械快门S₁和第二机械快门S₂快速交替开启，分别测量监测臂与参考臂的相位差测量臂与参考臂的相位差由于参考臂和监测臂均为固定长度，而测量臂和监测臂共用测量电路，的变化可以反映由于第一光电探测器PD₁和第二光电探测器PD₂及与它们连接的电路导致的相位差测量结果漂移或抖动。由于电路漂移速度远低于机械快门切换速度，可以认为和的测量对于电路漂移是同时的，即可取作为相位差测量结果，以消除电路漂移或抖动误差对于测距结果的影响。

采用本发明的飞秒激光模间拍频法测距系统对待测距离进行测量过程可分为两步：

1、计算机启动第二信号源SN2驱动声光调制器AOM，0级衍射光与1级衍射光合光，第一光电探测器PD₁和第二光电探测器PD₂输出的电信号除mf_rep模间拍频成分外，还包括两级衍射光相互差拍所得成分±f_AOM+mf_rep，当选取合适的f_AOM时，这些成分中将有一个远小于f_rep的低频成分f_s，如f_rep＝56.27MHz时取f_AOM＝168.61MHz，则第一光电探测器PD₁和第二光电探测器PD₂输出信号中有f_s＝0.2MHz的低频成分，该频率成分对应波长远大于光频梳基频波长。低通滤波器滤出这一低频成分信号后由锁相放大器检测相位差，获得的距离测量结果作为粗测结果。

2、计算机控制关闭第二信号源SN2，声光调制器AOM不产生1级衍射光。此时两光电探测器输出的电信号包含激光频梳模间差拍信号基波和若干高次谐波成分mf_rep，频谱上限受光电探测器带宽限制。飞秒激光模间拍信号成分频率高，频率间隔小，难以通过低通滤波器直接滤出某一成分并测量相位差，因此需要使用外差测量方法，在测量mf_rep的谐波成分相位差时，采用计算机控制第一信号源产生频率为mf_rep+Δf的正弦信号，分别与两个光电探测器的输出信号混频，混频输出信号将含有Δf低频成分。当第一信号源对两混频器的输入信号相位相等时，两混频器输出信号保留了两光电探测器信号的相位差信息，可以通过低通滤波器滤出并由锁相放大器检测相位差。

下面通过具体实施例详细说明本发明的飞秒激光模间拍频法测距系统的测量过程：

1、在声光调制器AOM上加频率为f_AOM的调制信号，产生合成波长λ_s＝c/nf_s，测量此波长下参考光和测量光的相位差，获得粗测结果D’，具体过程为：

计算机控制启动第二信号源SN2驱动声光调制器AOM，在声光调制器AOM有合适的频率为f_AOM信号调制时，两光电探测器电信号的频率成分中有一个远小于f_rep的低频成分f_s，该频率信号对应的波长λ_s＝c/nf_s称为合成波长，利用合成波长测距量程为D’_max＝λ_s/2。由于可以调节f_AOM使f_s<<f_rep，因此这一测距量程很大。利用低通滤波器滤出f_s信号并用锁相放大器测量相位差，在合成波长量程范围内测得待测距离为D′，作为距离粗测结果。理论上只要f_s接近零，λ_s就可接近无穷大，即可获得极大的测距量程。但在之后的测量中，为了正确解算出待测距离中包含的基频波长整周期数N₁，上述D’的测量偏差应有上限。而使用的λ_s越大，D′测量误差越大，因此限于测量误差，量程为D’_max＝λ_s/2不可能无限扩大，但一般的实验精度下足以达到千米量级。

2、关闭声光调制器上AOM的调制信号，使仅有0级衍射光出射，调节第一信号源SN1的输出，使该信号与f＝f_rep的基频成分产生低频外差信号，测量基频波长下参考光和测量光的相位差，获得基频波长下的参考光与测量光相位差测量结果并由D’和确定基频测距结果D₁，具体测量原理和过程为：

采用模间差拍信号中频率为mf_rep(m为正整数)的成分进行干涉相位法测距，测得参考信号与测量信号间的相位差为则绝对距离测量结果为：

式中，c为真空中光速，n为空气折射率，可根据空气折射率的相关理论由环境参数确定，λ＝c/nf_rep为激光频梳基频波长。由于仪器测得的相位差在0～2π范围内，测距结果存在模糊范围，式(1)中自然数N_m表示仪器无法决定的相位差2π周期数目。

由原子钟锁定重复频率后，激光频梳重复频率抖动δf_rep<1mHz，综合考虑仪器误差和测量随机误差，相位差的测量误差在0.01°数量级，重复频率相对误差远小于相位差测量相对误差，相位差测量为主要误差来源，根据式(1)可得距离测量误差为即测距使用的激光频梳模间差拍频率越高，测距误差越小，精度越高。综合考虑量程和精度，在测量时先用f＝f_rep的基频成分进行大量程粗测，此时根据合成波长粗测结果D′和基频下相位差测量结果测量结果确定N₁，即：

则基频测距结果D₁可表示为：

3、调节第一信号源SN1的输出，使该信号与f＝mf_rep的某一高频成分产生低频外差信号，其中，正整数m的选取可根据使用的光电探测器带宽上限确定，测量该波长下参考光和测量光的相位差，获得相位差测量结果并由D₁和测量结果确定N_m，进而确定测距结果D_m，即为最终测量结果，具体过程为：

换用f＝mf_rep的高次谐波进行精确测量，整数N_m由相位差测量结果和D₁确定：

此时由式(1)可得精度较高的测量结果：

再根据(3)式代入D₁测量结果，可得最终的距离测量结果：

在上述各步测量中，可以使用监测臂光路和双快门切换消除电路漂移误差，具体原理和数据处理方法已在上文提及，在此不再赘述；另外，在上述各步测量中可采用多次测量取平均值的方式，减小测量中的随机误差。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种飞秒激光模间拍频法测距系统，其特征在于，该测距系统包括飞秒激光频率梳、声光调制器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一机械快门、第二机械快门、第一反射镜、第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、扩束器、角反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器和信号处理系统；

所述飞秒激光频率梳将发出的频率梳发射到所述声光调制器；未经所述声光调制器进行调制的0级衍射光经若干反射镜反射后发射到所述第一分光棱镜，0级衍射光的频率与所述飞秒激光频率梳的光频率相同；

经所述声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一反射镜反射到所述第一分光棱镜，0级衍射光和1级衍射光在所述第一分光棱镜处合光后分成两束光，合光之前的0级衍射光和1级衍射光的光程相同，两束光中的其中一束光发射到所述第一光纤耦合镜作为固定长度的参考臂光路，所述第一光纤耦合镜将接收的参考光通过一光纤发射到所述第一光电探测器；两束光中的另一束光发射到所述第二分光棱镜，经所述第二分光棱镜出射的一束光经所述第一机械快门发射到所述第一反射镜作为固定长度的监测臂光路，经所述第一反射镜反射的监测光按照原光路返回所述第二分光棱镜；经所述第二分光棱镜出射的另一束光经所述第二机械快门和扩束器后发射到固定设置在待测物体上的所述角反射镜作为待测距离的测量臂，经所述角反射镜反射的测量光按照原光路返回所述第二分光棱镜，所述第二分光棱镜将监测光或测量光通过所述第二光纤耦合镜经一光纤发射到所述第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器将所探测的信号发送到所述信号处理系统。

2.如权利要求1所述的一种飞秒激光模间拍频法测距系统，其特征在于，所述信号处理系统包括两信号源、四个低通滤波器、两增益放大器、一锁相放大器、一计算机和一快门控制器；

所述第一光电探测器的输出端连接第一混频器的输入端，所述第二光电探测器的输出端连接第二混频器的输入端，所述第一混频器、所述第二混频器的另一输入端均连接第一信号源，所述第一信号源输入端连接所述计算机，所述第一混频器的输出端经第一低通滤波器、第一增益放大器和第二低通滤波器连接所述锁相放大器的输入端，所述第二混频器的输出端经第三低通滤波器、第二增益放大器和第四低通滤波器连接所述锁相放大器的输入端，所述锁相放大器的输出端经一数据采集装置连接所述计算机，所述计算机还通过所述快门控制器分别控制所述第一机械快门和第二机械快门的开启和关闭；第二信号源的输入端连接所述计算机，所述第二信号源的输出端连接所述声光调制器。