CN101598794A - 双激光器频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双激光器频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪，属于精密测量技术领域。该距离测量系统主要有无跳模频率扫描外腔半导体激光器、频率扫描范围测量模块、折射率测量模块、参考和测量干涉计，以及数据采集和控制系统组成。该方法的优点是在频率扫描的同时进行干涉条纹计数，消除了距离测量的不确定性。采用双激光器进行频率扫描可以有效地抵消系统的测量误差，同时可以抑制振动和条纹计数的不确定性带来的误差，利用双干涉测量回路的模式进行光程差的测量可以消除参考干涉计的影响，提高测量的精度和准确度。该系统适合长距离、高精度测量领域的应用，如空间综合孔径排列、小行星编队、高能物理实验中跟踪探测器的准实时排列等。
Description
1.技术领域
本发明提出一种双激光器频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪，它利用双激光器频率扫描干涉法和双干涉测量回路实现长距离、高精度测量，属于精密测量技术领域。它主要应用了频率扫描干涉技术、激光器稳频技术、精密干涉条纹计数技术等。该系统适用于空间探测、高能物理实验等领域，如空间综合孔径排列、小行星编队、高能物理实验中跟踪探测器的准实时排列等较长距离的精密测量和定位。
2.背景技术
测距方法有多种，如飞行时间法、高频调制法、干涉法等，但是只有高频调制法和干涉法可以得到较高的测量精度，在几米或更远的距离测量精度可以达到亚毫米。但是这些方法在大多数情况下并非真正意义上的绝对距离测量，往往需要通过其他方法得到目标的粗略的距离，然后使用干涉法测量较短的距离，消除距离测量中的不确定性，因此需要多个系统级联，来提高系统的测量精度，增加了系统的复杂性和测量过程中的误差来源。频率扫描干涉法可以在频率扫描的同时对干涉条纹进行计数，得到完整的测量干涉相位差，消除相位提取中的不确定性，实现真正意义上的绝对距离测量。
目前深空探测成为各国竞相研究的热点，如引力波探测、DARWIN计划、X-射线望远镜等，这就需要向太空中发射较大的望远镜，在技术上很难实现，因此可以利用综合孔径成像的技术，发射多个小望远镜，然后使他们在太空中自主编队、排列，等效成一个较大口径的望远镜，利用干涉的方法对空间探测，为了获取行星较高的分辨率，干涉测量要求各个子孔径间具有精确的位置关系和稳定的距离，这就需要对各个子望远镜进行精确地排列和定位，传统的测量方法难以在较大的距离实现微米量级精度的绝对距离测量。在高能物理实验中，需要对跟踪探测器单元进行准实时排列，排列的空间分辨率在几个微米的量级，由于安全的原因，需要在较远的距离对探测器进行操作，这种大范围高精度绝对距离测量要求传统的测距方法难以实现，然而频率扫描干涉法可以有效地实现这一目的，但是传统的频率扫描干涉法对目标的运动和系统的稳定性比较敏感。鉴于传统测距方法在远距离高精度绝对距离测量方面的不足，本发明提出了双激光器频率扫描干涉法进行绝对距离测量的方案。
3.发明内容
本发明提出的双激光器频率扫描干涉法绝对距离测量系统不同于以往的频率扫描干涉测距系统，它同时采用两个频率可调无跳模外腔半导体激光器作为光源，进行频率扫描，实现距离测量，可以有效地消除系统误差对测量精度的影响。利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术可以实现激光器扫描频率的锁定，精确计数法布里-珀罗腔的自由光谱区的个数，得到正确的激光器频率扫描范围。参考干涉计采用体积小、超低膨胀系数的材料做成，性能稳定，光在10cm左右的空间，传播距离达几十米。测量部分采用双干涉回路，一路用来测量参考干涉计，一路用于测量目标距离，由于采用同一光路，可以消除系统带来的误差。本发明是传统激光测距的重要改进与提高。在本发明中，系统各个部分采用如下方案：
(1)激光器及发射模块：激光器采用频率可调外腔式半导体外腔激光器，激光器发出的光经过波片、变形棱镜对整形后，通过望远镜改变光束的直径后，进入频率稳定和光谱扫描范围测量部分。
(2)频率稳定和光谱扫描范围测量部分：为了得到精确地频率扫描范围，需要对激光器扫描频率进行稳定，每次激光器起止频率都采用PDH稳频技术进行锁定，通过对法布里-珀罗腔自由光谱区的数目进行计数，可以计算得到光谱的扫描范围。PDH稳频部分主要由振荡器、电光调制器、法布里-珀罗干涉计，以及探测器等组成。
(3)光束耦合：为了减小系统误差，两激光器采用共路的技术，经过斩波器斩波后的光束，经过光纤耦合器，耦合到同一光纤。为了减小系统的体积，并且实现各模块之间的相对独立性，模块间采用光纤连接，所用光纤均为单模保偏光纤。
(4)参考干涉计：参考干涉计采用超低膨胀系数的材料做成，和光纤参考干涉计相比，该干涉计受温度、振动等的影响较小。光在其内部传播时，经过多次反射，可以在较短的范围内，实现较长距离光束传播。
(5)测量干涉计：测量干涉计所测得的光程差为对应实际测量距离和参考干涉计光程之差，减小了测量光程差的范围，同时通过参考干涉计光路可以得到参考干涉计的长度，所得目标光程可以通过测量干涉计和参考干涉计所测光程差得到。
(6)折射率测量模块：折射率测量模块负责实时监视空气折射率的变化(在真空中不必考虑)和折射率测量，通过光程和距离之间的关系得到目标的距离。该模块主要由温度传感器、湿度传感器、大气压传感器，以及相应的运算电路组成，通过Edlen公式，实时计算折射率，该模块在DSP中实现。
(7)数据采集和控制系统：该模块主要负责测量数据的实时采集、PDH控制信号的反馈、折射率的采集，以及整个系统的同步，主要通过DSP单板系统实现。在激光器频率扫描的同时，进行条纹计数、相位提取，计算目标的绝对距离。
本发明的主要特色：
利用双外腔式半导体可调激光器进行频率扫描绝对距离测量，可以消除系统误差，在频率扫描的同时，进行干涉条纹计数，完整恢复相位信息，实现绝对距离测量；采用PDH稳频技术，可以有效地控制激光器的频率扫描，并精确测定激光器频率扫描的范围；采用双干涉测量回路，减小了测量的光程差，降低了测量的不确定性；整个系统采用DSP单板系统进行数据采集和控制，并且各模块之间采用光纤进行连接，减小了系统体积。
本发明的效益与应用前景：
该发明主要实现远距离、高精度、绝对距离测量，可以应用于以下领域：空间小行星排列、编队，空间综合孔径中子孔径的测距和定位；高能物理实验中跟踪探测器的准实时排列。整个系统采用模块化的设计方案，各模块间采用光纤连接，可以自由更换，通过更换激光器或者测量干涉计，可以实现不同形式的测量，如外差干涉测量，双波长干涉测量等，具有广泛的应用前景。
4.附图说明
图1为双激光器频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪总体框图；
图2为目标测量干涉回路；
图3为参考干涉测量回路。
5.具体实施方式
如图1所示，实线表示光线，虚线表示电信号线。频率可调外腔式半导体激光器(1-1)和(1-2)发出的光，首先进行光束整形，通过波片和变形棱镜对把椭圆光斑调整成圆形，利用望远镜调整光斑大小后，经过分束棱镜(2-1)和(2-2)一路进入PDH稳频和频率扫描范围测量模块(3-1)和(3-2)，PDH稳频模块产生的误差信号通过探测器接收，反馈至数据采集和控制模块(10)，以调整激光器频率的扫描，同时在激光器频率扫描的起止端进行锁定，并计数法布里-珀罗干涉计自由光谱区的个数，计算激光器频率扫描范围；另一路经分束后，通过斩波器(4-1)和(4-2)斩波，经分束器(2-3)耦合进入光纤，通过光隔离器(5)进入测量干涉回路(如图2所示)和参考干涉回路(如图3所示)。
如图2所示，光线经分束镜(2-4)分束后，一路进入参考干涉计(6)，一路经分束镜(2-5)入射到目标角隅棱镜(7-1)，其反射光经过分束镜(2-5)和反射镜(9-1)后到分束镜(2-8)。经过参考干涉计的光经过反射镜(9-3)和分束镜(2-6)入射到参考角隅棱镜(7-2)，其反射光经分束镜(2-6)后进入分束镜(2-8)和来自测量干涉计的光进行干涉，其光强信息被探测器(8-2)接收，其数据由数据采集模块(10)进行处理。
如图3所示，参考干涉回路的光信号经过分束镜(2-5)和(2-6)，以及反射镜(9-2)后在分束镜(2-7)进行干涉，其光强信息由探测器(8-1)接收，同时进入数据采集模块(10)。数据采集模块(10)通过计数干涉光强条纹信息恢复出完整的相位差，并利用所测的空气的折射率计算出目标的绝对距离。
Claims (7)
1.双激光器频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪，其特征在于：利用双激光器频率扫描和双干涉测量回路模式实现绝对距离测量，可以消除系统误差，提高测量精度，利于实现长距离测量，在上百米的范围内测量精度可达微米量级。该距离测量系统主要有无模跳频率扫描外腔半导体激光器、频率扫描范围测量模块、折射率测量模块、参考和测量干涉计，以及数据采集和控制系统组成。频率扫描的同时进行干涉条纹的计数，消除了距离测量中的不确定性问题。
2.根据权利要求1，激光器采用无跳模频率可调外腔半导体激光器，其特征在于：该类型激光器具有较大的无模跳范围，频率可以通过旋转光栅在几十GHz到上百GHz连续可调。测量过程中两激光器同时进行频率扫描，抵消测量过程中的系统误差。
3.根据权利要求1，频率扫描范围测量模块用于激光器扫描频率范围的测定，其特征在于：采用Pound-Drever-Hall(PDH)方法把激光稳定于法布里-珀罗腔，通过计数法布里-珀罗腔的自由光谱区的个数计算激光器频率扫描的范围，同时法布里-珀罗腔置于真空装置，以消除外界环境的影响。
4.根据权利要求3所述PDH，其特征在于：主要由振荡器、混频器、可调相移器、低通滤波器及放大器组成，实现误差信号的测量，精密控制激光器的频率扫描范围。
5.根据权利要求1，折射率测量模块用于实时测量空气的折射率，其特征在于：利用温度、大气压、湿度传感器测量空气的温度、大气压和湿度，利用修正的Edlen公式实时计算空气的折射率。
6.根据权利要求1，参考和测量干涉计用于光程差的测量，其特征在于：在参考干涉臂加入具有超低膨胀材料做成的精密参考干涉计，采用双干涉回路的测量模式，可以消除光程差测量中参考干涉计引入的误差，利用所测光程差，根据权利要求5所计算出的折射率即可求出目标的绝对距离。
7.根据权利要求1，数据采集过程用于准实时记录干涉条纹的数，控制部分采用DSP实现，其特征在于：干涉条纹的测量可以采用粗测和细测两步实现，实现测量的精确测量。控制部分用于把误差信号实时反馈至激光器以控制其频率的扫描，同步整个测量系统，综合所测光程差和折射率，实时计算目标的绝对距离。
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