CN102819022A - 一种基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒测距激光雷达及其测距方法，用于测量待测点与被测目标之间的待测距离，该雷达包括光学发射部分、探测部分和接收机部分，其中所述光学发射部分用于发射飞秒激光脉冲；所述探测部分用于使所发射的飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，将待测距离引入该探测脉冲的光程，使所述待测脉冲与所述参考脉冲发生干涉后产生干涉脉冲；所述接收机部分用于接收所述干涉脉冲并将其转换为电信号，利用该干涉脉冲的频域干涉条纹或者该电信号的时域干涉条纹求出待测距离。

Description

一种基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达和方法

技术领域

本发明属于激光雷达测距技术领域，具体涉及一种基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达和飞秒激光测距方法。

背景技术

2000年以来，飞秒激光技术日趋成熟。由于其独特的物理特征，在测距激光雷达中的应用逐渐引起了关注。

首先，锁模飞秒激光器能在其光谱范围内同时提供数量众多的单纵模。这些单纵模的线宽可以窄到数赫兹量级，并且所有单纵模的间隔正好等于飞秒脉冲的重复频率。2000年，K.Minoshima和H.Matsumoto利用飞秒光梳中一系列拍频的相移，在240m距离上获得了的空间分辨率。

其次，锁模飞秒脉冲的重复频率可以用精确的微波或者射频时钟同步。而且连续飞秒脉冲列中的载波-包络相移可以使用自参考控制技术消除。这样，干涉测量的相干时间可以达到数秒量级。于是Jun Ye提出，结合脉冲飞行时间技术和光谱分析干涉技术，可以用来测定编队飞行的卫星群之间的绝对距离(J.Ye，Absolute measurement of a long，arbitrary distance to lessthan an optical fringe[J]Opt.Lett.2004，29：1153-1555)。按照这个方案，M.Cui等人进行了实验论证，在实验室内，15cm距离外，得到了亚波长的分辨率(M.Cui，R.N.Schouten，N.Bhattacharya and S.A.van den Berg，Experimental demonstration of distance measurement with a femtosecondfrequency comb laser[J]Journal of the European Optical Society-RapidPublications，2008，3：080031-080034)。

再次，飞秒脉冲通常的谱宽都大于数纳米范围，而且在该谱宽范围内功率比一般光源强得多。如果用来替代白光干涉技术中的传统白光光源，则可以提高信噪比。K.N.Joo等人在实验室内0.89m外实现了7nm的精确测量(K.N.Joo and S.W.Kim，Absolute distance measurement by dispersiveinterferometry using a femtosecond pulse laser[J]Opt.Express，2006，14：5954-5960)。同样是该研究小组，提出综合使用脉冲飞行时间法、光谱分析干涉法等技术来提高距离分辨率和测量动态范围。特别是，若使用工作波长在1.5μm附近的光纤激光器作为光源，其回波信号可以使用掺铒光纤放大器放大以提高光学接收机中的信噪比。W.C.Swann等人使用线列波导光栅将探测光和本征光的外差信号分成N路分别处理。每一路都可以用来测定目标的速度和距离信息。假定每一路的测量是非相关的，对N路测量结果进行平均将提高仪器分辨率。实验验证了0.12m/s的速度分辨率和60μm的距离分辨率(W.C.Swann and N.R.Newbury，Frequency-resolvedcoherent lidar using a femtosecond fiber laser[J]Opt.Lett.2006，31：826-828)。

现有飞秒测距激光雷达有一个共同的缺陷，即探测光脉冲和本征光脉冲干涉的前提是：两个脉冲在时域上重叠。例如，对25nm谱宽的飞秒激光光源，参考光和探测光之间的时延必须小于300fs。

一方面，这要求参考光的光程能够精确扫描(扫描步进的大小需要高于探测精度)；

另一方面，对于飞秒脉冲而言，测量动态范围将受到限制。尽管通过扫描参考光的光程可以增大动态范围，但是机械扫描参考光光程将直接影响探测速度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本专利提出了一种基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达和飞秒激光测距方法，所要解决的技术问题是现有的飞秒测距激光雷达和方法中的参考光光程扫描精度要求高、探测速度慢的缺点。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一种飞秒测距激光雷达，用于测量其与被测目标之间的待测距离，包括光学发射部分、探测部分和接收机部分，其中所述光学发射部分用于发射飞秒激光脉冲；所述探测部分用于使所发射的飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，将待测距离引入该探测脉冲的光程，使所述待测脉冲与所述参考脉冲发生干涉后产生干涉脉冲；所述接收机部分用于接收所述干涉脉冲并将其转换为电信号，利用该干涉脉冲的频域干涉条纹或者该电信号的时域干涉条纹求出待测距离。

根据本发明的一种具体实施方式，所述光学发射部分包括被动锁模飞秒光纤激光器。

根据本发明的一种具体实施方式，所述探测部分包括Mach-Zehnder干涉仪和起偏器，其中所述Mach-Zehnder干涉仪用于使所述飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，并将待测距离引入该探测脉冲的光程，所述起偏器用于使参考脉冲和探测脉冲发生干涉，生成干涉信号。

根据本发明的一种具体实施方式，所述Mach-Zehnder干涉仪包括入射端、出射端，并且从入射端分出两个臂，一个臂用于所述探测脉冲的发射与接收，另一个臂用于参考脉冲的传送与延时。

根据本发明的一种具体实施方式，所述Mach-Zehnder干涉仪的用于所述探测脉冲的发射与接收的臂包括循环器和第一偏振探测器，其中所述循环器将探测脉冲发射到所述被测目标上，并且接收所述被测目标反射的探测脉冲回波信号，并将其传送给所述第一偏振探测器；所述第一偏振探测器用于控制所述待测脉冲的偏振状态。

根据本发明的一种具体实施方式，所述Mach-Zehnder干涉仪的用于参考脉冲的传送与延时的臂包括光延时器和第二偏振控制器，其中，所述光延时器用于调节所述探测脉冲和所述参考脉冲之间的延时，所述第二偏振控制器(8)用于控制参考脉冲的偏振状态。

根据本发明的一种具体实施方式，所述接收机部分包括光电探测器，该光电探测器接收所述干涉脉冲，并将其转换为微波电信号，该微波电信号的频率正比于所述特测距离。

本发明还提出一种飞秒激光测距方法，用于测量测量点与被测目标之间的待测距离，其特征在于，包括如下步骤：发射飞秒激光脉冲；使所发射的飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，将待测距离引入该探测脉冲的光程，使所述待测脉冲与所述参考脉冲发生干涉后产生干涉脉冲；接收所述干涉脉冲并将其转换为电信号，利用该干涉脉冲的频域干涉条纹或者该电信号的时域干涉条纹求出待测距离。

根据本发明的一种具体实施方式，所述干涉脉冲的频域干涉条纹为其中

是光电探测器16的响应因子，ω为所述干涉脉冲的角频率，τ是由待测距离所产生的延时，根据该延时τ计算待测距离。

根据本发明的一种具体实施方式，由一光电探测器接收将干涉脉冲转换为所述电信号，所述电信号的时域干涉条纹为

其中i(t)表示随时间t的电流信号，

是所述光电探测器的响应因子，β为模传输常数，L为色散补偿光纤的长度，τ是由待测距离所产生的延时，根据该延时τ计算待测距离。

(三)有益效果

本发明通过将飞秒脉冲经过色散器件，在时域展宽后脉宽达到纳秒量级，相比现有的飞秒测距激光雷达系统，本发明初始化的过程(扫描参考光光程，使得参考光和探测光重叠)简单且易于实现。

本发明不需要光、电或者机械的扫描，采用全光纤光路结构，因此系统结构简单，稳定性好。

附图说明

图1是本发明一个实施例的基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达的光路图；

图2是本发明的一个实施例的干涉条纹随延时τ的变化图；

图3是本发明的一个实施例的时-频映射方程拟合图；

图4A是本发明的一个实施例的目标某位置测得的10次时域干涉条纹图；

图4B是本发明的一个实施例的频域干涉条纹逆傅立叶变换图；

图5是本发明的一个实施例的相对距离测量结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1显示了本发明的一个实施例的基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达的光路结构。如图所示，本发明的飞秒测距激光雷达包括三个部分：光学发射部分、探测部分和接收机部分。光学发射部分用于发射飞秒激光脉冲；探测部分使所发射的飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，并将待测距离引入探测脉冲的光程后使待测脉冲与参考脉冲发生干涉，产生干涉脉冲；接收机部分用于接收所述干涉脉冲并将其转换为电信号，利用该干涉脉冲的频域干涉条纹或者该电信号的时域干涉条纹求出待测距离。

光学发射部分包括激光光源1；探测部分包括Mach-Zehnder干涉仪、准直透镜4和起偏器9；接收机部分包括色散补偿光纤10，12、掺铒光纤放大器(EDFA)11，13、光电探测器16、示波器15和光谱仪14。

所述激光光源1用于发射激光脉冲，在本发明的该实施例中，激光光源1为被动锁模飞秒光纤激光器，发射脉冲宽度为394fs，中心频率192.31THz，重复频率48.6MHz的飞秒脉冲。

所述Mach-Zehnder干涉仪是一种利用双光束干涉测量光程之差的精密仪器，其在本发明中用于使所述飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，并将待测距离引入该探测脉冲的光程。如图所示，在本发明的该实施例中，Mach-Zehnder干涉仪包括入射端C1、出射端C2，并且从入射端C1分出两个臂，一个臂上装有循环器3和第一偏振控制器7，另一个臂上装有光延时器2和第二偏振控制器8。在该实施例中，所述循环器3为光纤循环器，所述光延时器2是延时量可调的光延时器。当激光进入Mach-Zehnder干涉仪后，入射端C1将入射激光分为两部分并分别送入两个臂，具有光纤循环器3和第一偏振控制器7的臂为探测脉冲的发射和接收通道，其中光纤循环器3将探测脉冲发射，并经由准直镜4出射到被测目标上，并且，光纤循环器3还接收由位于待测距离处的被测目标反射的探测脉冲回波信号，将其传送给偏振控制器7，第一偏振控制器7控制探测脉冲的偏振状态；具有光延时器2和第二偏振控制器8的臂为参考脉冲的传送与延时通道，光延时器2用于调节探测脉冲和参考脉冲之间的延时，第二偏振控制器7控制参考脉冲的偏振状态。

在Mach-Zehnder干涉仪的出射端，起偏器9使参考脉冲和探测脉冲发生干涉，生成干涉信号，在该实施例中，起偏器9是一个光纤起偏器。所述第一、第二偏振控制器7、8可用于调节干涉条纹的能见度。

所述接收机部分用于接收所述干涉信号并将其转换为微波电信号。本发明的接收机部分包括光电探测器16、示波器15和光谱仪14。光电探测器16由激光发射部分触发，探测Mach-Zehnder干涉仪输出的干涉信号，并输出到示波器15上，读出信号的时域信息；光谱仪14直接接收干涉信号，给出信号的频域信息。

在该实施例中，在接收机部分，还包括色散补偿光纤10，12，其用于将飞秒干涉脉冲在时域上充分展开。为了保证信号的信噪比，该实施例还使用第一掺铒光纤放大器11和第二掺铒光纤放大器13用来中继和放大信号。

由上可知，待测距离被嵌入到Mach-Zehnder干涉仪的探测臂的光程中。探测脉冲和参考脉冲经过Mach-Zehnder干涉仪后，在色散补偿光纤10、12中时域展宽并发生干涉，在光电探测器16上形成微波电信号，而此微波电信号的频率正比于所述待测距离。

下面根据上述实施例的飞秒测距雷达来说明本发明的飞秒激光测距方法。为了简单起见，假设通过Mach-Zehnder干涉仪双臂的信号光强度相等。即图1中的探测部分的脉冲响应函数表达为

h(t)＝[δ(t)+δ(t+τ)]/2                         (1)

其中t是时间，τ是由待测距离所产生的延时，h(t)为探测部分的脉冲响应函数，δ(t)是干涉仪单臂的脉冲响应函数。

如果入射的飞秒激光脉冲和色散补偿光纤10，12的参数满足时域Fraunhofer条件

其中T₀为激光脉冲在色散补偿光纤中传输的时间，β为模传输常数，L为色散补偿光纤的长度，那么仅考虑群速度色散时，经过色散补偿光纤10，12后，脉冲展宽为

${\hat{a}}_1\left(t\right)\∝\exp [{\mathrm{jt}}^2/2{\mathrm{\β}}_{2}L]{\hat{A}}_0(t/{\mathrm{\β}}_{2}L)---\left(2\right)$

其中，为脉冲展宽后的复振幅，j为色散阶数，

是入射到色散补偿光纤10，12前的飞秒干涉脉冲的复频谱分布。I₀(ω)＝|A₀(ω)|²和

分别是其光谱强度和相位分布。

即：从光纤起偏器9出射的干涉脉冲分布是入射激光脉冲光谱的傅立叶变换，其角频率表示为ω＝t/β₂L。

光电探测器16上接收的光信号

表达为

${\hat{a}}_2\left(t\right)={\hat{a}}_1\left(t\right)*h\left(t\right)---\left(3\right)$

光电探测器16输出电流表达为

(4)

其中，

是光电探测器16的响应因子。

是

的复共轭，差频Δω＝τ/β₂L，差分相位如果出射激光脉冲是变换极限脉冲，那么

并且Δω相对激光脉冲谱宽足够小，式(4)可以表示为，

在频域上，Mach-Zehnder干涉仪的传递函数为

[1+cos(ωτ)]/2    (6)

则光谱仪上记录的频域干涉条纹表示为

比较式(5)和式(6)可知：无论测得时域干涉条纹还是频域干涉条纹，均能获得Mach-Zehnder干涉仪的双臂延时差τ。根据时-频转换方程，可以由时域干涉条纹得到频域干涉条纹，进而测定频域干涉条纹的周期，即干涉仪双臂的延时差τ。记录频域干涉条纹需要扫描光谱仪，扫描精度越高，耗时越长，因此频域干涉条纹不是实时记录。而时域干涉条纹可以由高速示波器15直接采样并记录。当移动探测目标或者调节参考臂中的光延时器时，双臂的延时差τ发生变化，时域干涉条纹周期变化如图2所示。

飞秒激光脉冲的重复频率很高，如果每一个脉冲都能实现一次测量，则探测速度可以达到48.6MHz。

下面通过一个具体示例来说明本发明的上述实施例的飞秒激光测距雷达的结构、工作原理和所能达到的测距效果。

首先使用2次多项式拟合图3中时域干涉条纹和频域干涉条纹中对应干涉峰值的坐标，获得系统的时-频映射方程如下式

f＝192.423+0.1293t+1.958×10^-4t²    (8)

式(8)中，时间和频率单位分别为纳秒和太赫兹。

在该示例中，激光雷达使用被动锁模光纤激光器(IMRA Femtolite 780Model B-4-FC-PD)作为光源，出射激光脉冲宽度为394fs，中心频率192.31THz，重复频率48.6MHz。

被测目标是一个装载在纳米平移台(5)(PI Model P-752.1CD)上的平面镜。纳米平移台的驱动器(6)为(PI Model E-665.CR)。当纳米平移台工作在伺服模式时，其距离精度为0.2nm。

系统中采用的光电探测器响应带宽45GHz(New Focus Model 1014)，而数字磷光示波器的响应带宽7GHz(Tektronix Model TDS7704B)。时域干涉条纹周期为T_i＝2πβ₂L/τ。系统中，色散DL＝-960ps/nm，脉冲中心波长D＝-2πcβ₂/λ²。由关系式D＝-2πcβ₂/λ²，为了满足条件1/T_i＜f_b(f_b＝7GHz)，可获得时延范围τ＜54.4ps。即，测距的动态范围为8.17mm。

在初始化系统时，调节Mach-Zehnder干涉仪中的光学延时器，使得时域干涉条纹频率约为3.5GHz。在相对距离测量中，此时目标距离设定为零点坐标。将纳米精密平移台逐步设置九个位置，在每个位置分别记录单发脉冲对应的时域干涉条纹10次，如图4(a)所示。使用“时-频”转换函数将时域干涉条纹转换到频域，并对频域干涉条纹重新等间隔数字采样后进行逆傅立叶变换，结果如图4(b)所示。由于飞秒脉冲的包络是高斯函数，对图4(b)中的主旁瓣进行高斯函数拟合。由拟合函数的中心坐标可以确定延时时间，即距离信息。

距离测量结果如图5所示。图中还对每个目标的位置测量结果进行了分析，数据显示格式为(标准偏差，平均误差)。对图中90次测量的统计表明：实验标准偏差为334nm，平均误差85nm。

至此，通过实时色散傅立叶变换，可以将距离信息转变为微波脉冲的频率信息。即飞秒脉冲的色散展宽后的时域干涉条纹周期对应距离的变化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞秒测距激光雷达，用于测量其与被测目标之间的待测距离，其特征在于，包括光学发射部分、探测部分和接收机部分，其中

所述光学发射部分用于发射飞秒激光脉冲；

所述探测部分用于使所发射的飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，将待测距离引入该探测脉冲的光程，使所述待测脉冲与所述参考脉冲发生干涉后产生干涉脉冲；

所述接收机部分用于接收所述干涉脉冲并将其转换为电信号，利用该干涉脉冲的频域干涉条纹或者该电信号的时域干涉条纹求出待测距离。

2.如权利要求1所述的飞秒测距激光雷达，其特征在于，所述光学发射部分包括被动锁模飞秒光纤激光器(1)。

3.如权利要求1所述的飞秒测距激光雷达，其特征在于，所述探测部分包括Mach-Zehnder干涉仪和起偏器(9)，其中

所述Mach-Zehnder干涉仪用于使所述飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，并将待测距离引入该探测脉冲的光程，

所述起偏器(9)用于使参考脉冲和探测脉冲发生干涉，生成干涉信号。

4.如权利要求3所述的飞秒测距激光雷达，其特征在于，所述Mach-Zehnder干涉仪包括入射端(C1)、出射端(C2)，并且从入射端(C1)分出两个臂，一个臂用于所述探测脉冲的发射与接收，另一个臂用于参考脉冲的传送与延时。

5.如权利要求4所述的飞秒测距激光雷达，其特征在于，所述Mach-Zehnder干涉仪的用于所述探测脉冲的发射与接收的臂包括循环器(3)和第一偏振探测器(7)，其中

所述循环器(3)将探测脉冲发射到所述被测目标上，并且接收所述被测目标反射的探测脉冲回波信号，并将其传送给所述第一偏振探测器(7)；

所述第一偏振探测器(7)用于控制所述待测脉冲的偏振状态。

6.如权利要求4所述的飞秒测距激光雷达，其特征在于，所述Mach-Zehnder干涉仪的用于参考脉冲的传送与延时的臂包括光延时器(2)和第二偏振控制器(8)，其中，

所述光延时器(2)用于调节所述探测脉冲和所述参考脉冲之间的延时，

所述第二偏振控制器(8)用于控制参考脉冲的偏振状态。

7.如权利要求1所述的飞秒测距激光雷达，其特征在于，所述接收机部分包括光电探测器(16)，该光电探测器(16)接收所述干涉脉冲，并将其转换为微波电信号，该微波电信号的频率正比于所述特测距离。

8.一种飞秒激光测距方法，用于测量测量点与被测目标之间的待测距离，其特征在于，包括如下步骤：

发射飞秒激光脉冲；

使所发射的飞秒激光脉冲分成探测脉冲和参考脉冲，将待测距离引入该探测脉冲的光程，使所述待测脉冲与所述参考脉冲发生干涉后产生干涉脉冲；

接收所述干涉脉冲并将其转换为电信号，利用该干涉脉冲的频域干涉条纹或者该电信号的时域干涉条纹求出待测距离。

9.如权利要求8所述的飞秒激光测距方法，其特征在于，所述干涉脉冲的频域干涉条纹为

其中

是光电探测器16的响应因子，ω为所述干涉脉冲的角频率，τ是由待测距离所产生的延时，根据该延时τ计算待测距离。

10.如权利要求8所述的飞秒激光测距方法，其特征在于，由一光电探测器接收将干涉脉冲转换为所述电信号，所述电信号的时域干涉条纹为

其中i(t)表示随时间t的电流信号，

是所述光电探测器的响应因子，β为模传输常数，L为色散补偿光纤的长度，τ是由待测距离所产生的延时，根据该延时τ计算待测距离。

Images