CN114047521A - 一种光学频率梳探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学频率梳探测系统，包括光学频率梳模块、合束模块、第一分光模块、参考反射模块、第一探测接收模块、第一数据采集模块和第一信号处理模块；光学频率梳模块产生第一出射激光信号和第二出射激光信号；合束模块对激光信号进行合束形成合束激光信号；第一分光模块将合束激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号；参考反射模块反射参考激光信号形成参考回波信号；第一分光模块还对回波信号进行合束形成回波合束信号；第一探测接收模块形成第一电学探测信号；数据采集模块采集第一电学探测信号传送至信号处理模块。光学频率梳探测系统能够提升测量结果的更新速率，扩大无模糊范围，有利于大范围动态绝对距离测量领域的应用。

Description

一种光学频率梳探测系统

技术领域

本发明实施例涉及光学探测技术领域，尤其涉及一种光学频率梳探测系统。

背景技术

近些年出现了许多基于光学频率梳的测距方案，如利用光频梳不同纵模之间的光学拍产生重频高次谐波的合成波干涉法，都是基于单光梳进行距离测量的方法。这类方法能够实现测距且获得一定的精度，但未完全发挥光频梳作为测距光源的优势。

单光梳测距技术的技术瓶颈主要在于测量死区(即某些距离范围内无法进行测量的区域)较大。虽然双光梳系统能够较好的解决这一问题，但是现有技术中的双光梳探测主要依赖于异步光学采样过程，即测距信息仅由信号光携带，通过本振光对信号光的降采样提升测距信号的时间分辨性，无模糊范围受限于激光器腔长，且仍然存在一定测量死区，测量精度有待提升。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种光学频率梳探测系统，采用共发射模式的双光梳绝对距离测量方法获得新的测距信号模式，能够将测距结果更新速率提升一倍，同时具有光频梳光谱分辨率高、脉冲速率快、无模糊范围的优点，有利于实现空间中大范围、高精度的动态绝对距离测量。

本发明实施例提供了一种光学频率梳探测系统，包括光学频率梳模块、合束模块、第一分光模块、参考反射模块、第一探测接收模块、第一数据采集模块和第一信号处理模块；

所述光学频率梳模块用于产生第一出射激光信号和第二出射激光信号，所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的中心波长相同，且所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的频率满足预设要求；

所述合束模块位于所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的传播路径上，用于对所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号进行合束形成合束激光信号；

所述第一分光模块位于所述合束激光信号的传播路径上，用于将所述合束激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号；

待探测物位于所述探测激光信号的传播路径上，所述探测激光信号经所述待探测物散射后形成探测回波信号；

所述参考反射模块位于所述参考激光信号的传播路径上，用于反射所述参考激光信号形成参考回波信号；

所述第一分光模块还位于所述探测回波信号和所述参考回波信号的传播路径上，用于对所述探测回波信号和所述参考回波信号进行合束形成回波合束信号；

所述第一探测接收模块位于所述回波合束信号的传播路径上，用于接收并探测所述回波合束信号形成第一电学探测信号；

所述第一数据采集模块分别与所述第一探测接收模块以及所述第一信号处理模块电连接，用于采集所述第一电学探测信号并传送所述第一电学探测信号至所述第一信号处理模块；

所述第一信号处理模块用于根据所述第一电学探测信号获取所述待探测物的探测信号。

可选的，所述光学频率梳探测系统还包括光学信号调整模块、第二分光模块、第二探测接收模块、第二数据采集模块和第二信号处理模块，所述光学信号调整模块包括第一光学信号调整模块和第二光学信号调整模块；

所述第一光学信号调整模块位于所述参考反射模块与所述第一分光模块之间的光路中，用于调整所述参考回波信号形成参考回波调整信号；

所述第二光学信号调整模块位于所述待探测物与所述第一分光模块之间的光路中，用于调整所述探测回波信号形成探测回波调整信号；

所述第一分光模块还用于对所述参考回波调整信号和所述探测回波调整信号进行合束形成回波调整合束信号；

所述第二分光模块位于所述回波调整合束信号的传播路径上，用于根据所述合束激光信号和所述回波调整合束信号进行降采样处理形成降采样处理信号；

所述第二探测接收模块位于所述降采样处理信号的传播路径上，用于接收并探测所述降采样处理信号形成第二电学探测信号；

所述第二数据采集模块分别与所述第二探测接收模块以及所述第二信号处理模块电连接，用于采集所述第二电学探测信号并传送所述第二电学探测信号至所述第二信号处理模块；

所述第二信号处理模块用于根据第二电学探测信号获取所述待探测物的探测信号。

可选的，所述光学信号调整模块包括波长调整单元，所述第二分光模块包括波长分光单元；

或者，所述光学信号调整模块包括偏振调整单元，所述第二分光模块包括偏振分光单元。

可选的，所述第一光学信号调整模块包括第一光学带通滤波器，所述第二光学信号调整模块包括第二光学带通滤波器；所述第一光学带通滤波器和所述第二光学带通滤波器的中心波长位于所述合束激光信号的光谱范围内，且所述第一光学带通滤波器与所述第二光学带通滤波器的波长调整范围不交叠；所述第二分光模块包括分色镜或者光栅；

或者，所述第一光学信号调整模块和所述二光学信号调整模块均包括四分之一波片；所述第二分光模块包括偏振分束器。

可选的，所述光学频率梳探测系统还包括放大模块、滤波模块和准直模块；

所述放大模块、所述滤波模块和所述准直模块依次位于所述合束激光信号的传播路径上；所述放大模块用于放大所述合束激光信号；所述滤波模块用于整形所述合束激光信号；所述准直模块用于准直所述合束激光信号。

可选的，所述光学频率梳探测系统还包括空间衰减模块；

所述空间衰减模块位于所述第一分光模块和所述参考反射模块之间的光路中，用于衰减所述参考激光信号和/或所述参考回波信号。

可选的，所述光学频率梳探测系统还包括扩束模块；

所述扩束模块位于所述第一分光模块与所述待探测物之间的光路中，用于扩束所述探测激光信号。

可选的，所述光学频率梳探测系统还包括第一聚焦模块和第二聚焦模块；

所述第一聚焦模块位于所述第一分光模块与所述第一探测接收模块之间的光路中，用于聚焦所述回波合束激光信号；

所述第二聚焦模块位于所述第二分光模块与所述第二探测接收模块之间的光路中，用于聚焦所述降采样处理信号。

可选的，所述光学频率梳探测系统还包括第一电学低通滤波模块和第二电学低通滤波模块；

所述第一电学低通滤波模块分别与所述第一探测接收模块和所述第一数据采集模块电连接，用于对所述第一电学探测信号进行低通滤波；

所述第二电学低通滤波模块分别与所述第二探测接收模块和所述第二数据采集模块电连接，用于对所述第二电学探测信号进行低通滤波。

可选的，所述光学频率梳模块包括锁模飞秒激光器、克尔光学频率梳、电光学频率梳、双波长锁模激光器或者微腔孤子光学频率梳；

所述锁模飞秒激光器的锁模方式包括非线性放大环形镜锁模、非线性偏振旋转锁模或者真实可饱和吸收体锁模。

本发明实施例提供的一种光学频率梳探测系统，采用共发射模式，即光学频率梳模块产生中心波长相同，频率不同且满足预设频率要求的第一出射激光信号和第二出射激光信号，第一出射激光信号和第二出射激光信号通过合束模块混合获得合束信号光，再发射到空间进行测距，合束信号光抵达参考反射模块和待探测物的表面后返回，得到可分辨的测距信号。本发明实施例所提出采用共发射模式的双光梳绝对距离测量方法强调两台光梳作用的一致性，可交换性，没有信号光与本振光的区别，共同携带测距信息，相互进行降采样实现测距信号时域可分辨性的提升，获得新的测距信号模式，能够将测距结果更新速率提升一倍，有效扩大无模糊范围，结合使用光学滤波器进行分波长测距和探测能够改善测距信号，避免测量当中遇到的死区，有利于大范围动态绝对距离测量领域的应用。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种光学频率梳探测系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种光学频率梳探测系统结构示意图；

图3是现有技术中传统双光梳探测系统的降采样过程的示意图；

图4是本发明实施例提供的双光梳探测系统的异步采样过程原理示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种光学频率梳探测系统结构示意图。

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，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供的一种光学频率梳探测系统，光学频率梳模块产生中心波长相同且满足微小频率差要求的第一出射激光信号和第二出射激光信号，通过合束后进行探测。首先对双光学频率梳测距技术进行相应的解释如下：

双光学频率梳测距技术是使用两束具有稳定微小重复频率差的飞秒脉冲激光进行距离或位移测量的技术，通过异步光学采样(ASOPS)提升信号的时间可分辨性。一台稳定的光频梳在频域上能够提供许多等间隔分布的窄线宽光学纵模，可以充当一系列相干的连续激光光源，并且能够实现百兆赫兹甚至更高的重复频率，这些特点使得光频梳在计量领域有着很高的应用价值。双光梳系统采用两台具有微小重复频率差的光频梳，利用与游标卡尺原理相似的采样方式，结合迈克尔逊干涉仪原理，产生多外差光谱和光电探测器响应时间内可分辨的干涉信号，充分发挥了光频梳光谱分辨率高、脉冲速率快、无模糊范围大的优点，有利于实现空间中大范围、高精度的动态绝对距离测量。

基于上述原理说明，下面详细说明本发明实施例的技术方案。

图1是本发明实施例提供的一种光学频率梳探测系统结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的光学频率梳探测系统包括光学频率梳模块1、合束模块2、第一分光模块6、参考反射模块7、第一探测接收模块9、第一数据采集模块11A和第一信号处理模块12A；光学频率梳模块1用于产生第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2，第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2的中心波长相同，且第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2的频率满足预设要求；合束模块2位于第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2的传播路径上，用于对第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2进行合束形成合束激光信号b；第一分光模块6位于合束激光信号b的传播路径上，用于将合束激光信号b分束形成探测激光信号b1和参考激光信号b2；待探测物8位于探测激光信号b1的传播路径上，探测激光信号b1经待探测物8散射后形成探测回波信号c1；参考反射模块7位于参考激光信号b2的传播路径上，用于反射参考激光信号b2形成参考回波信号c2；第一分光模块6还位于探测回波信号c1和参考回波信号c2的传播路径上，用于对探测回波信号c1和参考回波信号c2进行合束形成回波合束信号d；第一探测接收模块9位于回波合束信号d的传播路径上，用于接收并探测回波合束信号d形成第一电学探测信号e；第一数据采集模块11A分别与第一探测接收模块9以及第一信号处理模块12A电连接，用于采集第一电学探测信号e并传送第一电学探测信号e至第一信号处理模块12A；信号处理模块12用于根据第一电学探测信号e获取待探测物8的探测信号。

示例性的，光学频率梳模块1输出两束具有稳定的微小重复频率差的光频梳1’和2’，这里的微小重复频率差可以理解为两个光学频率梳的频率之间的比值小于10⁴，且需要依据光学频率梳的重复频率具体选择。光频梳1’和2’分别发出中心波长相同且频率不同的第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2，并需要使用外置设备对第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2的重复频率与载波包络偏移频率进行锁定。

进一步的，合束模块2对第一出射激光信号a1和第二出射激光信号a2进行合束形成的合束激光信号b。第一分光模块6将合束激光信号b分束成探测激光信号b1和参考激光信号b2。其中，探测激光信号b1用于对待探测物8进行探测。携带待探测物8探测信号的探测回波信号c1返回至第一分光模块6。参考激光信号b2通过参考反射模块7形成参考回波信号c2，参考回波信号c2返回至第一分光模块6。具体的，携带探测信号的探测回波信号c1结合参考回波信号c2可以获取待探测物7的相关探测信息。

第一探测接收模块9将光信号转换成电信号，具体用于接收并探测回波合束信号d形成第一电学探测信号e。进一步的，依据所选用的待测目标8的表面材料反射率和空间距离等具体测量情况，第一探测接收模块9可以选择的光电探测器包括但不限于平衡光电探测器或者雪崩式光电探测器，本发明实施例对第一探测接收模块的具体类型不进行限定。第一数据采集模块11A用于采集第一电学探测信号e，并将第一电学探测信号e传输至第一信号处理模块12A，经过第一信号处理模块12A的解析获取激光飞行时间与空间距离值。第一数据采集模块11A可以使用数据采集卡将获得的模拟信号转换成数字信号用于信号处理。第一信号处理模块12A根据第一电学探测信号e获取待探测物8的探测信号。第一信号处理模块12A可以通过对数据进行傅里叶变换、光频反演、光谱归一化、光学信息解析等处理，结合控制扫描的运动轨迹，形成被测物体的结构及光学图像。

基于上述说明，现将本发明提供的光学频率梳探测系统的工作过程简单总结如下：光学频率梳模块1输出两列飞秒脉冲序列进入合束模块2后形成合束信号光由光纤进入空间。在空间当中，合束信号光被第一分光模块6分为两路：一路参考反射模块7，发生反射；一路指向待探测物8，发生散射。探测回波信号c1和参考回波信号c2重新在第一分光模块6汇合，被第一探测接收模块9接收，进入第一数据采集模块11A和第一信号处理模块12A，解析得到脉冲光的飞行时间与空间距离值，进而探测得到待探测物8的探测信息，探测信号例如可以包括待探测物8的距离信息以及表面形态信息等。

本发明实施例提供的光学频率梳探测系统，采用共发射模式，即两台光频梳发出的光先在系统内部混合获得合束信号光，再共同发射到空间进行测距，合束信号光抵达参考反射模块和待探测物表面后返回，得到第一探测接收模块响应时间内可分辨的测距信号。而非像传统测距方法那样，仅令一台光频梳发出的激光信号单独到达参考镜和待测目标，再将返回激光信号与另一台光频梳发出的本振光信号混合。本发明实施例提供的光学频率梳探测系统可以能够提升测量结果的更新速率，扩大无模糊范围，有利于大范围动态绝对距离测量领域的应用。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的光学频率梳探测系统还可以对参考回波信号和探测回波信号进行独立探测，增强探测精度，避免探测死区。下面对如何实现参考回波信号和探测回波信号的独立探测进行说明。

具体的，图2是本发明实施例提供的另一种光学频率梳探测系统结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的光学频率梳探测系统还包括光学信号调整模块、第二分光模块17、第二探测接收模块20、第二数据采集模块11B和第二信号处理模块12B，光学信号调整模块包括第一光学信号调整模块15和第二光学信号调整模块16；第一光学信号调整模块15位于参考反射模块7与第一分光模块6之间的光路中，用于调整参考回波信号c2形成参考回波调整信号c21；第二光学信号调整模块16位于待探测物8与第一分光模块6之间的光路中，用于调整探测回波信号c1形成探测回波调整信号c11；第一分光模块6还用于对参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11进行合束形成回波调整合束信号d1；第二分光模块17位于回波调整合束信号d1的传播路径上，用于根据合束激光信号b和回波调整合束信号d1进行降采样处理形成降采样处理信号f；第二探测接收模块20位于降采样处理信号f的传播路径上，用于接收并探测降采样处理信号f形成第二电学探测信号g；第二数据采集模块11B分别与第二探测接收模块20以及第二信号处理模块12B电连接，用于采集第二电学探测信号g并传送第二电学探测信号g至第二信号处理模块12B；第二信号处理模块12B用于根据第二电学探测信号g获取待探测物8的探测信号。

示例性的，光学信号调整模块包括第一光学信号调整模块15和第二光学信号调整模块16。第一光学信号调整模块15用于调整参考回波信号c2形成参考回波调整信号c21，以区别探测回波信号c1。第二光学信号调整模块16用于调整探测回波信号c1形成探测回波调整信号c11，以区别参考回波信号c2。进一步的，第一分光模块6还位于参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11的传输路径上，用于对参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11进行合束形成回波调整合束信号d1；第二分光模块17位于回波调整合束信号d1的传播路径上，用于根据合束激光信号b和回波调整合束信号d1进行降采样处理形成降采样处理信号f。具体的，第二分光模块17用于根据合束激光信号b和参考回波调整信号c21进行降采样处理形成参考降采样处理信号，还用于根据合束激光信号b和探测回波调整信号c11进行降采样处理形成探测降采样处理信号，即通过设置光学信号调整模块和第二分光模块17实现对参考激光信号b1和探测激光信号b2的分别处理，保证参考激光信号b1和探测激光信号b2处理精度高，如此可以提升光学频率梳探测系统的探测精度，避免产生探测死区。

具体的，第二分光模块17根据合束激光信号b和回波调整合束信号d1进行降采样处理，分束形成第一降采样处理信号f1和第二降采样处理信号f2。第二探测接收模块20包括第二甲探测接收模块20A和第二乙探测接收模块20B，第二数据采集模块11B包括第二甲数据采集模块11B1和第二乙数据采集模块11B2，第二信号处理模块12B包括第二甲信号处理模块12B1和第二乙信号处理模块12B2。第一降采样处理信号f1通过第二甲探测接收模块20A形成第二甲电学探测信号g1，第二降采样处理信号f2通过第二乙探测接收模块20B形成第二乙电学探测信号g2。第二甲电学探测信号g1依次经过第二甲数据采集模块11B1和第二甲信号处理模块12B1进行采集处理。第二乙电学探测信号g2依次经过第二乙数据采集模块11B2和第二乙信号处理模块12B2进行采集处理。如此实现对参考激光信号b1和探测激光信号b2的分别处理，保证参考激光信号b1和探测激光信号b2处理精度高，如此可以提升光学频率梳探测系统的探测精度，避免产生探测死区。

在上述实施例的基础上，图3是现有技术中传统双光梳探测系统的异步采样过程原理示意图，图4是本发明实施例提供的双光梳探测系统的异步采样过程原理示意图，参考图3和图4所示，其中，tr表示重复频率的时间周期；△T表示降采样过程的采样步长；Tupdate表示降采样信号的周期时间；tf表示参考光束和目标光束之间的飞行时间差；Td表示对tf进行放大后的待测时延；tr和tr’分别表示两台光梳的重复时间。传统双光梳探测系统中仅令一台光频梳发出的激光信号单独到达参考镜和待测目标，再将返回激光信号与另一台光频梳发出的本振光信号混合，通过本振光信号对激光信号进行降采样，实现探测信号的获取。本发明实施例提供的光学频率梳探测系统中两个光频梳发出的激光信号均存在参考回波信号与探测回波信号，即图中光频梳1’存在参考1光束和目标1光束，光频梳2’存在参考2光束和目标2光束，从而获取四个脉冲序列，每个脉冲序列都与另一光频梳发出的两个脉冲序列构成一个异步光学采样系统，可以发生四次降采样的过程，示例性的，参考1对照参考2、参考1对照目标2、参考2对照目标1以及目标1对照目标2，如此产生新的信号模式，这种信号模式可以实现飞行时间的解算，在大范围距离测距时还能同步实现距离估算和绝对距离的高精度测量。具体的，如图4所示，采用本发明实施例提供的双光梳探测系统可以无模糊地探测出现有技术无法探测到的目标c，保证探测精度高。

在上述实施例的基础上，可以通过调整参考回波信号以及探测回波信号的波长以及偏振态，来区分参考回波信号和探测回波信号，具体的，继续参考图2所示，光学信号调整模块可以包括波长调整单元，第二分光模块17包括波长分光单元；或者，光学信号调整模块可以包括偏振调整单元，第二分光模块17包括偏振分光单元。如此，通过调整参考回波信号c2和探测回波信号c1的波长不同，从而从波长上区分参考回波信号c2和探测回波信号c1，实现参考回波信号c2和探测回波信号c1的分别探测。或者，通过调整参考回波信号c2和探测回波信号c1的偏振态不同，从而从偏振态上区分参考回波信号c2和探测回波信号c1，实现参考回波信号c2和探测回波信号c1的分别探测。

下面分别对如何调整参考回波信号以及探测回波信号的波长和偏振态进行说明。

首先从如何调整参考回波信号以及探测回波信号的波长进行说明。

第一光学信号调整模块15包括第一光学带通滤波器，第二光学信号调整模块16包括第二光学带通滤波器；第一光学带通滤波器和第二光学带通滤波器的中心波长位于合束激光信号b的光谱范围内，第一光学带通滤波器与第二光学带通滤波器的波长调整范围不重叠；相对应的，第二分光模块17包括分色镜或者光栅。

具体的，当通过分波长的方式进行调整时，光学信号调整模块包括波长调整单元，第二分光模块17包括波长分光单元，即第一光学信号调整模块15包括第一光学带通滤波器，第二光学信号调整模块16包括第二光学带通滤波器，第二分光模块17包括分色镜或者光栅等。第一光学带通滤波器和第二光学带通滤波器的中心波长位于合束激光信号b的光谱范围内，两者滤波范围没有重叠，得到不同波长范围的参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11。之后通过分色镜或者光栅对不同波长范围的参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11进行分光，分光后的参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11分别与合束激光信号b进行降采样处理，实现参考回波信号c2和探测回波信号c1的独立探测。

接下来从如何调整参考回波信号以及探测回波信号的偏振态进行说明。

第一光学信号调整模块15和第二光学信号调整模块16均包括四分之一波片；第二分光模块包括偏振分束器。

当通过分偏振方式进行激光信号的调整时，光学信号调整模块包括偏振调整单元，第二分光模块17包括偏振分光单元，保证参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11以不同偏振形态分别传输具体的，第一光学信号调整模块15和第二光学信号调整模块16可以均包括四分之一波片，参考回波信号c2和探测回波信号c1分别经过四分之一波片后得到偏振态不同的参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11。之后通过偏振分束器对不同偏振态的探测参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11进行分光，分光后的探测参考回波调整信号c21和探测回波调整信号c11分别与合束激光信号b进行降采样处理，实现参考回波信号c1和探测回波信号c2的独立探测。

图5是本发明实施例提供的另一种光学频率梳探测系统结构示意图，如图5所示，光学频率梳探测系统还包括放大模块3、滤波模块4和准直模块5；放大模块3、滤波模块4和准直模块5依次位于合束激光信号b的传播路径上；放大模块3用于放大合束激光信号b；滤波模块4用于整形合束激光信号b；准直模块5用于准直合束激光信号b。

示例性的，本发明实施例提供的光学频率梳探测系统中包括放大模块3、滤波模块4和准直模块5。具体的，放大模块3、滤波模块4和准直模块5依次位于合束激光信号b的传播路径上，放大模块3将合束激光信号b进行放大，保证激光信号的功率较大。滤波模块4用于滤除合束激光信号b中的干扰信号，提升后续探测精确度。准直模块5对合束激光信号b进行准直，提升信号准直效果。通过放大模块3、滤波模块4和准直模块5保证合束激光信号b优质的传输至第一分光模块6。

继续参考图5所示，光学频率梳探测系统还包括空间衰减模块13；空间衰减模块13位于第一分光模块6和参考反射模块7之间的光路中，用于衰减参考激光信号b2和/或参考回波信号c2。

示例性的，待探测物8设置的位置一般情况下相对第一分光模块6距离较大，因此探测激光信号b1以及探测回波信号c1长距离传输过程中损耗较大，即使设置第一分光模块6对参考激光信号b2具有较小的分光比例，对探测激光信号b1具有较大的分光比例，仍然会造成参考回波信号c2与探测回波信号c1之间的功率差距较大。因此本发明实施例在第一分光模块6和参考反射模块7之间的光路中设置空间衰减模块13，通过空间衰减模块13对参考激光信号b2和/或参考回波信号c2进行衰减，如此降低参考回波信号c2与探测回波信号c1之间的功率差值，保证参考回波信号c2与探测回波信号c1处于同一数量级，便于探测与后续信号的处理，提升干涉条纹对比度。

进一步的，当参考回波信号c2与探测回波信号c1之间的功率差距较大时，可以设置参考激光信号b2和参考回波信号c2共光路设置，即空间衰减模块13同时位于参考激光信号b2和参考回波信号c2的传播路径上，空间衰减模块13可以对参考激光信号b2和参考回波信号c2均进行衰减，保证参考回波信号c2与探测回波信号c1处于同一数量级，便于探测与后续信号的处理，提升干涉条纹对比度。当参考回波信号c2与探测回波信号c1之间的功率差距较小时，可以设置参考激光信号b2和参考回波信号c2具备独立的光路，例如通过增设光路调整单元调整参考激光信号b2或者参考回波信号c2的光路，此时空间衰减模块13可以只对参考激光信号b2或参考回波信号c2其中一个路径上的光先进行衰减，保证参考回波信号c2与探测回波信号c1处于同一数量级，便于探测与后续信号的处理，提升干涉条纹对比度。

在上述实施例的基础上，继续参考图5所示，光学频率梳探测系统还包括扩束模块14；扩束模块14位于第一分光模块6与待探测物8之间的光路中，用于扩束探测激光信号b1和/或探测回波信号c1。

示例性的，当到探测物8所处的空间距离较远或体积较大时，可以在第一分光模块6与待探测物8之间的光路中添加扩束模块14，用于扩束探测激光信号b1，改善测距结果。具体的，探测激光信号b1经过扩束模块14时，光斑变大，激光的传输效果增强。

在上述实施例的基础上，继续参考图5所示，光学频率梳探测系统还包括第一聚焦模块18和第二聚焦模块19；第一聚焦模块18位于第一分光模块6与第一探测接收模块9之间的光路中，用于聚焦回波合束激光信号d；第二聚焦模块19位于第二分光模块17与第二探测接收模块20之间的光路中，用于聚焦降采样处理信号f。

示例性的，本发明实施例提供的光学频率梳探测系统还包括第一聚焦模块18和第二聚焦模块19。第一聚焦模块18用于聚焦回波合束激光信号d，第二聚焦模块19用于聚焦降采样处理信号f。具体的，第一聚焦模块18和第二聚焦模块19有效提升第一探测接收模块9和第二探测接收模块20接收到激光信号的强度，改善整个测距系统接收微弱回光的能力，提升测距的准确性。

在上述实施例的基础上，继续参考图5所示，光学频率梳探测系统还包括第一电学低通滤波模块10和第二电学低通滤波模块21；第一电学低通滤波模块10分别与第一探测接收模块9和第一数据采集模块11A电连接，用于对第一电学探测信号e进行低通滤波；第二电学低通滤波模块21分别与第二探测接收模块20和第二数据采集模块11B电连接，用于对第二电学探测信号g进行低通滤波。

示例性的，本发明实施例提供的光学频率梳探测系统还包括第一电学低通滤波模块10和第二电学低通滤波模块21。第一电学低通滤波模块10和第二电学低通滤波模块21对获取的第一电学探测信号e和第二电学探测信号g进行低通滤波，滤除干扰信号，滤波后的第一电学探测信号e进入第一数据采集模块11A和第一信号处理模块12A，滤波后的第二电学探测信号g进入第二数据采集模块11B和第二信号处理模块12B，解析得到脉冲光的飞行时间与空间距离值，提升解析精确度。

继续参考图5所示，光学频率梳模块1包括锁模飞秒激光器、克尔光学频率梳、电光学频率梳、双波长锁模激光器或者微腔孤子光学频率梳；锁模飞秒激光器的锁模方式包括非线性放大环形镜锁模、非线性偏振旋转锁模或者真实可饱和吸收体锁模。

示例性的，光学频率梳模块1产生飞秒脉冲激光的方式包括但不限于非线性偏振旋转锁模、非线性放大环形镜锁模、真实可饱和吸收体锁模、电光调制光梳以及微环谐振腔等，本发明实施例对光学频率梳模块1产生飞秒脉冲激光的方式不进行限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光学频率梳探测系统，其特征在于，包括光学频率梳模块、合束模块、第一分光模块、参考反射模块、第一探测接收模块、第一数据采集模块和第一信号处理模块；

所述光学频率梳模块用于产生第一出射激光信号和第二出射激光信号，所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的中心波长相同，且所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的频率满足预设要求；

所述合束模块位于所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的传播路径上，用于对所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号进行合束形成合束激光信号；

所述第一分光模块位于所述合束激光信号的传播路径上，用于将所述合束激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号；

待探测物位于所述探测激光信号的传播路径上，所述探测激光信号经所述待探测物散射后形成探测回波信号；

所述参考反射模块位于所述参考激光信号的传播路径上，用于反射所述参考激光信号形成参考回波信号；

所述第一分光模块还位于所述探测回波信号和所述参考回波信号的传播路径上，用于对所述探测回波信号和所述参考回波信号进行合束形成回波合束信号；

所述第一探测接收模块位于所述回波合束信号的传播路径上，用于接收并探测所述回波合束信号形成第一电学探测信号；

所述第一数据采集模块分别与所述第一探测接收模块以及所述第一信号处理模块电连接，用于采集所述第一电学探测信号并传送所述第一电学探测信号至所述第一信号处理模块；

所述第一信号处理模块用于根据所述第一电学探测信号获取所述待探测物的探测信号。

2.根据权利要求1所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳探测系统还包括光学信号调整模块、第二分光模块、第二探测接收模块、第二数据采集模块和第二信号处理模块，所述光学信号调整模块包括第一光学信号调整模块和第二光学信号调整模块；

所述第一光学信号调整模块位于所述参考反射模块与所述第一分光模块之间的光路中，用于调整所述参考回波信号形成参考回波调整信号；

所述第二光学信号调整模块位于所述待探测物与所述第一分光模块之间的光路中，用于调整所述探测回波信号形成探测回波调整信号；

所述第一分光模块还用于对所述参考回波调整信号和所述探测回波调整信号进行合束形成回波调整合束信号；

所述第二分光模块位于所述回波调整合束信号的传播路径上，用于根据所述合束激光信号和所述回波调整合束信号进行降采样处理形成降采样处理信号；

所述第二探测接收模块位于所述降采样处理信号的传播路径上，用于接收并探测所述降采样处理信号形成第二电学探测信号；

所述第二数据采集模块分别与所述第二探测接收模块以及所述第二信号处理模块电连接，用于采集所述第二电学探测信号并传送所述第二电学探测信号至所述第二信号处理模块；

所述第二信号处理模块用于根据第二电学探测信号获取所述待探测物的探测信号。

3.根据权利要求2所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学信号调整模块包括波长调整单元，所述第二分光模块包括波长分光单元；

或者，所述光学信号调整模块包括偏振调整单元，所述第二分光模块包括偏振分光单元。

4.根据权利要求3所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述第一光学信号调整模块包括第一光学带通滤波器，所述第二光学信号调整模块包括第二光学带通滤波器；所述第一光学带通滤波器和所述第二光学带通滤波器的中心波长位于所述合束激光信号的光谱范围内，且所述第一光学带通滤波器与所述第二光学带通滤波器的波长调整范围不交叠；所述第二分光模块包括分色镜或者光栅；

或者，所述第一光学信号调整模块和所述二光学信号调整模块均包括四分之一波片；所述第二分光模块包括偏振分束器。

5.根据权利要求1所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳探测系统还包括放大模块、滤波模块和准直模块；

所述放大模块、所述滤波模块和所述准直模块依次位于所述合束激光信号的传播路径上；所述放大模块用于放大所述合束激光信号；所述滤波模块用于整形所述合束激光信号；所述准直模块用于准直所述合束激光信号。

6.根据权利要求1所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳探测系统还包括空间衰减模块；

所述空间衰减模块位于所述第一分光模块和所述参考反射模块之间的光路中，用于衰减所述参考激光信号和/或所述参考回波信号。

7.根据权利要求1所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳探测系统还包括扩束模块；

所述扩束模块位于所述第一分光模块与所述待探测物之间的光路中，用于扩束所述探测激光信号。

8.根据权利要求2所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳探测系统还包括第一聚焦模块和第二聚焦模块；

所述第一聚焦模块位于所述第一分光模块与所述第一探测接收模块之间的光路中，用于聚焦所述回波合束激光信号；

所述第二聚焦模块位于所述第二分光模块与所述第二探测接收模块之间的光路中，用于聚焦所述降采样处理信号。

9.根据权利要求2所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳探测系统还包括第一电学低通滤波模块和第二电学低通滤波模块；

所述第一电学低通滤波模块分别与所述第一探测接收模块和所述第一数据采集模块电连接，用于对所述第一电学探测信号进行低通滤波；

所述第二电学低通滤波模块分别与所述第二探测接收模块和所述第二数据采集模块电连接，用于对所述第二电学探测信号进行低通滤波。

10.根据权利要求1所述的光学频率梳探测系统，其特征在于，所述光学频率梳模块包括锁模飞秒激光器、克尔光学频率梳、电光学频率梳、双波长锁模激光器或者微腔孤子光学频率梳；

所述锁模飞秒激光器的锁模方式包括非线性放大环形镜锁模、非线性偏振旋转锁模或者真实可饱和吸收体锁模。

Images