CN101354248A - 频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪 - Google Patents

Abstract

高精确度、长距离(几十到几百米)亚毫米量级测量仪器一直是国际上研究的难点和热点。本发明提出一种利用频率扫描干涉法进行远距离高精度绝对距离测量的系统，属于精密测量技术领域。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、高精度法布里－珀罗腔、参考干涉计、测量干涉计，以及数据采集和控制系统组成。通过激光器的频率扫描利用干涉法可以直接测量相位差，所测的绝对距离和相位差成正比，通过相位解包裹得到完整的相位差，消除了模2π的不确定性，不存在绝对距离测量的不确定性。该系统具有测量精度高、快速、稳定、可靠等优点，适用于空间综合孔径子孔径间的距离测量、小行星编队、测绘、建筑以及军事等领域。

Description

频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪

1.技术领域

高精确度、长距离(几十到几百米)亚毫米量级测量仪器一直是国际上研究的难点和热点。本发明提出一种利用频率扫描干涉法进行高精度远距离测量的绝对距离测量系统，属于精密测量技术领域。可以用于中长距离精密距离测量方面，尤其适用于空间综合孔径子孔径间距离测定及定位，小卫星编队、测绘、建筑以及军事等领域。

2.背景技术

近年来，国内外对空间的研究越来越重视，包括多卫星飞行中编队、引力波探测、X-射线望远镜和空间综合孔径子望远镜排列及定位等，因此，精密的测量和控制系统作为科学测量的重要组成部分显得尤为重要。对于空间综合孔径干涉成像，通过干涉测量获取行星更高的角分辨率，而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。为了得到清晰的图像，各个子望远镜接收到星体发出的光所经过的光程应该一致，所以，必须有精密的测量系统来监视各个系统之间的距离、角度和速度，这就要求在几十到上百米范围测距的精度需达到几十微米，甚至更低。本发明主要面向远距离高精度绝对距离测量领域的应用。

为了达到如此高的测量精度，只能采用激光测距法。传统的激光测距方法有飞行时间法、幅度调制法、单波长干涉法、双波长干涉法、多波长干涉法、频率调制连续波法等。飞行时间法测量精度受时钟的影响较大，一般测量精度在毫米量级；幅度调制法利用测量相位代替测量时间，可以提高测量精度，但是要提前知道目标的大概距离；单波长干涉法是一种常用的高精度距离测量方法，通常用于测量相对距离的变化，如要进行绝对距离测量，其相位变化不能超过π；双波长干涉法采用两个波长进行干涉，利用其相位差极大地降低了光程改变的灵敏度，但是该方法同样存在模2π的不确定性，不能准确的实现绝对距离测量；多波长干涉法通过增加波长来提高测量的精度，但是系统比较复杂，而且多频率复用技术较难实现；频率调制连续波法采用固定的变化率进行频率扫描，由于受到扫频变化的限制只能获得中等分辨率。

鉴于以上测量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

本发明提出的频率扫描干涉法绝对距离测量系统采用频率可调无模跳外腔半导体激光器作为光源，利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术代替传统的热稳频来稳定激光器的频率输出，法布里-珀罗腔可以精确稳定激光器频率的两端，参考干涉计用于监视激光器频率的变化，对激光器输出频率进行及时调整，测量干涉部分采用外差干涉的方法，通过条纹计数器和相位计测量相位，相位解包裹后得到完整的相位差，根据相位差与距离的线性关系，准确得到所测的距离。本发明是传统激光测距的重要改进与提高。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)激光器及光束整形部分：激光器采用频率可调半导体外腔激光器，激光器发出的光经过波片、变形棱镜、望远镜、光隔离器对光束进行整形后进入下一级光路。

(2)频率锁定部分：本方法为频率扫描法，为了得到稳定的频差，采用PDH方法把激光器频率扫描的两端精确稳定于法布里-珀罗腔，该部分主要由电光调制器、法布里-珀罗腔及真空容器、PDH板卡及反馈电路、放大器、LC振荡电路，以及探测器组成。

(3)参考干涉计部分：参考干涉计用于监视激光器输出频率的变化，保障测量干涉部分频率的稳定。它由一个非平衡的Mach-Zehnder干涉计组成，一路经过一段长度固定的光纤，通过偏振分光棱镜及分光棱镜后实现正交探测。

(4)控制系统部分：控制系统主要实现在短时间内控制激光器的扫描，通过参考干涉计以及PDH的输入信号控制激光器频率的输出，通过参考干涉计的反馈稳定激光器的输出。

(5)测量干涉计部分：该部分实现对目标绝对距离的测量。测量干涉计部分采用外差探测的方法，主要由声光调制器和分光棱镜组成，形成两个平行的Mach-Zehnder干涉计。

(6)相位测量及提取部分：相位测量及提取部分主要由相位计、条纹计数器组成，在频率扫描的同时对相位进行解包裹，得到完整的相位差，消除了2π的不确定性。

(7)为了保持调节的灵活性，系统中有些部分采用光纤连接，系统中所有光纤均采用单模保偏光纤。

本发明的主要特色：利用频率扫描干涉法进行远距离绝对距离测量，采用PDH法把激光器扫描频率的两端稳定于法布里-珀罗腔，保证起始波长的稳定，通过参考干涉计监视激光器频率的变化并反馈到激光器，利用外差干涉法进行测量，通过相位解包裹得到完整的相位差，消除了模2π的不确定性，减小了距离测量中存在的误差。

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，可以应用与以下领域。

(1)该发明可以应用于空间小行星排列、编队，空间综合孔径中子孔径的测距和定位。

(2)该发明为无导轨、非接触式测量，既可以实现长距离测量，也可以进行短距离测量，短距离测量时精度可达微米量级，甚至更高，因此可以作为普通的精密测距仪器使用。

(3)如果能够小型化该发明可以应用于测绘、电力、建筑等领域，甚至还可以用于反恐等军事领域。

4.附图说明

图1为频率扫描干涉法高精度绝对距离测量仪总体框图。

5.具体实施方式

如图1所示，频率可调半导体外腔激光器(1)发出的光首先通过变形棱镜进行整形，使光斑变成圆形，然后利用望远镜调节光斑至适合大小，通过光隔离器由反射镜(2-1)反射后，进入偏振分光棱镜(3-1)，反射光进入扫描频率锁定光路部分，光通过电光调制器(4)利用PDH(6)把激光器扫描频率稳定于法布里-珀罗腔(5)，探测器(7-1)把法布里-珀罗腔的反射信号通过PDH反馈到电光调制器，同时PDH利用电流稳定激光器的输出，法布里-珀罗腔的透射信号经过偏振分光棱镜(3-2)进入直流探测器(7-2)；另一路进入下一级偏振分光棱镜(3-3)。

偏振分光棱镜(3-3)的反射光进入参考干涉部分，参考干涉部分用于监视激光器频率的变化，它由一个非平衡的Mach-Zehnder干涉计组成，一路通过长度固定的光纤(8)，最后通过探测器(7-3)和(7-4)实现正交探测，利用探测器的输出信号通过DSP(15)对激光器频率进行调整。

偏振分光棱镜(3-3)的透射光通过空间滤波器(9)进入到测量干涉计部分。测量干涉计通过分光棱镜(10-1)分光形成两路平行的Mach-Zehnder干涉计，一路经过声光调制器(11)形成测量信号，一路经过分光棱镜(10-2)形成参考信号，从而实现外差探测。图1所示的(10-3)-(10-5)均为分光棱镜，(2-2)和(2-3)为反射镜。

探测器(7-5)和(7-6)接收到的信号，进入条纹计数器(13)和相位计(14)，通过相位解包裹得到完整的相位差。为了提高相位提取的速度，采用粗测和细测同时进行的方法，一路直接进行计数实现粗测，一路通过下变频后采用较高的时钟频率进行细测，最后两路信号进行相位解包裹，恢复完整的相位差，通过相位差和距离的线性关系可以测得精确的距离。

Claims (9)

1.频率扫描干涉法高精度绝对距离测量系统，其特征在于：利用频率扫描外差干涉实现绝对距离测量，系统稳定、测量精度高，可以实现长距离测量，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、高精度法布里-珀罗腔、参考干涉计、测量干涉计和数据采集和控制系统组成。频率扫描的同时进行相位解包裹，得到完整的相位差，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。

3.根据权利要求1，法布里-珀罗腔用于稳定频率扫描的两端，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。

4.根据权利要求3所述PDH，其特征在于：主要由振荡器、电混频器、可调相移器、低通滤波器及放大器组成，法布里-珀罗腔的反射信号一路通过PHD控制激光器频率的锁定，一路用来反馈到电光调制器。

5.根据权利要求1，参考干涉计用于监视激光器频率的改变，其特征在于：采用一个非平衡的Mach-Zehnder干涉计，实现正交探测。

6.根据权利要求5，参考干涉计中非平衡Mach-Zehnder干涉计中一路通过长度固定的光纤，而且系统中所有光纤均采用单模保偏光纤。

7.根据权利要求1，测量干涉计部分采用外差探测方法，其特征在于：一路通过声光调制器产生一定的频差，用来产生参考信号，一路为测量信号，最后通过分束镜干涉。

8.根据权利要求1，数据采集过程由两步完成，其特征在于：采用粗测和细测同时进行的方法，可以快速精确的得到相位差。数据采集部分主要有条纹计数器和相位计组成，获取条纹数和相位差。

9.根据权利要求1，控制部分采用DSP实现，其特征在于：通过该控制部分，可以把参考干涉计所监视的频率变化的输出用于稳定激光器的频率的输出。

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