CN102679950B - 一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法，属于长度测量技术领域。测距装置包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机，使用三个不同波长的激光共同测量同一距离，用Edlén公式进行距离解算，将空气温度、压力、湿度等对测距造成的影响考虑进来，同时又可以不必进行温度、压力和湿度的测量与计算。本发明适用于当环境温度、压力、湿度等不均匀或者环境参数无法进行精确测量的场合，可用于制作远程测距系统、距离测量仪器设备以及用于距离参数的计量校准。

Description

一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法，属于长度测量技术领域。

背景技术

描述空间的测距技术是人类最重要的基本工程技术之一。目前的测距技术主要有时间法和空间法两类。空间法主要采用各种尺子直接测量距离和描述空间，如使用卡尺、皮尺、钢卷尺等等，距离有限并且准确度也有限。使用光波长作为尺子的测量方法即是通常的干涉测量法，可以获得更高的测量准确度和用于更长的距离。时间法主要借助于各种波动在空间或媒介中传输所需要的时间的测量，在均匀介质内传播速度恒定、传播方向不变的假设条件下获得空间距离，可以测量特别远的距离。例如使用声波、电磁波、光波等手段的各种雷达、测距机等等。

在各种激光干涉测距和时间法高精度激光测距中，空气媒介不均匀和不理想导致的折射率变化，进而导致的光速在媒介中的变化是影响和制约测距精度的主要技术瓶颈之一。为解决该问题，科学家们进行了大量研究，著名的Edlén公式即为其中的主要成果，它揭示了空气折射率与激光波长、空气温度、压力、湿度间的函数关系。通过对激光波长、环境温度、压力和湿度的测量获得空气折射率的修正补偿值，可以用来修正和计算空气中的光速，并可获得更高的测距准确度。

目前制约高精度测距准确度的瓶颈包括长程测距中光程各点的温度、压力、湿度等不均匀，测量和补偿难以实现等等，使得Edlén公式无法有效应用，导致测距准确度一直没有大的进展，特别是长距离测距情况。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有激光测距技术中空气折射率测量与补偿难以实现的问题，提出一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法，在不进行环境参数测量的情况下获得高精度距离测量结果。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路，参考臂和测量臂光程差的绝对值即是待测距离的2倍；

参考臂光路将含有参考臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，测量臂光路将含有测量臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，相位计通过测量两路正弦信号的相位并将测量结果送入计算机，计算机计算两路正弦信号的相位差量值并转换为时间差量值，再利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出；

波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出；

所述波长选择部件采用可选波长的选通滤波片或者采用衍射光栅的方式实现。

本发明的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其具体测距方法的步骤如下：

1)给出传统的关于空气折射率计算方法，为采用Edlén公式：

$(n_s-1)=(272.6+\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v}+\frac{0.061}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-6}---\left(1\right)$

$n_{t,p}-1=(n_s-1)\·\frac{P}{760}\·\frac{288}{T}---\left(2\right)$

$n_{t,p,f}=n_{t,p}-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}---\left(3\right)$

式中，n_s为标准状态下的空气折射率，所述标准状态是指环境温度T为288K、压力P为760mmHg以及干燥空气的状态下；λ_v为真空中的波长，单位以微米计；T为环境温度，单位以开尔文计；P为环境压力，单位以毫米汞计；n_t，p为在气压P、温度T条件下干燥空气的空气折射率；f为水气分压也即湿度，单位以托计；n_t，p，f为气压P、温度T、水气分压f条件下的空气折射率；

2)设定待测距离D为参考臂和测量臂光程差绝对值的1/2，也即实际的测量光程差是待测距离的2倍，则待测距离D可用式(4)表示：

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{2}---\left(4\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}}=\frac{v_g}{f_r}---\left(5\right)$

$v_g=c{(n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}---\left(6\right)$

其中，l_pp为相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差，称为飞秒脉冲节距；v_g为飞秒激光在空气中的群速度；f_r为飞秒激光的重复频率；q为飞秒脉冲节距l_pp的整倍数；δ_c为待测距离D中除去整数个节距之外的小数节距部分的修正距离；c是光在真空中的速度；中心波长为λ的飞秒激光在空气中的折射率用n表示；

为相位计在重复频率f_r上的相位差读值；

当飞秒激光重复频率固定不变时，由每一个脉冲节距l_pp带来的相位差为2π，因而相位计获得的相位差所对应的时间差仅仅对应修正距离δ_c部分，由式(7)计算获得；

3)采用时间飞行测距法确定步骤2)中的q值，具体过程为：

对于被测距离D，使用飞秒激光频率梳重复频率f_r1、以及对应的节距l_pp1、修正距离δ_c1，此时激光波长为λ₁，其对应的群速度为v_g1，则有下式(8)成立

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}1}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{c1}}{2}---\left(8\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}1}=\frac{v_{g1}}{f_{r1}}---\left(9\right)$

其中，f_r1为飞秒激光的重复频率；飞秒脉冲节距l_pp1为重复频率为f_r1时相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距l_pp1的整倍数；δ_c1为待测距离D中除去整数个节距l_pp1之外的小数节距部分的修正距离；

为相位计在重复频率f_r1上的相位差读值；

微调重复频率至另外一个值f_r2、以及对应的节距l_pp2、修正距离δ_c2，并令重复频率变化足够小以至于q无变化，则有下式(11)成立

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}2}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{c2}}{2}---\left(11\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}2}=\frac{v_{g1}}{f_{r2}}---\left(12\right)$

其中，f_r2为飞秒激光的重复频率；飞秒脉冲节距l_pp2为重复频率为f_r2时相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距l_pp2的整倍数；δ_c2为待测距离D中除去整数个节距l_pp2之外的小数节距部分的修正距离；

为相位计在重复频率f_r2上的相位差读值；

联立式(8)～式(13)，计算获得q值：

4)计算得出v_g的表达式，具体过程为：

令

它在测距过程中对于较稳定的环境条件可以被视为是一个未知常量，则将式(2)～(3)表述成：

$n_{t,p}-1=(n_s-1)\·\frac{P}{760}\·\frac{288}{T}=(n_s-1)\·Q---\left(15\right)$

$n_{t,p,f}=n_{t,p}-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}=1+(n_s-1)\·Q-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}---\left(16\right)$

则

$\frac{{\mathrm{dn}}_s}{\mathrm{d\λ}}=-(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})\·{10}^{-6}---\left(17\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p}}{\mathrm{d\λ}}=Q\·\frac{{\mathrm{dn}}_s}{\mathrm{d\λ}}=-Q\·{10}^{-6}\·(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})---\left(18\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p,f}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p}}{\mathrm{d\λ}}-f\·\frac{0.0914}{{\mathrm{\λ}}_v^3}\·{10}^{-8}=-Q\·{10}^{-6}\·(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^3}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})-f\·\frac{0.0914}{{\mathrm{\λ}}_v^3}\·{10}^{-8}---\left(19\right)$

此时，

$v_g=c\·{(n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}=c\·{(n_{t,p,f}-\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p,f}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}$ (20)

$=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_v}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_v^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_v^2}))}^{-1}$

5)分别在λ₁、λ₂、λ₃三个不同波长上实现同一距离D的测量，整理出被测距离D的解算表达式，具体为：

其中，

$v_{g1}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_1^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_1^2}))}^{-1}---\left(23\right)$

$v_{g2}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_2}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_2^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_2^2}))}^{-1}---\left(24\right)$

$v_{g3}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_3}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_3^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_3^2}))}^{-1}---\left(25\right)$

式中，f_r为飞秒激光的重复频率；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；v_g2为激光波长为λ₂时飞秒激光在空气中的群速度；v_g3为激光波长为λ₃时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距的整倍数，构造测量条件使得在重复频率为f_r时不同波长λ₁、λ₂、λ₃上q为同一值；

为相位计在激光波长为λ₁时重复频率f_r上的相位差读值；

为相位计在激光波长为λ₂时重复频率f_r上的相位差读值；

为相位计在激光波长为λ₃时重复频率f_r上的相位差读值，f为水气分压也即湿度，单位以托计；Q为稳定的未知常量；

6)调整波长选择部件分别提取出三个波长λ₁、λ₂、λ₃的激光测距相位差信息，在同一待测距离D上获得式(22)所述方程组，利用计算机解方程组(22)获得待测距离D以及Q和f。

有益效果

采用本发明的装置及方法实现距离测量，可以不必进行环境温度、压力、湿度等的测量即可以达到高精度效果；在环境温度、压力、湿度均匀恒定条件下，本发明所述方法的距离测量准确度可以达到与进行空气折射率补偿修正的效果相同，但当环境温度、压力、湿度等不均匀时，或者环境参数无法进行精确测量时，由于此时进行空气折射率修正非常困难，本发明所述方法要更加优越；本发明具有无需进行空气参数测量和空气折射率修正补偿、高精度测量距离量值的特点，可用于制作远程测距系统、距离测量仪器设备等，并可以用于距离参数的计量校准。

附图说明

图1为实施例1中测距装置的结构示意图；

其中，MF为选通滤波片，BS为分光镜，M1为第一平面反射镜，M2为第二平面反射镜，M3为第三平面反射镜，CM1为第一角耦反射棱镜，CM2为第二角耦反射棱镜，CV1为第一凹面反射镜，CV2为第二凹面反射镜，L为聚焦透镜，PD1为第一光电探测器，PD2为第二光电探测器，FR1为第一滤波器，FR2为第二滤波器；

图2实施例2中测距装置的结构示意图；

其中，BS为分光镜，M为平面反射镜，CM1为第一角耦反射棱镜，CM2为第二角耦反射棱镜，CV1为第一凹面反射镜，CV2为第二凹面反射镜，L为聚焦透镜，G1为第一衍射光栅，G2为第二衍射光栅，D1为第一光阑，D2为第二光阑，D3为第三光阑，D4为第四光阑，D5为第五光阑，D6为第六光阑，PD1为第一光电探测器，PD2为第二光电探测器，PD3为第三光电探测器，PD4为第四光电探测器，PD5为第五光电探测器，PD6为第六光电探测器，FR1为第一滤波器，FR2为第二滤波器，FR3为第三滤波器，FR4为第四滤波器，FR5为第五滤波器，FR6为第六滤波器，K为切换开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种基于三波长飞秒激光的测距装置，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路，参考臂和测量臂光程差的绝对值即是待测距离的2倍；

参考臂光路将含有参考臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，测量臂光路将含有测量臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，相位计通过测量两路正弦信号的相位并将测量结果送入计算机，计算机计算两路正弦信号的相位差量值并转换为时间差量值，再利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出；

波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出。

一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其测距方法的步骤如下：

1)给出传统的关于空气折射率计算方法为采用Edlén公式：

$(n_s-1)=(272.6+\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v}+\frac{0.061}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-6}---\left(1\right)$

$n_{t,p}-1=(n_s-1)\·\frac{P}{760}\·\frac{288}{T}---\left(2\right)$

$n_{t,p,f}=n_{t,p}-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}---\left(3\right)$

式中，n_s为标准状态下的空气折射率，所述标准状态是指环境温度T为288K、压力P为760mmHg以及干燥空气的状态下；λ_v为真空中的波长，单位以微米(μm)计；T为环境温度，单位以开尔文(K)计；P为环境压力，单位以毫米汞(mmHg)计；n_t，p为在气压P、温度T条件下干燥空气的空气折射率；f为水气分压也即湿度，单位以托(torr)计；n_t，p，f为气压P、温度T、水气分压f条件下的空气折射率；

2)设定待测距离D为参考臂和测量臂光程差绝对值的1/2，也即实际的测量光程差是待测距离的2倍，则待测距离D可用式(4)表示：

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{2}---\left(4\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}}=\frac{v_g}{f_r}---\left(5\right)$

$v_g=c{(n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}---\left(6\right)$

其中，l_pp为相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差，称为飞秒脉冲节距；v_g为飞秒激光在空气中的群速度；f_r为飞秒激光的重复频率；q为飞秒脉冲节距l_pp的整倍数；δ_c为待测距离D中除去整数个节距之外的小数节距部分的修正距离；c是光在真空中的速度；中心波长为λ的飞秒激光在空气中的折射率用n表示；

为相位计在重复频率f_r上的相位差读值；

当飞秒激光重复频率固定不变时，由每一个脉冲节距l_pp带来的相位差为2π，因而相位计获得的相位差所对应的时间差仅仅对应修正距离δ_c部分，由式(7)计算获得；

3)采用时间飞行测距法确定步骤2)中的q值，具体过程为：

对于被测距离D，使用飞秒激光频率梳重复频率f_r1、以及对应的节距l_pp1、修正距离δ_c1，此时激光波长为λ₁，其对应的群速度为v_g1，则有下式(8)成立

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}1}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{c1}}{2}---\left(8\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}1}=\frac{v_{g1}}{f_{r1}}---\left(9\right)$

其中，f_r1为飞秒激光的重复频率；飞秒脉冲节距l_pp1为重复频率为f_r1时相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距l_pp1的整倍数；δ_c1为待测距离D中除去整数个节距l_pp1之外的小数节距部分的修正距离；

为相位计在重复频率f_r1上的相位差读值；

微调重复频率至另外一个值f_r2、以及对应的节距l_pp2、修正距离δ_c2，并令重复频率变化足够小以至于q无变化，则有下式(11)成立

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}2}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{c2}}{2}---\left(11\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}2}=\frac{v_{g1}}{f_{r2}}---\left(12\right)$

其中，f_r2为飞秒激光的重复频率；飞秒脉冲节距l_pp2为重复频率为f_r2时相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距l_pp2的整倍数；δ_c2为待测距离D中除去整数个节距l_pp2之外的小数节距部分的修正距离；

为相位计在重复频率f_r2上的相位差读值；

联立式(8)～式(13)，计算获得q值

4)计算得出v_g的表达式，具体过程为：

令

它在测距过程中对于较稳定的环境条件可以被视为是一个未知常量，则将式(2)～(3)表述成：

$n_{t,p}-1=(n_s-1)\·\frac{P}{760}\·\frac{288}{T}=(n_s-1)\·Q---\left(15\right)$

$n_{t,p,f}=n_{t,p}-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}=1+(n_s-1)\·Q-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}---\left(16\right)$

则

$\frac{{\mathrm{dn}}_s}{\mathrm{d\λ}}=-(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})\·{10}^{-6}---\left(17\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p}}{\mathrm{d\λ}}=Q\·\frac{{\mathrm{dn}}_s}{\mathrm{d\λ}}=-Q\·{10}^{-6}\·(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})---\left(18\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p,f}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p}}{\mathrm{d\λ}}-f\·\frac{0.0914}{{\mathrm{\λ}}_v^3}\·{10}^{-8}=-Q\·{10}^{-6}\·(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^3}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})-f\·\frac{0.0914}{{\mathrm{\λ}}_v^3}\·{10}^{-8}---\left(19\right)$

此时，

$v_g=c\·{(n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}=c\·{(n_{t,p,f}-\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p,f}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}$

$=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_v}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_v^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_v^2}))}^{-1}$

5)分别在λ₁、λ₂、λ₃三个不同波长上实现同一距离D的测量，整理出被测距离D的解算表达式，具体为：

其中，

$v_{g1}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_1^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_1^2}))}^{-1}---\left(23\right)$

$v_{g2}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_2}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_2^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_2^2}))}^{-1}---\left(24\right)$

$v_{g3}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_3}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_3^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_3^2}))}^{-1}---\left(25\right)$

式中，f_r为飞秒激光的重复频率；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；v_g2为激光波长为λ₂时飞秒激光在空气中的群速度；v_g3为激光波长为λ₃时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距的整倍数，构造测量条件使得在重复频率为f_r时不同波长λ₁、λ₂、λ₃上q为同一值；

为相位计在激光波长为λ₁时重复频率f_r上的相位差读值；为相位计在激光波长为λ₂时重复频率f_r上的相位差读值；

为相位计在激光波长为λ₃时重复频率f_r上的相位差读值，f为水气分压也即湿度，单位以托(torr)计；Q为稳定的未知常量；

6)调整波长选择部件分别提取出三个波长λ₁、λ₂、λ₃的激光测距相位差信息，在同一待测距离D上获得式(22)所述方程组，利用计算机解方程组(22)获得待测距离D以及Q和f。

实施例1

一种基于三波长飞秒激光的测距装置，如图1所示，其中波长选择部件采用可选波长的选通滤波片实现，其参考臂光路包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一角耦反射棱镜，测量臂光路包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第三平面反射镜、第二角耦反射棱镜和聚焦透镜，光电转换部件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一滤波器和第二滤波器；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，飞秒激光经滤波片进行选通滤光后进入分光镜，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路；

去往参考臂光路的激光经第一平面反射镜反射后到达第一角耦反射棱镜，经第一角耦反射棱镜反射后再经第二平面反射镜反射进入第一光电探测器，参考臂用于给测距确定零位置点，其中参考臂长DR为从分光镜BS到第一光电探测器PD1之间光所走过的距离；

去往测量臂光路的激光经过第二凹面反射镜和第一凹面反射镜反射扩束后到达第二角耦反射棱镜，经第二角耦反射棱镜反射后的激光再经第三平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦到第二光电探测器，其中测量臂长DM为分光镜BS到第二光电探测器PD2之间光所走过的距离，待测距离为参考臂和测量臂光程差绝对值的二分之一；

第一光电探测器和第二光电探测器分别将接收到的参考臂光路和测量臂光路的光信号转换为电信号，两路电信号分别经第一滤波器和第二滤波器滤波后进入相位计，相位计在重复频率f_r或其高次谐波上对两者进行相位测量并将测量结果送入计算机进行处理，计算机将相位量值转换为时间量值，并利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出。

实施例2

一种基于三波长飞秒激光的测距装置，如图2所示，其中波长选择部件采用衍射光栅的方式实现，用切换开关K和相位计实现不同相位差的测量切换；

参考臂包括平面反射镜、第一角耦反射棱镜和第一衍射光栅，测量臂包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第二角耦反射棱镜、聚焦透镜和第二衍射光栅；

波长选择部件包括第一光阑、第二光阑、第三光阑、第四光阑、第五光阑和第六光阑，光电转换部件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第六滤波器和切换开关K；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，飞秒激光进入分光镜，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路；

去往参考臂光路的激光经平面反射镜反射后到达第一角耦反射棱镜，经第一角耦反射棱镜反射后到达第一衍射光栅，再经第一衍射光栅衍射分光后产生三路波长分别为λ₁、λ₂、λ₃的激光，三路激光分别经第一光阑、第二光阑和第三光阑进行后进入第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；

参考臂用于给测距确定零位置点，其中参考臂长DR为分光镜BS到第一光电探测器PD1光所走过的距离，令它与分光镜BS到第二光电探测器PD2光所走过的距离相等，同时也等于分光镜BS到第三光电探测器PD3光所走过的距离；

去往测量臂光路的激光经过第二凹面反射镜和第一凹面反射镜反射扩束后到达第二角耦反射棱镜，经第二角耦反射棱镜反射后的激光由聚焦透镜聚焦到第二衍射光栅，再经第二衍射光栅衍射分光后产生三路波长分别为λ₁、λ₂、λ₃的激光，三路激光分别经第六光阑、第五光阑和第四光阑进行后进入第六光电探测器、第五光电探测器和第四光电探测器；

其中测量臂长DM为分光镜BS到第六光电探测器PD6光所走过的距离，令它与分光镜BS到第五光电探测器PD5光所走过的距离相等，同时也等于分光镜BS到第四光电探测器PD4光所走过的距离；

所述切换开关K为由计算机控制的双刀三置开关，它在位置1时，将相位计输入端接通第一滤波器和第六滤波器，执行使用激光波长λ₁时的测距操作，获得重复频率f_r对应的相位测量值

它在位置2时，将相位计输入端接通第二滤波器和第五滤波器，执行使用激光波长λ₂时的测距操作，获得重复频率f_r对应的相位测量值

它在位置3时，将相位计输入端接通第三滤波器和第四滤波器，执行使用激光波长λ₃时的测距操作，获得重复频率f_r对应的相位测量值

计算机读取各个相位值后将相位量值转换为时间量值，并利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，均落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其特征在于，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路，参考臂和测量臂光程差的绝对值即是待测距离的2倍；

参考臂光路将含有参考臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，测量臂光路将含有测量臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，相位计通过测量两路正弦信号的相位并将测量结果送入计算机，计算机计算两路正弦信号的相位差量值并转换为时间差量值，再利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出；

波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出；

波长选择部件采用可选波长的选通滤波片实现，其参考臂光路包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一角耦反射棱镜，测量臂光路包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第三平面反射镜、第二角耦反射棱镜和聚焦透镜，光电转换部件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一滤波器和第二滤波器；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，飞秒激光经滤波片进行选通滤光后进入分光镜，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路；

去往参考臂光路的激光经第一平面反射镜反射后到达第一角耦反射棱镜，经第一角耦反射棱镜反射后再经第二平面反射镜反射进入第一光电探测器，参考臂用于给测距确定零位置点，其中参考臂长为从分光镜到第一光电探测器之间光所走过的距离；

去往测量臂光路的激光经过第二凹面反射镜和第一凹面反射镜反射扩束后到达第二角耦反射棱镜，经第二角耦反射棱镜反射后的激光再经第三平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦到第二光电探测器，其中测量臂长为分光镜到第二光电探测器之间光所走过的距离；

第一光电探测器和第二光电探测器分别将接收到的参考臂光路和测量臂光路的光信号转换为电信号，两路电信号分别经第一滤波器和第二滤波器滤波后进入相位计，相位计在重复频率f_r或其高次谐波上对两者进行相位测量并将测量结果送入计算机进行处理，计算机将相位量值转换为时间量值，并利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出。

2.一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其特征在于，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机；

波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出；

波长选择部件采用衍射光栅的方式实现，用切换开关和相位计实现不同相位差的测量切换；

参考臂包括平面反射镜、第一角耦反射棱镜和第一衍射光栅，测量臂包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第二角耦反射棱镜、聚焦透镜和第二衍射光栅；

波长选择部件包括第一光阑、第二光阑、第三光阑、第四光阑、第五光阑和第六光阑，光电转换部件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第六滤波器和切换开关K；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，飞秒激光进入分光镜，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路；

去往参考臂光路的激光经平面反射镜反射后到达第一角耦反射棱镜，经第一角耦反射棱镜反射后到达第一衍射光栅，再经第一衍射光栅衍射分光后产生三路波长分别为λ₁、λ₂、λ₃的激光，三路激光分别经第一光阑、第二光阑和第三光阑进行后进入第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；

参考臂用于给测距确定零位置点，其中参考臂长为光从分光镜到第一光电探测器所走过的距离，令它与光从分光镜到第二光电探测器所走过的距离相等，同时也等于光从分光镜到第三光电探测器所走过的距离；

去往测量臂光路的激光经过第二凹面反射镜和第一凹面反射镜反射扩束后到达第二角耦反射棱镜，经第二角耦反射棱镜反射后的激光由聚焦透镜聚焦到第二衍射光栅，再经第二衍射光栅衍射分光后产生三路波长分别为λ₁、λ₂、λ₃的激光，三路激光分别经第六光阑、第五光阑和第四光阑进行后进入第六光电探测器、第五光电探测器和第四光电探测器；

其中测量臂长为光从分光镜到第六光电探测器所走过的距离，令它与光从分光镜到第五光电探测器所走过的距离相等，同时也等于光从分光镜到第四光电探测器所走过的距离；

所述切换开关K为由计算机控制的双刀三置开关，它在位置1时，将相位计输入端接通第一滤波器和第六滤波器，执行使用激光波长λ₁时的测距操作，获得重复频率f_r对应的相位测量值

它在位置2时，将相位计输入端接通第二滤波器和第五滤波器，执行使用激光波长λ₂时的测距操作，获得重复频率f_r对应的相位测量值

它在位置3时，将相位计输入端接通第三滤波器和第四滤波器，执行使用激光波长λ₃时的测距操作，获得重复频率f_r对应的相位测量值

计算机读取各个相位值后将相位量值转换为时间量值，并利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出。

3.一种基于三波长飞秒激光的测距方法，其特征在于其步骤如下：

1)给出传统的关于空气折射率计算方法，为采用Edlén公式：

$(n_s-1)=(272.6+\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v}+\frac{0.061}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-6}---\left(1\right)$

$n_{t,p}-1=(n_s-1)\·\frac{P}{760}\·\frac{288}{T}---\left(2\right)$

$n_{t,p,f}=n_{t,p}-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}---\left(3\right)$

式中，n_s为标准状态下的空气折射率，所述标准状态是指环境温度T为288K、压力P为760mmHg以及干燥空气的状态下；λ_v为真空中的波长，单位以微米计；T为环境温度，单位以开尔文计；P为环境压力，单位以毫米汞计；n_t，p为在气压P、温度T条件下干燥空气的空气折射率；f为水气分压也即湿度，单位以托计；n_t，p，f为气压P、温度T、水气分压f条件下的空气折射率；

2)设定待测距离D为参考臂和测量臂光程差绝对值的1/2，也即实际的测量光程差是待测距离的2倍，则待测距离D可用式(4)表示：

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{2}---\left(4\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}}=\frac{v_g}{f_r}---\left(5\right)$

$v_g=c{(n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}---\left(6\right)$

其中，l_pp为相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差，称为飞秒脉冲节距；v_g为飞秒激光在空气中的群速度；f_r为飞秒激光的重复频率；q为飞秒脉冲节距l_pp的整倍数；δ_c为待测距离D中除去整数个节距之外的小数节距部分的修正距离；c是光在真空中的速度；中心波长为λ的飞秒激光在空气中的折射率用n表示；

为相位计在重复频率f_r上的相位差读值；

当飞秒激光重复频率固定不变时，由每一个脉冲节距l_pp带来的相位差为2π，因而相位计获得的相位差所对应的时间差仅仅对应修正距离δ_c部分，由式(7)计算获得；

3)采用时间飞行测距法确定步骤2)中的q值，具体过程为：

对于被测距离D，使用飞秒激光频率梳重复频率f_r1、以及对应的节距l_pp1、修正距离δ_c1，此时激光波长为λ₁，其对应的群速度为v_g1，则有下式(8)成立

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}1}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{c1}}{2}---\left(8\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}1}=\frac{v_{g1}}{f_{r1}}---\left(9\right)$

其中，f_r1为飞秒激光的重复频率；飞秒脉冲节距l_pp1为重复频率为f_r1时相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距l_pp1的整倍数；δ_c1为待测距离D中除去整数个节距l_pp1之外的小数节距部分的修正距离；

为相位计在重复频率f_r1上的相位差读值；

微调重复频率至另外一个值f_r2、以及对应的节距l_pp2、修正距离δ_c2，并令重复频率变化足够小以至于q无变化，则有下式(11)成立

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_{\mathrm{pp}2}}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{c2}}{2}---\left(11\right)$

其中，

$l_{\mathrm{pp}2}=\frac{v_{g1}}{f_{r2}}---\left(12\right)$

其中，f_r2为飞秒激光的重复频率；飞秒脉冲节距l_pp2为重复频率为f_r2时相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距l_pp2的整倍数；δ_c2为待测距离D中除去整数个节距l_pp2之外的小数节距部分的修正距离；

为相位计在重复频率f_r2上的相位差读值；

联立式(8)～式(13)，计算获得q值：

4)计算得出v_g的表达式，具体过程为：

令

它在测距过程中对于较稳定的环境条件可以被视为是一个未知常量，则将式(2)～(3)表述成：

$n_{t,p}-1=(n_s-1)\·\frac{P}{760}\·\frac{288}{T}=(n_s-1)\·Q---\left(15\right)$

$n_{t,p,f}=n_{t,p}-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}=1+(n_s-1)Q-f\·(5.7224-\frac{0.0457}{{\mathrm{\λ}}_v^2})\·{10}^{-8}---\left(16\right)$

则 $\frac{{\mathrm{dn}}_s}{\mathrm{d\λ}}=-(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})\·{10}^{-6}---\left(17\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p}}{\mathrm{d\λ}}=Q\·\frac{{\mathrm{dn}}_s}{\mathrm{d\λ}}=-Q\·{10}^{-6}\·(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})---\left(18\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p,f}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p}}{\mathrm{d\λ}}-f\·\frac{0.0914}{{\mathrm{\λ}}_v^3}\·{10}^{-8}=-Q\·{10}^{-6}\·(\frac{4.608}{{\mathrm{\λ}}_v^2}+\frac{0.122}{{\mathrm{\λ}}_v^3})-f\·\frac{0.0914}{{\mathrm{\λ}}_v^3}\·{10}^{-8}---\left(19\right)$

此时，

$\begin{array}{c}{v}_g=c\·{(n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}=c\·{(n_{t,p,f}-\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{dn}}_{t,p,f}}{\mathrm{d\λ}})}^{-1}\\ =c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_v}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_v^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_v^2}))}^{-1}\end{array}---\left(20\right)$

5)分别在λ₁、λ₂、λ₃三个不同波长上实现同一距离D的测量，整理出被

测距离D的解算表达式，具体为：

其中，

$v_{g1}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_1^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_1^2}))}^{-1}---\left(23\right)$

$v_{g2}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_2}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_2^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_2^2}))}^{-1}---\left(24\right)$

$v_{g3}=c\·{(1+Q\·{10}^{-6}\·(272.6+\frac{9.216}{{\mathrm{\λ}}_3}+\frac{0.183}{{\mathrm{\λ}}_3^2})-f\·{10}^{-8}\·(5.7224-\frac{0.1371}{{\mathrm{\λ}}_3^2}))}^{-1}---\left(25\right)$

式中，f_r为飞秒激光的重复频率；v_g1为激光波长为λ₁时飞秒激光在空气中的群速度；v_g2为激光波长为λ₂时飞秒激光在空气中的群速度；v_g3为激光波长为λ₃时飞秒激光在空气中的群速度；q为待测距离D中包含的飞秒脉冲节距的整倍数，构造测量条件使得在重复频率为f_r时不同波长λ₁、λ₂、λ₃上q为同一值；

为相位计在激光波长为λ₁时重复频率f_r上的相位差读值；为相位计在激光波长为λ₂时重复频率f_r上的相位差读值；

为相位计在激光波长为λ₃时重复频率f_r上的相位差读值，f为水气分压也即湿度，单位以托计；Q为稳定的未知常量；

6)调整波长选择部件分别提取出三个波长λ₁、λ₂、λ₃的激光测距相位差信息，在同一待测距离D上获得式(22)所述方程组，利用计算机解方程组(22)获得待测距离D以及Q和f。

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