CN103364775A - 基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置和方法，装置包括激光光源系统、保偏光纤系统、迈克尔逊干涉系统和激光频率标定系统，控制激光光源系统中的两台可调谐激光器同时连续无跳模地调节输出光频率，激光频率标定系统同时记录迈克尔逊干涉系统的干涉信号和可调谐激光器与光频梳的拍频信号；根据采集数据，计算激光器的扫频范围及在扫描过程中干涉信号的相位变化周期整数和周期小数，最后计算得到待测光路反射面的绝对距离，本发明具有系统结构简单、测量精度高、补偿空气折射率影响、测量结果可溯源等优点，可以适用于空间绝对距离测量领域。

Description

基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置和方法

技术领域

本发明为一种基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置和方法。

背景技术

激光干涉测距技术通过测量参考光路和测量光路的干涉相位并依据干涉相位与光程差的对应关系，获得测量光路相对于参考光路的距离差。

根据探测相位的不同，激光干涉测距可分为增量式测量法和绝对距离测量法两大类。增量式测量法通过固定参考光路光程、连续调节测量光路光程，探测两路光信号的干涉相位的变化量，反演得到相对距离的变化。增量式测量法具有测量精度高、测量量程大和测量速度快等特点，但是测量光路的距离变化依赖于高精度位移导轨来实现且测量过程中不能遮挡光路。绝对距离测量法采用合成波长原理使测量波长增长，探测相位的周期整数和周期小数，从而获得测量光路的绝对距离。绝对距离激光干涉测量无须调节测量光路即可直接测得绝对距离，在大型装备制造、空间卫星定位、激光雷达等有着广泛应用。基于波长扫描干涉的合成波长绝对距离测量法是将可调谐激光器输出光的频率产生连续变化，形成瞬时合成波长实现绝对距离测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置和方法，提高了测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置，包括：

用于输出单一线偏振的飞秒激光脉冲以及两路单一频率、单一线偏振激光的激光光源系统1；

用于保持激光光源系统1的输出光偏振态不变，并分别传输至迈克尔逊干涉系统3和激光频率标定系统4的保偏光纤系统2；

用于将待测绝对距离转化为干涉信号强度的变化的迈克尔逊干涉系统3；

以及，

用于控制激光光源系统1输出激光的波长扫描，并根据波长扫描时激光频率变化量及干涉信号的周期整数和周期小数的变化量，进而计算出绝对距离量的激光频率标定系统4。

所述激光光源系统1包括第一可调谐激光器10、第二可调谐激光器11和飞秒光频梳12。

所述保偏光纤系统2包括第一1×2保偏光纤耦合器20、第二1×2保偏光纤耦合器21、第一2×1保偏光纤耦合器22和第二2×1保偏光纤耦合器23，其中，所述第一1×2保偏光纤耦合器20的光输入端接第一可调谐激光器10的输出端，一路光输出端接第一2×1保偏光纤耦合器22的一路光输入端，第二1×2保偏光纤耦合器21的光输入端接第二可调谐激光器11的输出端，一路光输出端接第二2×1保偏光纤耦合器23的一路光输入端，第一2×1保偏光纤耦合器22和第二2×1保偏光纤耦合器23的另一路光输入端均接飞秒光频梳12的输出端。

所述迈克尔逊干涉系统3包括第一准直扩束器30、第二准直扩束器31、第一二相色镜32、分光棱镜33、参考角锥棱镜34、测量角锥棱镜35、第二二相色镜36、第一光电探测器37和第二光电探测器38，其中，所述第一准直扩束器30的光输入端接第一1×2保偏光纤耦合器20的另一路光输出端，第二准直扩束器31的光输入端接第二1×2保偏光纤耦合器21的另一路光输出端，第一准直扩束器30的输出光在第一二相色镜32处反射，第二准直扩束器31的输出光在第一二相色镜32处透射，之后合光送入由所述分光棱镜33、参考角锥棱镜34和测量角锥棱镜35组成的迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪的混合干涉光被第二二相色镜36一路反射至第一光电探测器37，另一路透射至第二光电探测器38。

所述分光棱镜33将输入的合光光束等光强分成两路，一路反射至参考角锥棱镜34，经角锥棱镜34反射后再由分光棱镜33透射至第二二相色镜36；另一路经透射至测量角锥棱镜35，经角锥棱镜35反射回分光棱镜33后再反射至第二二相色镜36。

所述激光频率标定系统4包括第三光电探测器40、第四光电探测器41、第一窄带带通滤波器42、第二窄带带通滤波器43、数据采集卡44和控制器45，所述第三光电探测器40的输入端接第一2×1保偏光纤耦合器22的输出端，输出端接第一窄带带通滤波器42的输入端，所述第四光电探测器41的输入端接第二2×1保偏光纤耦合器23的输出端，输出端接第二窄带带通滤波器43的输入端，第一光电探测器37、第二光电探测器38、第一窄带带通滤波器42和第二窄带带通滤波器43均接入数据采集卡44，数据采集卡44接控制器45，控制器45的电输出端接所述第一可调谐激光器10、第二可调谐激光器11和飞秒光频梳12。

所述飞秒光频梳12的工作波长覆盖所述第一可调谐激光器10和第二可调谐激光器11的所有频率，且飞秒光频梳12的频率稳定度溯源至微波频率基准。

所述第一二相色镜32和第二二相色镜36的工作波长对第一可调谐激光器10发射激光的波长光束反射，对第二可调谐激光器11发射激光的波长光束透射，且光强损失小于10%。

所述第一光电探测器37、第二光电探测器38、第三光电探测器40和第四光电探测器41的工作波长覆盖对应所需探测可调谐激光器的所有频率。

基于所述绝对距离测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，由激光光源系统1输出单一线偏振的飞秒激光脉冲以及两路单一频率、单一线偏振激光；

步骤2，由保偏光纤系统2保持所述输出光偏振态不变，将两路激光分别独立地经1×2保偏光纤耦合器一部分送至迈克尔逊干涉系统3，另一部分与飞秒激光脉冲分别经2×1保偏光纤合耦器接入激光频率标定系统4；

步骤3，由激光频率标定系统4控制激光光源系统1同时连续无跳模地调节两路激光输出光频率，同时记录迈克尔逊干涉系统3输出的干涉信号和激光光源系统1的激光与飞秒激光脉冲拍频信号；

步骤4，根据采集数据，计算激光光源系统1的激光扫频范围及在扫描过程中干涉信号的相位变化周期整数和周期小数；

步骤5，根据上步的数据，由公式

$L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_m}{2|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_m|}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{2}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})=\frac{c}{2\mathrm{\Δv}}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})$ 计算得到待测光路反射面的绝对距离，其中，[λ₁,λ_m]为激光光源系统1中可调谐激光器的波长扫描范围，ΔN为波长扫描引起的干涉信号周期整数变化，Δε为波长扫描引起的干涉信号周期小数变化，Δv为波长扫描范围，即Δv=c/λ₁-c/λ₂，c为光速，λ_s=λ₁λ_m/(λ₁-λ_m)为波长扫描引起的瞬时合成波长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可调谐激光器的采用波长扫描模式，可提高系统对绝对距离的测量精度。

2、采用双色绝对距离测量，可补偿空气折射率的影响。

3、依据单频激光干涉测距原理，采用直流鉴相方法，因此系统结构简单。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为波长扫描绝对距离测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置，包括激光光源系统1、保偏光纤系统2、迈克尔逊干涉系统3和激光频率标定系统4。

其中，激光光源系统1包括第一可调谐激光器10、第二可调谐激光器11和飞秒光频梳12。第一可调谐激光器10和第二可调谐激光器11用于输出单一频率、单一线偏振激光。本实施例中，第一可调节激光器10的输出波长约为780nm，第二可调节激光器11的输出波长约为1550nm，均为外腔半导体激光器。其中，通过改变其工作电流或工作电压，可实现连续无跳模调谐输出激光频率；飞秒光频梳12用于输出单一线偏振的飞秒激光脉冲，可同时输入中心波长分别为780nm和1550纳米的飞秒激光，重复频率为250MHz，频率稳定度为10^-15。

所述保偏光纤系统2包括第一1×2保偏光纤耦合器20、第二1×2保偏光纤耦合器21、第一2×1保偏光纤耦合器22和第二2×1保偏光纤耦合器23。该系统用于将激光光源系统1的输出光分别传输至迈克尔逊干涉系统3和激光频率标定系统4，并保持激光偏振态不变。其中，第一可调谐激光器10的输出光经第一1×2保偏光纤耦合器20后，一路送至迈克尔逊干涉系统3的第一准直扩束器30，另一路与飞秒光频梳12的输出光经第一2×1保偏光纤耦合器22接入激光频率标定系统4的第三光电探测器40；第二可调谐激光器11的输出光经第二1×2保偏光纤耦合器21后，一路送至迈克尔逊干涉系统3的第二准直扩束器31，另一路与飞秒光频梳12的输出光经第二2×1保偏光纤耦合器23接入激光频率标定系统4的第四光电探测器41。

所述迈克尔逊干涉系统3包括第一准直扩束器30、第二准直扩束器31、第一二相色镜32、分光棱镜33、参考角锥棱镜34、测量角锥棱镜35、第二二相色镜36、第一光电探测器37和第二光电探测器38。该系统利用单频激光干涉原理将待测绝对距离转化为干涉信号强度的变化。其中，第一1×2保偏光纤耦合器20的输出光由第一准直扩束器30转换为空间线偏振光，第二1×2保偏光纤耦合器21由第二准直扩束器31转换为空间线偏振光，该两束空间线偏振光在第一二相色镜32处根据光波长一路反射、一路透射合光送入分光棱镜33；分光棱镜33将光束等光强分成两路，其中一路光束反射至参考角锥棱镜34，经该角锥棱镜34反射再由分光棱镜33透射至第二二相色镜36；另一路光束经透射至测量角锥棱镜35，经该角锥棱镜35反射再由分光棱镜33反射至第二二相色镜36；第二二相色镜36再将得到的混合干涉信号根据光波长一路反射至第一光电探测器37，一路透射至第二光电探测器38。本实施例中，第一准直扩束器30、第一光电探测器37的工作波段均在780nm附近；第二准直扩束器31、第二光电探测器38的工作波段均在1550nm附近；第一二相色镜32和第二二相色镜36对780nm波段光反射，对1550nm波段光透射，效率高于90%。

迈克尔逊干涉系统3的工作原理是：依据单频激光干涉原理，分光棱镜33、参考角锥棱镜34与测量角锥棱镜35组成迈克尔逊干涉仪；固定参考角锥棱镜34的位置，对于测角锥棱镜35的某一位置，由第一光电探测器37和第二光电探测器38分别获得的780nm波段和1550nm波段的干涉光强信号，就可以得到可调谐激光器在波长扫描时测量光与参考光。

所述激光频率标定系统4包括第三光电探测器40、第四光电探测器41、第一窄带带通滤波器42、第二窄带带通滤波器43、数据采集卡44和控制器45，该系统用于控制第一可调谐激光器10和第二可调谐激光器11的波长扫描，精确测量波长扫描时第一可调谐激光器10和第二可调谐激光器11的频率变化量及干涉信号的周期整数和周期小数的变化量，进而计算出测量角锥棱镜35相对参考角锥棱镜34的绝对距离。第三光电探测器40将获得的第一可调谐激光器10与飞秒光频梳12的拍频信号送入第一窄带带通滤波器42，第四光电探测器41将获得的第二可调谐激光器11与飞秒光频梳12的拍频信号送入第二窄带带通滤波器43。每当拍频信号为滤波器通带频率（f_bp）时，第一窄带带通滤波器42和第二窄带带通滤波器43输出一个电脉冲信号；整个测量信号为频率轴上，相隔光频梳重复频率的每一个光频梳梳齿±f_bp处各有一脉冲信号；滤波信号被送入数据采集卡44做数字化处理，同时迈克尔逊干涉系统3的干涉信号在此数据采集卡中做数字化处理，处理信号在控制器45中做进一步计算获得绝对距离量。控制器45电输出端用于控制激光光源系统1中的第一可调谐激光器10、第二可调谐激光器11和飞秒光频梳12。

基于所述绝对距离测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，由第一可调谐激光器10和第二可调谐激光器11输出两路单一频率、单一线偏振激光；飞秒光频梳12输出单一线偏振的飞秒激光脉冲。

步骤2，由保偏光纤系统2保持所述输出光偏振态不变，将两路激光分别独立地经1×2保偏光纤耦合器一部分送至迈克尔逊干涉系统3，另一部分与飞秒激光脉冲分别经2×1保偏光纤合耦器接入激光频率标定系统4；

步骤3，由激光频率标定系统4控制激光光源系统1同时连续无跳模地调节两路激光输出光频率，同时记录迈克尔逊干涉系统3输出的干涉信号和激光光源系统1的激光与飞秒激光脉冲拍频信号；

步骤4，根据采集数据，计算激光光源系统1的激光扫频范围及在扫描过程中干涉信号的相位变化周期整数和周期小数；

步骤5，根据上步的数据，计算得到待测光路反射面的绝对距离。

如图2所示，本发明工作原理是：对于某一光波长范围内，近似认为空气折射率为常量，测量角锥棱镜相对参考角锥棱镜的绝对距离L与相位差

的关系可表示为

其中，λ为激光波长，，N为周期整数，e为周期小数。可调谐激光器的波长扫描范围是[λ₁,λ_m]（λ₁＜λ₂＜…＜λ_m），则L可表示为

$L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}(N_1+{\mathrm{\ϵ}}_1)=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}(N_2+{\mathrm{\ϵ}}_2)=\·\·\·=\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{2}(N_m+{\mathrm{\ϵ}}_m)$

由公式（2）可计算得，绝对距离L为

$L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_m}{2|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_m|}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{2}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})=\frac{c}{2\mathrm{\Δv}}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})$

其中，ΔN和Δε分别为波长扫描引起的干涉信号周期整数和小数的变化，Δv为波长扫描范围，即Δv=c/λ₁-c/λ₂，波长扫描引起的瞬时合成波长λ_s=λ₁λ_m/(λ₁-λ_m)。

对于双色据对距离测量，考虑空气折射率的影响，双波长扫描测量的名义绝对距离分别为L₁（对应λ₁和空气折射率n₁）和L₂（对应λ₂和空气折射率n₂），与实际绝对距离D有如下关系：

L₁=n₁D    (4)

L₂=n₂D    (5)

由此，相对精确的实际绝对距离D可表示为

D=L₁-A(L₁-L₂)    (6)

其中，系数A由Edlen公式计算获得，表达式为 $A=\frac{n_1-1}{n_1-n_2}---\left(7\right)$

对于干空气条件下，由参考文献（Meiners-Hagen K and Abou-Zeid A.Refractive index determination in length measurement by two-colourinterferometry.Meas.Sci.Technol.2008,19,084004）可对式(7)作进一步简化，得到

$A=\frac{n({\mathrm{\λ}}_1,\·\·\·)-1}{n({\mathrm{\λ}}_1,\·\·\·)-n({\mathrm{\λ}}_2,\·\·\·)}=\frac{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}$

其中， $K\left(\mathrm{\λ}\right)={10}^{-8}(8091.37+\frac{2333983}{130-1/{(\mathrm{\λ}/\mathrm{\μm})}^2}+\frac{15518}{38.9-1/{(\mathrm{\λ}/\mathrm{\μm})}^2})$

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于光频梳校准的双色激光扫描绝对距离测量装置，其特征在于，包括：

用于输出单一线偏振的飞秒激光脉冲以及两路单一频率、单一线偏振激光的激光光源系统（1）；

用于保持激光光源系统（1）的输出光偏振态不变，并分别传输至迈克尔逊干涉系统（3）和激光频率标定系统（4）的保偏光纤系统（2）；

用于将待测绝对距离转化为干涉信号强度的变化的迈克尔逊干涉系统（3）；

以及，

用于控制激光光源系统（1）输出激光的波长扫描，并根据波长扫描时激光频率变化量及干涉信号的周期整数和周期小数的变化量，进而计算出绝对距离量的激光频率标定系统（4）。

2.根据权利要求1所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述激光光源系统（1）包括第一可调谐激光器（10）、第二可调谐激光器（11）和飞秒光频梳（12）。

3.根据权利要求2所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述保偏光纤系统（2）包括第一1×2保偏光纤耦合器（20）、第二1×2保偏光纤耦合器（21）、第一2×1保偏光纤耦合器（22）和第二2×1保偏光纤耦合器（23），其中，所述第一1×2保偏光纤耦合器（20）的光输入端接第一可调谐激光器（10）的输出端，一路光输出端接第一2×1保偏光纤耦合器（22）的一路光输入端，第二1×2保偏光纤耦合器（21）的光输入端接第二可调谐激光器（11）的输出端，一路光输出端接第二2×1保偏光纤耦合器（23）的一路光输入端，第一2×1保偏光纤耦合器（22）和第二2×1保偏光纤耦合器（23）的另一路光输入端均接飞秒光频梳（12）的输出端。

4.根据权利要求3所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉系统（3）包括第一准直扩束器（30）、第二准直扩束器（31）、第一二相色镜（32）、分光棱镜（33）、参考角锥棱镜（34）、测量角锥棱镜（35）、第二二相色镜（36）、第一光电探测器（37）和第二光电探测器（38），其中，所述第一准直扩束器（30）的光输入端接第一1×2保偏光纤耦合器（20）的另一路光输出端，第二准直扩束器（31）的光输入端接第二1×2保偏光纤耦合器（21）的另一路光输出端，第一准直扩束器（30）的输出光在第一二相色镜（32）处反射，第二准直扩束器（31）的输出光在第一二相色镜（32）处透射，之后合光送入由所述分光棱镜（33）、参考角锥棱镜（34）和测量角锥棱镜（35）组成的迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪的混合干涉光被第二二相色镜（36）一路反射至第一光电探测器（37），另一路透射至第二光电探测器（38）。

5.根据权利要求4所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述分光棱镜（33）将输入的合光光束等光强分成两路，一路反射至参考角锥棱镜（34），经角锥棱镜（34）反射后再由分光棱镜（33）透射至第二二相色镜（36）；另一路经透射至测量角锥棱镜（35），经角锥棱镜（35）反射回分光棱镜（33）后再反射至第二二相色镜（36）。

6.根据权利要求4所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述激光频率标定系统（4）包括第三光电探测器（40）、第四光电探测器（41）、第一窄带带通滤波器（42）、第二窄带带通滤波器（43）、数据采集卡（44）和控制器（45），所述第三光电探测器（40）的输入端接第一2×1保偏光纤耦合器（22）的输出端，输出端接第一窄带带通滤波器（42）的输入端，所述第四光电探测器（41）的输入端接第二2×1保偏光纤耦合器（23）的输出端，输出端接第二窄带带通滤波器（43）的输入端，第一光电探测器（37）、第二光电探测器（38）、第一窄带带通滤波器（42）和第二窄带带通滤波器（43）均接入数据采集卡（44），数据采集卡（44）接控制器（45），控制器（45）的电输出端接所述第一可调谐激光器（10）、第二可调谐激光器（11）和飞秒光频梳（12）。

7.根据权利要求4所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述飞秒光频梳（12）的工作波长覆盖所述第一可调谐激光器（10）和第二可调谐激光器（11）的所有频率，且飞秒光频梳（12）的频率稳定度溯源至微波频率基准。

8.根据权利要求4所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述第一二相色镜（32）和第二二相色镜（36）的工作波长对第一可调谐激光器（10）发射激光的波长光束反射，对第二可调谐激光器（11）发射激光的波长光束透射，且光强损失小于10%。

9.根据权利要求6所述的绝对距离测量装置，其特征在于，所述第一光电探测器（37）、第二光电探测器（38）、第三光电探测器（40）和第四光电探测器（41）的工作波长覆盖对应所需探测可调谐激光器的所有频率。

10.基于权利要求1所述绝对距离测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由激光光源系统（1）输出单一线偏振的飞秒激光脉冲以及两路单一频率、单一线偏振激光；

步骤2，由保偏光纤系统（2）保持所述输出光偏振态不变，将两路激光分别独立地经1×2保偏光纤耦合器一部分送至迈克尔逊干涉系统（3），另一部分与飞秒激光脉冲分别经2×1保偏光纤合耦器接入激光频率标定系统（4）；

步骤3，由激光频率标定系统（4）控制激光光源系统（1）同时连续无跳模地调节两路激光输出光频率，同时记录迈克尔逊干涉系统（3）输出的干涉信号和激光光源系统（1）的激光与飞秒激光脉冲拍频信号；

步骤4，根据采集数据，计算激光光源系统（1）的激光扫频范围及在扫描过程中干涉信号的相位变化周期整数和周期小数；

步骤5，根据上步的数据，由公式 $L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_m}{2|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_m|}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{2}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})=\frac{c}{2\mathrm{\Δv}}(\mathrm{\ΔN}+\mathrm{\Δ\ϵ})$ 计算得到待测光路反射面的绝对距离，其中，[λ₁,λ_m]为激光光源系统（1）中可调谐激光器的波长扫描范围，ΔN为波长扫描引起的干涉信号周期整数变化，Δε为波长扫描引起的干涉信号周期小数变化，Δv为波长扫描范围，即Δv=c/λ₁-c/λ₂，c为光速，λ_s=λ₁λ_m/(λ₁-λ_m)为波长扫描引起的瞬时合成波长。

Images