CN106370111A - 一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量技术领域。本发明包括飞秒激光器、滤波片、分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜、第二为凹面反射镜、聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器等，使用微调飞秒激光频率梳脉冲重复频率的方法取代了同时需要较大范围机械运动的参考臂调节和飞秒激光频率梳重复频率双重调节过程，通过不同的互质重复频率下的相位测量结果，以解不定方程形式判断重复周期个数，从而达到较快速的距离测量目的。本发明无须调节测量臂长，也不需要重复周期个数只能变化一个的苛刻条件即可实现距离测量。

Description

一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量技术领域。

背景技术

测长技术是人类最重要的基本工程技术之一。目前的使用测距方式的测长技术主要有时间法和空间法两类。空间法主要使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。但这些时间法使用的多数为脉冲测距原理，其测量准确度受到一定限制，不易达到很高。

以飞秒激光测长为原理的测量方法，使用重复频率异常稳定的飞秒激光脉冲为激励光源，相当于在空中使用了一把具有精确刻度的激光尺，理论上可以获得更高的测量准确度，以及实现更远的测量距离。在测量原理实现上，使用测量臂和参考臂的光程差对应的距离确定待测距离(长度)。它共包含两部分，一部分是由光程差所包含信号重复周期个数所对应的空间距离，另一部分是小于一个重复周期的时间差所对应的空间距离，由相位差对应的时间差与光速乘积获得。

由于飞秒激光的周期性特征，对于长距离测量，多于一个周期的信号所含的周期个数不能直接确定，需要微调激光测量参数确定被测距离含有多少个激光重复周期所对应的空间距离，目前的方法主要是使用微调测量参考臂和飞秒激光脉冲重复频率的方式确定重复周期个数，但微调测量参考臂的缺点主要有两个，一是调节过程是机械过程，比较缓慢，将影响距离测量速度，并且针对移动目标的距离测量会出现较大的原理误差，二是需要确保微调前后测量臂和参考臂之间的光程差只能相差一个重复周期所对应的距离，即重复周期个数需要变化1个，导致参考臂比较长，并且调节需要实时监测周期跳变情况，条件比较苛刻。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的飞秒激光测距方法需要微调参考臂长的缺点，提出一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法，

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置，包括飞秒激光器、滤波片、分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜、第二为凹面反射镜、聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一带通滤波器以及第二带通滤波器。

飞秒激光器用于产生重复频率f_ra、含有多个波长分量的飞秒激光，滤波片用于进行选通滤光，选出所需要的激光波长λ；分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜以及第二为凹面反射镜分别用于激光扩束和准直；聚焦透镜，用于激光汇聚，第一光电探测器、第二光电探测器用于将光信号变成电信号；第一带通滤波器以及第二带通滤波器用于将电脉冲滤成正弦波。相位计在重复频率f_ra或其高次谐波上进行相位测量，并被转换成时间差用于列写测距方程。

一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置的测长方法，实现步骤为：

飞秒激光器输出重复频率f_ra的飞秒激光经过滤波片选通滤波后输出固定波长的脉冲光，经分光镜分别去往参考臂和测量臂，参考臂用于给测长确定零位置点。参考光经第一平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜反射后，被第一光电探测器变成电脉冲信号，然后经过第一带通滤波器变成参考正弦信号进入相位计一端。测量光经第二凹面反射镜、第一凹面反射镜扩束和准直，然后经第二角耦反射棱镜、第三平面反射镜反射,以及聚焦透镜聚焦，被第二光电探测器变成电脉冲信号，然后经过第二带通滤波器变成测量正弦信号进入相位计另一端。待测距离D即为测量臂长DM与参考臂长DR间的光程差DM-DR。相位计在重复频率f_ra上的相位差读值为计算机和变重复频率距离测量方法部分用于将相位量值转换成时间量值，并给出测距方程。待测距离D用公式(1)至(4)表示。

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_a}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_a}{2}---\left(1\right)$

$l_a=\frac{v_g}{f_{ra}}---\left(2\right)$

$v_g=c{(n-\mathrm{\λ}\frac{dn}{d\mathrm{\λ}})}^{-1}---\left(3\right)$

其中，q为飞秒脉冲节距l_a的整倍数，q值由解有限区间内的不定方程确定。v_g为飞秒激光在空气中的群速度，f_ra为飞秒激光的重复频率，δ_a为小数部分修正距离，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，d为微分运算符。为相位计在重复频率f_ra上的相位差读值。AB所示为零距离刻度线，它表明当测量目标镜第二为凹面反射镜CM2位于AB处情况下，参考臂与测量臂的光程差为0，相位计读值为0°，即DM＝DR，D＝0。当AB位置确定后，可以通过调整参考臂长度令其与测量臂的光程差为0获得参考臂镜CM1的位置。

其它不变，仅微调飞秒激光重复频率为f_rb，并且满足条件f_rb与f_ra没有简单的倍数关系。

获得相位差读值为

$D=\frac{{\mathrm{pl}}_b}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{2}---\left(5\right)$

$l_b=\frac{v_g}{f_{rb}}---\left(6\right)$

其中，p为飞秒脉冲节距l_b的整倍数，p值由解有限区间内的不定方程确定。f_rb为飞秒激光的重复频率，δ_b为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rb上的相位差读值。

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为D_m，则有由式(5)和(1)所测距离D均相等，且D≤D_m，可得公式(8)。

p·l_b-q·l_a＝δ_a-δ_b (8)

在p·l_b＜2D_m和q·l_a＜2D_m条件下解不定方程(8)的唯一整数解p、q。

若整数解唯一，则由式(5)计算获得被测距离D。

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f_rc，并且满足条件f_rc与f_rb和f_ra均没有简单的倍数关系，获得相位差读值为

$D=\frac{{\mathrm{rl}}_c}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{2}---\left(9\right)$

其中，r为飞秒脉冲节距l_c的整倍数，r值由解有限区间内的不定方程的唯一解来确定。f_rc为飞秒激光的重复频率，δ_c为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rc上的相位差读值。

有不定方程：

r·l_c-q·l_a＝δ_a-δ_c (10)

$l_c=\frac{v_g}{f_{rc}}---\left(11\right)$

继续在上述式(8)的整数解对应的距离点上验证是否唯一满足式(10)的解，直至找到满足式(10)的唯一解为止，结束寻找。则被测距离D按式(9)计算确定。有益效果

本发明方法简捷，算法收敛并且容易实现。

其次，本发明省去了该部分较大行程的硬件调节过程，直接使用互质的正弦信号频率量值确定并测量脉冲节距的整数部分，具有更快的测量速度。另外，前后两次变更重复频率，除了两者之间不能有整数倍的关系外，并不需要额外的限定条件，比较容易工程实现。

附图说明

图1为本发明的方案结构示意图；

其中，MF-滤波片、BS-分光镜、M1-第一平面反射镜、M2-第二平面反射镜、M3-第三平面反射镜，CM1-第一角耦反射棱镜、CM2第二角耦反射棱镜、CV1-第一凹面反射镜、CV2-第二为凹面反射镜、L-为聚焦透镜、PD1-第一光电探测器、PD2-第二光电探测器，FR1-第一带通滤波器、FR2-第二带通滤波器。

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。

如图1所示，一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置，包括滤波片(MF)、分光镜(BS)、第一平面反射镜(M1)、第二平面反射镜(M2)、第三平面反射镜(M3)、第一角耦反射棱镜(CM1)、第二角耦反射棱镜(CM2)、第一凹面反射镜(CV1)、第二为凹面反射镜(CV2)、聚焦透镜(L)、第一光电探测器(PD1)、第二光电探测器(PD2)，第一带通滤波器(FR1)、第二带通滤波器(FR2)。

具体测长方法如下：

激光器输出的重复频率f_ra＝349.789543MHz的飞秒激光经过滤波器MF选通滤波后输出固定波长的脉冲光，经分光镜BS分别去往参考臂和测量臂，参考臂用于给测距确定零位置点。参考光经第一平面反射镜(M1)、第一角耦反射棱镜(CM1)、第二平面反射镜(M2)反射后，被第一光电探测器(PD1)变成电脉冲信号，然后经过第一带通滤波器(FR1)变成参考正弦信号进入相位计一端。测量光经第二为凹面反射镜(CV2)、第一为凹面反射镜(CV1)扩束和准直，然后经第二角耦反射棱镜(CM2)、第三平面反射镜(M3)反射和聚焦透镜(L)聚焦，被第二光电探测器(PD2)变成电脉冲信号，然后经过第二带通滤波器(FR2)变成测量正弦信号进入相位计另一端。待测距离D即为测量臂长DM与参考臂长DR间的光程差DM-DR。相位计在重复频率f_ra上的相位差读值为计算机和变重复频率距离测量方法部分用于将相位量值转换成时间量值，并给出测长方程。则待测距离D可以用下式(1)至(4)表示。

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_a}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_a}{2}---\left(1\right)$

$l_a=\frac{v_g}{f_{ra}}---\left(2\right)$

$v_g=c{(n-\mathrm{\λ}\frac{dn}{d\mathrm{\λ}})}^{-1}---\left(3\right)$

其中，q为飞秒脉冲节距l_a的整倍数，q值由解有限区间内的不定方程确定。v_g为飞秒激光在空气中的群速度，f_ra为飞秒激光的重复频率，δ_a为小数部分修正距离，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_ra上的相位差读值。AB所示为零距离刻度线，它表明当测量第二角耦反射棱镜(CM2)位于AB处情况下，参考臂与测量臂的光程差为0，相位计读值为0°，即DM＝DR，D＝0。当AB位置确定后，可以通过调整参考臂长度令其与测量臂的光程差为0获得第一角耦反射棱镜(CM1)的位置。

其它不变，仅微调飞秒激光重复频率为f_rb＝350.789543MHz，并且满足条件f_rb与f_ra没有简单的倍数关系。

获得相位差读值为

$D=\frac{{\mathrm{pl}}_b}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{2}---\left(5\right)$

$l_b=\frac{v_g}{f_{rb}}---\left(6\right)$

其中，p为飞秒脉冲节距l_b的整倍数，p值由解有限区间内的不定方程确定。f_rb＝350.987643MHz为飞秒激光的重复频率，δ_b为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rb上的相位差读值。

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为D_m，则有由式(5)和(1)所测距离D均相等，且D≤D_m，可得：

p·l_b-q·l_a＝δ_a-δ_b (8)

在p·l_b＜2D_m和q·l_a＜2D_m条件下解不定方程(8)的唯一整数解p、q。

若整数解唯一，则由式(5)计算获得被测距离D。

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f_rc，并且满足条件f_rc与f_rb和f_ra均没有简单的倍数关系，获得相位差读值为

$D=\frac{{\mathrm{rl}}_c}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{2}---\left(9\right)$

其中，r为飞秒脉冲节距l_c的整倍数，r值由解有限区间内的不定方程的唯一解来确定。f_rc为飞秒激光的重复频率，δ_c为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rc上的相位差读值。

有不定方程：

r·l_c-q·l_a＝δ_a-δ_c (10)

$l_c=\frac{v_g}{f_{rc}}---\left(11\right)$

继续在上述式(8)的整数解对应的距离点上验证是否唯一满足式(10)的解，直至找到满足式(10)的唯一解为止，结束寻找。则被测距离D按式(9)计算确定。

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，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置，其特征在于：包括飞秒激光器、滤波片、分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜、第二为凹面反射镜、聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一带通滤波器以及第二带通滤波器；

飞秒激光器用于产生重复频率f_ra、含有多个波长分量的飞秒激光，滤波片用于进行选通滤光，选出所需要的激光波长；分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜以及第二凹面反射镜分别用于激光扩束和准直；聚焦透镜，用于激光汇聚，第一光电探测器、第二光电探测器用于将光信号变成电信号；第一带通滤波器以及第二带通滤波器用于将电脉冲滤成正弦波；相位计在重复频率f_ra或其高次谐波上进行相位测量，并被转换成时间差用于列写测距方程。

2.一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置的测长方法，其特征在于：实现步骤为：

飞秒激光器输出重复频率f_ra的飞秒激光经过滤波片选通滤波后输出固定波长的脉冲光，经分光镜分别去往参考臂和测量臂，参考臂用于给测长确定零位置点；参考光经第一平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜反射后，被第一光电探测器变成电脉冲信号，然后经过第一带通滤波器变成参考正弦信号进入相位计一端；测量光经第二凹面反射镜、第一凹面反射镜扩束和准直，然后经第二角耦反射棱镜、第三平面反射镜反射,以及聚焦透镜聚焦，被第二光电探测器变成电脉冲信号，然后经过第二带通滤波器变成测量正弦信号进入相位计另一端；待测距离D即为测量臂长DM与参考臂长DR间的光程差DM-DR；相位计在重复频率f_ra上的相位差读值为计算机和变重复频率距离测量方法部分用于将相位量值转换成时间量值，并给出测距方程，待测距离D用公式(1)至(4)表示：

$D=\frac{{\mathrm{ql}}_a}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_a}{2}---\left(1\right)$

$l_a=\frac{v_g}{f_{ra}}---\left(2\right)$

$v_g=c{(n-\mathrm{\λ}\frac{dn}{d\mathrm{\λ}})}^{-1}---\left(3\right)$

其中，q为飞秒脉冲节距l_a的整倍数，q值由解有限区间内的不定方程确定；v_g为飞秒激光在空气中的群速度，f_ra为飞秒激光的重复频率，δ_a为小数部分修正距离，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，d为微分运算符；为相位计在重复频率f_ra上的相位差读值；AB所示为零距离刻度线，它表明当测量目标镜第二为凹面反射镜CM2位于AB处情况下，参考臂与测量臂的光程差为0，相位计读值为0°，即DM＝DR，D＝0；当AB位置确定后，可以通过调整参考臂长度令其与测量臂的光程差为0获得参考臂镜CM1的位置；

其它不变，仅微调飞秒激光重复频率为f_rb，并且满足条件f_rb与f_ra没有简单的倍数关系；

获得相位差读值为

$D=\frac{{\mathrm{pl}}_b}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{2}---\left(5\right)$

$l_b=\frac{v_g}{f_{rb}}---\left(6\right)$

其中，p为飞秒脉冲节距l_b的整倍数，p值由解有限区间内的不定方程确定；f_rb为飞秒激光的重复频率，δ_b为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rb上的相位差读值；

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为D_m，则有由式(5)和(1)所测距离D均相等，且D≤D_m，可得公式(8)

p·l_b-q·l_a＝δ_a-δ_b (8)

在p·l_b＜2D_m和q·l_a＜2D_m条件下解不定方程(8)的唯一整数解对p、q；

若整数解对唯一，则由式(5)计算获得被测距离D；

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f_rc，并且满足条件f_rc与f_rb和f_ra均没有简单的倍数关系，获得相位差读值为

$D=\frac{{\mathrm{rl}}_c}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{2}---\left(9\right)$

其中，r为飞秒脉冲节距l_c的整倍数，r值由解有限区间内的不定方程的唯一解来确定；f_rc为飞秒激光的重复频率，δ_c为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rc上的相位差读值；

有不定方程：

r·l_c-q·l_a＝δ_a-δ_c (10)

$l_c=\frac{v_g}{f_{rc}}---\left(11\right)$

继续在上述式(8)的整数解对应的距离点上验证是否唯一满足式(10)的解，直至找到满足式(10)的唯一解为止，结束寻找，则被测距离D按式(9)计算确定。