CN106597467B - 一种基于hom干涉原理的测距仪 - Google Patents

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    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves

Abstract

一种基于HOM干涉原理的测距仪，包括纠缠源、延时器、分束器、第一探测器、第二探测器、反射镜、半透半反镜、待测件反光镜和符合测量逻辑计算器。纠缠源中的上光子经过延时器打在分束器上，下光子经半透半反镜或待测件反光镜反射后打在分束器上，分束后分别被第一探测器和第二探测器探测，然后通过符合测量逻辑计算器对探测器输出的信号做符合逻辑计算。通过调整延时器的延时τ，使得经半透半反镜或待测件反光镜的下光子分别与上光子发生干涉相消，记录两个延时τ1和τ2，解算出待测件反光镜到半透半反镜之间的距离本发明可以实现高精度距离的探测，可广泛用于光学相干层析、生物组织结构探测和高精度测距等领域。

Description

一种基于HOM干涉原理的测距仪
技术领域
本发明涉及一种基于HOM干涉原理的新型测距仪，可以实现高精度距离的探测，可广泛用于光学相干层析、生物组织结构探测和高精度测距等领域。
背景技术
测距仪是利用光、声波和电磁波等的反射、干涉等特性，设计而成的具有长度和距离测量的仪器，还可以在长度测量基础上，利用长度测量结果，对待测目标的形貌进行计算。目前光学测距方式主要是激光测距。激光测距目前被广泛应用于地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨迹跟踪等军事领域，还在工程应用和生物医学领域有广泛的应用前景。
目前市场上的激光测距仪按实现机理可分为脉冲式和连续波相位式。脉冲式激光测距的优势在于测试距离远，信号处理简单，被测目标可以是非合作目标，但是其测量精度不高，且存在一米左右的测距盲区，现在广泛使用的手持式和便携式测距仪大多采用这种原理，作用距离为数百米甚至数十千米，测量精度为五米左右。连续波相位式激光测距优势为测量精度高，相对误差可保持在百万分之一以内，但测量距离不如脉冲式激光测距远，且被测目标要求是合作目标。目前测距发展的一个弊端就是在保证测量距离(或测量精度)的情况下，很难进一步提高测量精度(或测量距离)。亟需寻找一种高精度大量程测距装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于HOM干涉原理的测距仪，实现高精度远距离的测量。
本发明的技术解决方案是：一种基于HOM干涉原理的测距仪，包括纠缠源、延时器、分束器、第一探测器、第二探测器、反射镜、半透半反镜、待测件反光镜和符合测量逻辑计算器；所述待测件反光镜放置于待测件上，半透半反镜放置在测距的参考位置处；
纠缠源产生的光子对中的上光子进入延时器，经过延时器延时后入射到分束器上，光子对中的下光子进入反射镜，经过反射镜反射后入射到半透半反镜，经半透半反镜直接反射的下光子入射到分束器上，经半透半反镜透射的下光子入射到待测件反光镜上，待测件反光镜反射的下光子通过半透半反镜入射到分束器上；
分束器对经过延时的上光子和经过半透半反镜或待测件反光镜反射的下光子进行分束；第一探测器和第二探测器位于分束器的两个出射端，分别用于探测分束器分束后的光信号，并将探测的光信号输出给符合测量逻辑计算器；
符合测量逻辑计算器对第一探测器和第二探测器探测的光信号做符合逻辑计算，以判断经过延时的上光子和经过半透半反镜或待测件反光镜反射的下光子是否发生干涉相消，当经过延时τ1的上光子和经过半透半反镜反射的下光子发生干涉相消，经过延时τ2的上光子和经过待测件反光镜反射的下光子发生干涉相消时，利用公式计算待测件反光镜到半透半反镜之间的距离l。
所述符合测量逻辑计算器对第一探测器和第二探测器探测的光信号做符合逻辑计算，以判断经过延时的上光子和经过半透半反镜或待测件反光镜反射的下光子是否发生干涉相消的实现方式如下：
(a)当第一探测器和第二探测器探测的光信号重叠的部分大于预先设定的阈值时，符合逻辑计算得到的符合计数为1，此时上光子和下光子没有发生干涉相消；
(b)当第一探测器和第二探测器探测的光信号重叠的部分小于预先设定的阈值时，符合逻辑计算得到的符合计数为0，此时上光子和下光子发生干涉相消。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)测量量程大
本发明基于HOM干涉原理，当上光子和下光子光程相等时，发生干涉相消，就可以实现测距，能够实现远距离测距，同时本发明不存在测量盲区，且不需要合作目标，在近一米内也完全可以实现测距，因此，本发明相比脉冲激光测距不存在测量盲区，相比连续波相位式激光测距，可以基于非合作目标测距，同时测量距离远(量程大)。
(2)测距分辨率高
本发明利用HOM干涉原理实现，HOM干涉的一个重要意义就在于可以实现高精度距离的探测，其距离分辨率可达微米量级，相比脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距在测量精度方面更具有优势，可广泛用于光学相干层析、生物组织结构探测和高精度测距等领域。
(3)该发明还可用于速率测量
本发明可以将半透半反镜和待测件反射镜位置，各放置一个原子钟提供时间测量基准，通过测量该距离，结合高精度原子钟时间基准，就可以计算出超短时间间隔内待测件移动的平均速率。
附图说明
图1为本发明的装置图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种基于HOM干涉原理的新型测距仪的具体实施方式做进一步详细的说明。
HOM干涉的一个重要意义就在于可用于探测超短相干时间光子的相干时间，凭借该技术可以实现高精度距离的探测。因此，本发明基于HOM干涉原理提出了一种新型测距仪，如图1所示，包括纠缠源1、延时器2、分束器3、第一探测器4、第二探测器5、反射镜6、半透半反镜7、待测件反光镜8和符合测量逻辑计算器9。
纠缠源1产生的光子对(上光路光子我们称为上光子，下光路光子我们称为下光子)将分别进入反射镜6和延时器2，经过反射镜6的下光子，经过反射镜6的调整，入射到半透半反镜7上，下光子经半透半反镜7反射后进入分束器3，上光子经过延时器2的时序控制后，也进入分束器3，通过调整延时器2的延时τ，使得上光子与下光子发生干涉相消，此时记录延时τ1；同样，经过半透半反镜透射7的下光子经过待测件反射镜8的反射后，也进入分束器3，此时同样需要调整延时器2的延时τ，使得上光子与下光子发生干涉相消，同样记录延时τ2，根据延时Δτ＝τ2-τ1的值，就可以解算出待测件反光镜8到半透半反镜7之间的距离
延时器2用于时序控制，通过调整延时器2的延时τ，使得经半透半反镜7或待测件反光镜8的光子分别与延时路光子发生干涉。分束器3放置于延时器2和半透半反镜7的后面，一方面用于对上光子进行分束，一方面用于对经反射后的下光子回波信号光子进行分束；第一探测器4和第二探测器5分别放置于分束器3的两个出射端，用于接收探测分束器3分束后的光信号，将探测到的光信号输出到符合测量逻辑计算器9；半透半反镜7放置于下光子光路中，作为测距的参考位置，通过调整延时器2的延时，使得经过延时的上光子与经过半透半反镜7的下光子发生干涉，确定延时τ的值。
根据HOM干涉原理，当上光子和下光子到达分束器的光程相等时，发生干涉相消，分光后的光信号从分束器的同侧输出，此时必然有一个探测器探测不到光信号。当上光子和下光子到达分束器的光程不相等时，分光后的光信号分别从分束器的两侧输出，此时第一探测器和第二探测器均探测到光信号。
符合测量逻辑计算器进行符合逻辑计算，以判断经过延时的上光子和经过半透半反镜7或待测件反光镜8反射的下光子是否发生干涉相消的原理为：
a当第一探测器4和第二探测器5探测的光信号重叠的部分小于预先设定的阈值时，符合逻辑计算得到的符合计数为0，就证明经过延时的上光子与经过反射的下光子到达分束器的光程相等，发生相消干涉，分光后的光信号从分束器的同侧输出；
b当第一探测器4和第二探测器5探测的光信号重叠的部分大于预先设定的阈值时，符合逻辑计算得到的符合计数为1，就证明经过延时的上光子与经过反射的下光子到达分束器的光程不相等，分光后的光信号分别从分束器的两侧输出，此时需要重新调整延时器延时，直到符合计数为0为止。
例如：
预先设定符合测量阈值为t0；
如果光程相等，上光子和下光子在分束器3处发生相消干涉，两光子从分束器同侧输出，第一探测器4输出信号的脉宽t4和第二探测器5输出信号的脉宽t5重叠部分小于t0，符合计数为0；
如果光程不相等，上光子和下光子在分束器3处不发生相消干涉，两光子从分束器两侧输出，第一探测器4输出信号的脉宽t4和第二探测器5输出信号的脉宽t5重叠部分大于t0，符合计数为1。
本发明可以将半透半反镜和待测件反射镜位置各放置一个原子钟提供时间测量基准，通过测量半透半反镜和待测件反射镜之间的距离，结合高精度原子钟时间基准，就可以计算出超短时间间隔内待测件移动的平均速率。
经过实际工程应用，本发明测量距离与发射镜头和探测器有关，其测量距离可与激光测距测量距离相比拟，且不存在测量盲区，理论测量精度将比激光测距高几个数量级。本发明为精密测量领域引入了一种全新的测距方案，也为量子光学的技术应用提供了新思路。
在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于HOM干涉原理的测距仪，包括延时器(2)、分束器(3)、第一探测器(4)、第二探测器(5)、半透半反镜(7)、待测件反光镜(8)和符合测量逻辑计算器(9)，所述待测件反光镜(8)放置于待测件上，半透半反镜(7)放置在测距的参考位置处，其特征在于：还包括纠缠源(1)和反射镜(6)；
纠缠源(1)产生的光子对中的上光子进入延时器(2)，经过延时器(2)延时后入射到分束器(3)上，光子对中的下光子进入反射镜(6)，经过反射镜(6)反射后入射到半透半反镜(7)，经半透半反镜(7)直接反射的下光子入射到分束器(3)上，经半透半反镜(7)透射的下光子入射到待测件反光镜(8)上，待测件反光镜(8)反射的下光子通过半透半反镜(7)入射到分束器(3)上；
分束器(3)对经过延时的上光子和经过半透半反镜(7)或待测件反光镜(8)反射的下光子进行分束；第一探测器(4)和第二探测器(5)位于分束器(3)的两个出射端，分别用于探测分束器(3)分束后的光信号，并将探测的光信号输出给符合测量逻辑计算器(9)；
符合测量逻辑计算器(9)对第一探测器(4)和第二探测器(5)探测的光信号做符合逻辑计算，以判断经过延时的上光子和经过半透半反镜(7)或待测件反光镜(8)反射的下光子是否发生干涉相消，当经过延时τ1的上光子和经过半透半反镜(7)反射的下光子发生干涉相消，经过延时τ2的上光子和经过待测件反光镜(8)反射的下光子发生干涉相消时，利用公式计算待测件反光镜(8)到半透半反镜(7)之间的距离l。
2.根据权利要求1所述的一种基于HOM干涉原理的测距仪，其特征在于：所述符合测量逻辑计算器(9)对第一探测器(4)和第二探测器(5)探测的光信号做符合逻辑计算，以判断经过延时的上光子和经过半透半反镜(7)或待测件反光镜(8)反射的下光子是否发生干涉相消的实现方式如下：
(a)当第一探测器(4)和第二探测器(5)探测的光信号重叠的部分大于预先设定的阈值时，符合逻辑计算得到的符合计数为1，此时上光子和下光子没有发生干涉相消；
(b)当第一探测器(4)和第二探测器(5)探测的光信号重叠的部分小于预先设定的阈值时，符合逻辑计算得到的符合计数为0，此时上光子和下光子发生干涉相消。
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