CN109855541B - 基于光学频率梳的空气折射率自校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学频率梳测距技术领域，针对现有技术中空气折射率难以校准的问题，提出了一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，包括光源，探测系统、参考系统和信号处理系统，光源包括光学频率梳，用于产生包括两个波长的相位相干锁定的激光；参考系统包括第一分色镜、第一频率偏移器、第一反射镜、第二频率偏移器和第二反射镜，探测系统包括第三反射镜；信号处理系统包括第二分色镜，第一光栅，第二光栅，第一相机和第二相机，从参考系统和探测系统射出的光束发生干涉后入射到第二分色镜上，由第二分色镜反射和透射光经分别第一光栅和第二光栅衍射后，分别被第一相机和第二相机接收，本发明可以实现空气折射率的超高精度的校准。

Description

基于光学频率梳的空气折射率自校准系统和方法

技术领域

本发明涉及光学频率梳测距技术领域，具体涉及一种可以对空气折射率进行自校准的系统和方法。

背景技术

自飞秒光学频率梳发明以来，已经在技术和基础科学中的许多应用中得到发展并取得革命性的进步。光学频率梳输出的一系列脉冲序列，可以看作是具有相等频率间隔的许多相位相干单频激光器的组合。通过将重复频率和载波包络偏置频率稳定到外部时间基准，频率梳在时域、频域中成为超稳定的标尺。飞秒光学频率梳具有高稳定性和高精度等优势，所以引发了精密光谱学和距离计量等领域的革命性的进步。

对于光学频率梳应用于远距离测量，限制其测量性能的因素主要是空气折射率的校准。传统的空气折射率的测量或修正是基于经验公式(例如Ciddor公式和Edlén公式),通过测量温度、大气压强、湿度和二氧化碳含量等环境参数实现的。但是，经验公式本身是数据拟合的结果，存在一定的不确定度，而且，在长距离测量过程中，由于空气湍流或环境条件的不均匀性，很难精确的测得整个光学路径中的环境参数的分布和实时的变化情况，这使得空气折射率的校准精度受到限制。因此，需要一种基于使用现场直接光学测量的自校准方法，实现空气折射率的高精度校准。起初，人们采用两个独立的单频激光作为光源提供两种不同波长的光去进行空气折射率的校准，要想获得两个具有相同初相位的激光，必须同时相位锁定两个激光器，增加了操作的复杂性和商业转化的难度。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种测量精度高，操作简单，有利于设备集成的基于光学频率梳的实时现场空气折射率自校准系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，包括光源、探测系统、参考系统和信号处理系统，所述光源包括光学频率梳，用于产生包括两个波长分别为λ₁和λ₂的相位相干锁定的激光；

所述参考系统包括第一分色镜、第一频率偏移器、第一反射镜、第二频率偏移器和第二反射镜，所述光学频率梳发出的光，经第一分光元件分成探测光束和参考光束两束光，参考光束入射到所述第一分色镜上，经所述第一分色镜反射的光经过第一频率偏移器入射到第一反射镜上，经所述第一反射镜反射后，沿原路返回并经过所述第一分光元件后入射到所述信号处理系统，经所述第一分色镜透射的光经过第二频率偏移器入射到第二反射镜上，经所述第二反射镜反射后，沿原路返回并经过所述第一分光元件后入射到所述信号处理系统；所述第一反射镜与所述第二反射镜到第一分色镜之间的距离相等；

所述探测系统包括第三反射镜，探测光束经待测路径后入射到所述第三反射镜上，并经所述第三反射镜反射后沿原路返回并经过所述第一分光元件后入射到所述信号处理系统；

所述信号处理系统包括第二分色镜，第一光栅，第二光栅，第一相机和第二相机，从所述参考系统和探测系统射出的光束在所述第一分光元件上发生干涉，干涉信号入射到所述第二分色镜上，由所述第二分色镜反射的光经第一光栅衍射后，被第一相机接收，由所述第二分色镜透射的光经第二光栅衍射后，被第二相机接收。

所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，还包括第二分光元件、第三分光元件和光谱仪，所述第二分光元件设置在第二分色镜和第一光栅之间，所述第三分光元件设置在第二分色镜和第二光栅之间，所述第二分光元件和第三分光元件用于将干涉信号分出一部分入射到所述光谱仪中，所述光谱仪用于对所述第一相机和第二相机进行标定。

所述第一分色镜和第二分色镜对波长为λ₁的光反射，对波长为λ₂的光束进行透射。

所述第一频率偏移器和第二频率偏移器为声光调制器。

所述第一相机和第二相机的像素为1928×1448，波长覆盖范围为190～1100nm。

所述光学频率梳使用的是德国menlo公司、型号为FC-1500-250的光学频率梳。

本发明还提供了一种基于光学频率梳的空气折射率自校准方法，采用上述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，包括以下步骤：

S1、通过光谱仪对第一相机和第二相机进行校准，得到第一相机上干涉图像的展开相位对像素的斜率与D₁的对应关系，以及第二相机上干涉图像的展开相位对像素的斜率与D₂的对应关系，其中D₁和D₂分别表示波长为λ₁和λ₂的光对应的光学路径；

S2、测量时通过第一相机和第二相机分别记录干涉图像，选取垂直方向上某一像素的线，并描绘其所对应的频谱图，采用快速傅里叶变换法处理频谱图，获得展开的相位，进而获得展开相位对像素的斜率，根据步骤S1得到的展开相位对像素的斜率与D₁和D₂之间的对应关系，得到波长分别为λ₁和λ₂的光对应的光学距离D₁和D₂的值；

S3、计算校准空气折射率后的几何距离D，计算公式为：

D＝D₁-A(D₂-D₁)；

其中，A为系数，其可以通过环境参数的一般测量获得。

所述步骤S1中，对第一相机和第二相机进行校准的具体方法为：

通过相机分别记录干涉图像，选取干涉图像上与干涉条纹垂直的方向上某一像素直线，并描绘该直线对应的频谱图，采用快速傅里叶变换法处理频谱图，获得展开的相位，进而获得展开相位对像素的斜率

和

同时利用光谱仪测量对应干涉信号的频谱图，通过快速傅里叶变换法处理频谱图，得到展开相的斜率

和

并分别计算光谱仪对波长λ₁和λ₂的光的测量得到的距离值l₁和l₂，计算公式为：

式中，c表示光速，n_g代表空气的群折射率；

以微米量级的补偿移动第一反射镜(3)，多次重复上述操作，得到多组相机上的干涉图像的展开相位对像素的斜率与通过光谱仪获得的距离l₁和l₂的值，进而得到相机上展开相位对像素的斜率与光谱仪测量距离l₁和l₂之间的对应关系，以及相机上展开相位对像素的斜率与光学路径之间的对应关系，实现对第一相机和第二相机的标定。

所述步骤S1之前，还包括以下步骤：调节所述第一反射镜(4)与所述第二反射镜(8)的位置，使所述探测系统(Ⅱ)、参考系统(Ⅲ)之间的光程长度差为mL_pp，其中m＝1,2,3……，L_pp表示所述飞秒光学频率梳(1)的相邻脉冲之间的光学距离。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于频率梳的空气折射率自校准系统和方法，通过自校准的方式来对空气折射率进行校准，避免了使用经验方程进行空气折射率校准时环境参数测量精度低而导致测量不确定性增大的问题；通过相机对实时捕获的光谱图测量对应于两个波长的距离，在10小时连续测量期间实现了具有10^-11的不确定度的空气折射率的实时超高精度校正，超过了经验方程的校准极限；

2、由于光谱分析仪单次测量所需要的时间往往较长，而空气的波动往往是瞬时的，长时间的扫描无法捕捉到快速的空气变化。因此，本发明通过两个相机分别拍摄λ₁和λ₂对应的干涉条纹，可以快速捕捉由空气波动引起的光程变化，实现空气折射率的实时快速校准；

3、测量操作简单，有益于设备集成；这些结果证明，本发明将成为实际距离测量的有力工具，并显示出未来提高空气折射率方程精度的潜力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中通过频率偏移器后两束光的频率分布图；

图3为本发明实施例中对干涉信号进行处理时的过程图；

图中：1是飞秒光学频率梳，2是第一分光元件，3是第三反射镜，4是第一反射镜，5是第一频率偏移器，6是第一分色镜，7是第二频率偏移器，8是第二反射镜，9是第二分色镜，10是第二分光元件，11是第三分光元件，12是第一光栅，13是第二光栅，14是第一相机，15是第二相机，16是光谱仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，包括光源I，探测系统Ⅱ、参考系统Ⅲ和信号处理系统Ⅳ。其中，所述光源I包括光学频率梳1，用于产生包括两个相位相干锁定的波长分别为λ₁和λ₂的激光。所述参考系统Ⅲ包括第一分色镜6、第一频率偏移器5、第一反射镜4、第二频率偏移器7和第二反射镜8。所述探测系统Ⅱ包括第一分光元件2和第三反射镜3。所述信号处理系统Ⅳ包括第二分色镜9，第一光栅12，第二光栅13，第一相机14和第二相机15。

所述光源I发出的光，经第一分光元件2分成探测光束和参考光束两束光，参考光束入射到所述第一分色镜6上，经所述第一分色镜6反射的光经过第一频率偏移器5入射到第一反射镜4上，经所述第一反射镜4反射后，沿原路返回并经过所述第一分光元件2后入射到所述信号处理系统Ⅳ，经所述第一分色镜6透射的光经过第二频率偏移器7入射到第二反射镜8上，经所述第二反射镜8反射后，沿原路返回并入射到所述第一分光元件2。其中，探测光束经待测路径后入射到所述第三反射镜3上，并经所述第三反射镜3反射后沿原路返回并入射到所述第一分光元件2；返回到所述第一分光元件2的探测光束和参考光束在第一分光元件2处重合，并发生干涉。干涉信号入射到所述第二分色镜9上，由所述第二分色镜9反射的光经第一光栅12衍射后，被第一相机14接收，由所述第二分色镜9透射的光经第二光栅13衍射后，被第二相机15接收。

其中，所述第一反射镜4与所述第二反射镜8到第一分色镜6之间的距离相等，均为L。

此外，如图1所示，本实施例提供的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，还包括第二分光元件10、第三分光元件11和光谱仪16，所述第二分光元件10设置在第二分色镜9和第一光栅12之间，所述第三分光元件11设置在第二分色镜9和第二光栅13之间，所述第二分光元件10和第三分光元件11用于将干涉信号分出一部分入射到所述光谱仪16中，所述光谱仪16用于对所述第一相机14和第二相机15进行标定。其中，第一分光元件2、第二分光元件10和第三分光元件11可以为反射和透射均为50％的分光平片。

其中，所述第一分色镜6和第二分色镜9均为对波长为λ₁的光反射，对波长为λ₂的光透射的双色镜。

其中，所述第一频率偏移器5和第二频率偏移器7为声光调制器。由于声光调制器的体积较小，精度高，可以实现频率的高精度偏移，而且便于调节，可以作为频率偏移器。如图2所示，第一频率偏移器可以产生的频率偏移为Δf₁，当频率为f₁的激光(波长为λ₁)第一次通过第一频率偏移器后，频率变为f₁+Δf₁，通过反射镜后激光再次通过第一频率偏移器，频率变为f₁+2Δf₁；第二频率偏移器可以产生的频率偏移为Δf₂，当频率为f₂的激光(波长为λ₂)第一次通过第二频率偏移器后，频率变为f₂+Δf₂，通过反射镜后激光再次通过第二频率偏移器，频率变为f₂+2Δf₂。

具体地，本实施例中，所述第一相机14和第二相机15具有较高的分辨率，像素为1928×1448，波长覆盖范围为190～1100nm。

所述光学频率梳1使用的是德国menlo公司、型号为FC-1500-250的光学频率梳。其频率覆盖范围为500-900nm，频率间隔为250MHz，可以实现自相位锁定，具有高精度和高稳定度等优势。

本发明实施例提供了一种基于光学频率梳的空气折射率自校准装置，其通过采用相位相干锁定的两个不同波长的光λ₁和λ₂，并将其分为参考光束和探测光束，利用参考光束和探测光束的干涉来同时测量对应于两个波长的两个光学距离D₁和D₂，然后获得校准空气折射率后的几何距离D，其表达式为：

D＝D₁-A(D₂-D₁)；(1)

由于系数A对温度，气压和二氧化碳浓度的变化不敏感，对湿度的测量要求也不高，则基于环境参数的一般测量，可以容易地确定系数A。因此，由于在某一特定的环境条件下，系数A恒定不变，则可以仅通过测量光学距离D₁和D₂来确定几何距离D。即可以通过直接测量光学距离来对空气折射率进行自校准。

此外，本发明实施例还提供了一种基于光学频率梳的空气折射率自校准方法，采用如图1所示的空气折射率自校准系统进行测量，包括以下步骤：

S1、通过光谱仪对第一相机和第二相机进行校准，得到第一相机和第二相机上展开相位对像素的斜率与波长分别为λ₁和λ₂的激光对应的光学路径D₁和D₂之间的对应关系。

其中，对第一相机和第二相机进行校准的具体方法为：

通过相机分别记录干涉图像，选取干涉图像上与干涉条纹垂直的方向上某一像素直线，如图3(a)所示，并描绘该直线对应的频谱图，如图3(b)所示，采用快速傅里叶变换法处理频谱图，获得展开的相位，进而获得展开相位对像素的斜率

和

其中

和

分别表示第一相机14和第二相机15对应的频谱图的展开相位，i表示像素；如图3(c)所示。

如图3(d)所示，为采用光谱仪观察到的光束发生干涉后的频谱图，通过快速傅里叶变换法处理频谱图，可以得到波长分别为λ₁和λ₂的激光对应的频谱图的展开相位对频率的斜率

和

f₁和f₂分别表示激光频率，为如图3(e)所示；然后将空气的群折射率n_g带入(2)式和(3)式，可以计算得到距离l₁和l₂的值：

式中，l₁和l₂分别为通过光谱仪对波长λ₁和λ₂的激光测量得到距离值；c表示光速，n_g代表空气的群折射率，在某一特定的环境条件下为定值；

以微米量级的补偿移动第一反射镜3，多次重复上述操作，得到多组相机获得的展开相位对像素的斜率(

和

)与光谱仪所测量的距离l₁和l₂的值，通过线性拟合方式，可以得到相机记录的干涉图像上展开相位对像素的斜率与l₁和l₂之间的对应关系，实现了光谱仪对第一相机和第二相机的精确标定，用F₁和F₂来表示其对应关系，则相机记录的干涉图像上展开相位对像素的斜率与波长分别为λ₁和λ₂的激光对应的光学路径D₁和D₂的表达式可以为：

现有技术中，一般采用光谱分析仪探测干涉条纹。可是由于光谱分析仪单次测量所需要的时间往往较长，而空气的波动往往是瞬时的，长时间的扫描无法捕捉到快速的空气变化。因此，本发明采用两个相机分别拍摄λ₁和λ₂对应干涉条纹，可以快速捕捉由空气波动引起的光程变化。其中，由于相机上记录的干涉图像仅仅只与像素等条件相关，对其进行傅里叶变换处理时，仅仅只能得到展开相位对像素的斜率，而光谱仪测量得到的频谱图进行展开，可以得到展开相位对频率的斜率，该斜率携带了待测的光学距离的信息，因此，利用光谱仪和相机的进行多次干涉条纹的测量，可以将干涉图像的展开相位对像素的斜率与光学距离进行对应起来。

S2、测量时，通过第一相机和第二相机分别记录干涉图像，选取垂直方向上某一像素的线，并描绘其所对应的频谱图，采用快速傅里叶变换法处理频谱图，获得展开的相位，进而获得展开相位对像素的斜率

和

代入(4)式和(5)式，可以计算得到波长为λ₁和λ₂的两束光的光学路径D₁和D₂的值。

S3、根据式(1)来计算校准空气折射率后的几何距离D，从而实现远距离测量中空气折射率的高精度全路径的自我校准。其中，A为系数，其可以采用环境参数的一般测量得到。

此外，飞秒光学频率梳相邻脉冲之间的光学距离为：

其中，c为光速，f为光学频率梳的重复频率，为250MHz。所以在探测系统Ⅱ、参考系统Ⅲ之间的光程长度差设为mL_pp(m＝1,2,3……)，以便发生脉冲-脉冲的干涉。

所述步骤S1之前，还包括以下步骤：调节所述第一反射镜4与所述第二反射镜8的位置，使所述探测系统之间的光程长度差为mL_pp，其中m＝1,2,3……，L_pp表示所述飞秒光学频率梳1的相邻脉冲之间的光学距离。

本发明提出了一种基于光学频率梳的空气折射率的自校准装置及方法，解决了环境参数测量精度低导致使用经验方程进行空气折射率校准的精度不足的难题，实现空气折射率的超高精度的校准。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，其特征在于，包括光源(I)、探测系统(Ⅱ)、参考系统(Ⅲ)和信号处理系统(Ⅳ)，所述光源(I)包括光学频率梳(1)，用于产生包括两个波长分别为λ₁和λ₂的相位相干锁定的激光；

所述参考系统(Ⅲ)包括第一分色镜(6)、第一频率偏移器(5)、第一反射镜(4)、第二频率偏移器(7)和第二反射镜(8)，所述光学频率梳(1)发出的光，经第一分光元件(2)分成探测光束和参考光束两束光，参考光束入射到所述第一分色镜(6)上，经所述第一分色镜(6)反射的光经过第一频率偏移器(5)入射到第一反射镜(4)上，经所述第一反射镜(4)反射后，沿原路返回并经过所述第一分光元件(2)后入射到所述信号处理系统(Ⅳ)，经所述第一分色镜(6)透射的光经过第二频率偏移器(7)入射到第二反射镜(8)上，经所述第二反射镜(8)反射后，沿原路返回并经过所述第一分光元件(2)后入射到所述信号处理系统(Ⅳ)；所述第一反射镜(4)与所述第二反射镜(8)到第一分色镜(6)之间的距离相等；

所述探测系统(Ⅱ)包括第三反射镜(3)，探测光束经待测路径后入射到所述第三反射镜(3)上，并经所述第三反射镜(3)反射后沿原路返回并经过所述第一分光元件(2)后入射到所述信号处理系统(Ⅳ)；

所述信号处理系统包括第二分色镜(9)，第一光栅(12)，第二光栅(13)，第一相机(14)和第二相机(15)，从所述参考系统(Ⅲ)和探测系统(Ⅱ)射出的光束在所述第一分光元件(2)上发生干涉，干涉信号入射到所述第二分色镜(9)上，由所述第二分色镜(9)反射的光经第一光栅(12)衍射后，被第一相机(14)接收，由所述第二分色镜(9)透射的光经第二光栅(13)衍射后，被第二相机(15)接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，其特征在于，还包括第二分光元件(10)、第三分光元件(11)和光谱仪(16)，所述第二分光元件(10)设置在第二分色镜(9)和第一光栅(12)之间，所述第三分光元件(11)设置在第二分色镜(9)和第二光栅(13))之间，所述第二分光元件(10)和第三分光元件(11)用于将干涉信号分出一部分入射到所述光谱仪(16)中，所述光谱仪(16)用于对所述第一相机(14)和第二相机(15)进行标定。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，其特征在于，所述第一分色镜(6)和第二分色镜(9)对波长为λ₁的光反射，对波长为λ₂的光束进行透射。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，其特征在于，所述第一频率偏移器(5)和第二频率偏移器(7)为声光调制器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，其特征在于，所述第一相机(14)和第二相机(15)的像素为1928×1448，波长覆盖范围为190～1100nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，其特征在于，所述光学频率梳(1)使用的是德国menlo公司、型号为FC-1500-250的光学频率梳。

7.一种基于光学频率梳的空气折射率自校准方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准系统，包括以下步骤：

S1、通过光谱仪对第一相机和第二相机进行校准，得到第一相机上干涉图像的展开相位对像素的斜率与D₁的对应关系，以及第二相机上干涉图像的展开相位对像素的斜率与D₂的对应关系，其中D₁和D₂分别表示波长为λ₁和λ₂的光对应的光学距离；

S2、测量时通过第一相机和第二相机分别记录干涉图像，选取垂直方向上某一像素的线，并描绘其所对应的频谱图，采用快速傅里叶变换法处理频谱图，获得展开的相位，进而获得展开相位对像素的斜率，根据步骤S1得到的展开相位对像素的斜率与D₁和D₂之间的对应关系，得到波长分别为λ₁和λ₂的光对应的光学距离D₁和D₂的值；

S3、计算校准空气折射率后的几何距离D，计算公式为：

D＝D₁-A(D₂-D₁)；

其中，A为系数，其通过环境参数的一般测量获得。

8.根据权利要求7所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准方法，其特征在于，所述步骤S1中，对第一相机和第二相机进行校准的具体方法为：

通过相机分别记录干涉图像，选取干涉图像上与干涉条纹垂直的方向上某一像素直线，并描绘该直线对应的频谱图，采用快速傅里叶变换法处理频谱图，获得展开的相位，进而获得展开相位对像素的斜率

和

和

分别表示第一相机(14)和第二相机(15)对应的频谱图的展开相位，i表示像素；同时利用光谱仪测量对应干涉信号的频谱图，通过快速傅里叶变换法处理频谱图，得到展开相的斜率

和

f₁和f₂分别表示波长为λ₁和λ₂的激光对应的频率，并分别计算光谱仪对波长λ₁和λ₂的光的测量得到的距离值l₁和l₂，计算公式为：

式中，c表示光速，n_g代表空气的群折射率；

以微米量级的补偿移动第一反射镜(3)，多次重复上述操作，得到多组相机上的干涉图像的展开相位对像素的斜率与通过光谱仪获得的距离l₁和l₂的值，进而得到相机上展开相位对像素的斜率与光谱仪测量距离l₁和l₂之间的对应关系，以及相机上展开相位对像素的斜率与光学路径之间的对应关系，实现对第一相机和第二相机的标定。

9.根据权利要求7所述的一种基于光学频率梳的空气折射率自校准方法，其特征在于，所述步骤S1之前，还包括以下步骤：调节所述第一反射镜(4)与所述第二反射镜(8)的位置，使所述探测系统(Ⅱ)、参考系统(Ⅲ)之间的光程长度差为mL_pp，其中m＝1,2,3……，L_pp表示所述飞秒光学频率梳(1)的相邻脉冲之间的光学距离。

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