CN110456375B - 一种高精度在线测量的测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度在线测量的测距系统，包含：激光产生单元(1)、收发光学天线单元(2)、测距信号接收处理单元(3)、稳频单元(4)、主控单元(5)、二次电源单元(6)以及上位机单元(7)。本发明中采用双光梳飞秒激光器和光纤激光器分别作为系统的激光精测和激光粗测测距的光源，并基于飞秒双光梳非线性下采样原理实现非接触高精度在线测量，具有精度高，频响高，功耗低，体积小等优点，非常适合对卫星大型天线展开机构和大飞机关键部件等装备进行测量，实现大尺寸天线观测卫星在轨展开和在轨拼接。

Description

一种高精度在线测量的测距系统
技术领域
本发明涉及空间激光高精度测量领域，具体地涉及一种高精度在线测量的测距系统。
背景技术
目前采用的激光测距方法从原理上可分为脉冲飞行时间测距与光学干涉测距两大类。
脉冲飞行时间测距是一种非相干距离测量方法，将激光脉冲的飞行时间信息转换为距离信息，可以实现大尺度的绝对距离测量。然而，这种测距方法的缺点是精度受限于电子探测装置的响应带宽。对于具有30ps分辨能力的精密电子探测装置，其对应的距离分辨率的极限在厘米量级，精度较差。
光学干涉测距方法可以极大地提高测量精度。这种测距方法基于迈克尔逊干涉仪，利用光学同差或外差方法探测目标光路与参考光路的相位差，实现纳米精度的距离测量。然而其绝对测距范围限制在1/2波长以内，因此，光学干涉方法只适于实现增量式位移测量，测量过程需要给定坐标原点，且测量过程不允许中断。
目前，国际上对大型复杂曲面、复杂结构的关键部件进行高精度测量的传统方案，主要包括视觉测量设备、激光经纬仪(全站仪)和激光跟踪仪等，其中，以激光跟踪仪(干涉测长)的精度最高。激光跟踪仪以Leica、FARO为代表，其绝对测长精度可达(10μm+5μm)/m，但其绝对测距功能(ADM)是通过鸟巢标定，信息一旦中断需要重新定位，难以进行连续测量。国内激光跟踪仪以研究机构开发为主，尚未实现工业化产品。在轨实时测量方案中，激光跟踪仪等产品体积、重量和功耗都较大，很多在线测量场合受限，尤其是在卫星天线等在轨产品中无法使用。
近年来，随着飞秒光梳激光技术的飞速发展弥补了这一领域的空缺，绝对长度测量精度与范围不断被刷新。飞秒双光梳测距方法本质上也是飞行时间法测距，虽然飞秒脉冲有着超高的时间分辨本领，但受限于光电探测器的时间响应速率，得不到发挥。
CN107860309A披露的“提高激光跟踪仪测量精度的方法和装置”(公开日：2018年3月30日)基于长度标准装置对激光跟踪仪进行标定,然后将标定获得的标定点的观测量用于对激光跟踪仪实际测量的目标点的观测量进行误差改正,从而提高激光跟踪仪的测量精度。该测距方式采用激光干涉测距，只能通过连续测量得到相对距离，没法测量绝对距离。
“远程激光测距技术及其进展”(《激光与红外》2019年03期)文中介绍了目前国内外远程激光测距的现状及其研究进展,描述和分析了远程激光测距所涉及的关键技术及影响因素，目前几十千米远程测距用得最多的是脉冲激光器测距。精度只能达到厘米量级，距离应用所需的微米量级差距很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度在线测量的测距系统，通过粗精结合的方式能达到测程几十公里，精度微米级的绝对距离测量。在空间激光高精度测量领域中，能满足大尺寸天线观测卫星在轨展开和在轨拼接的迫切需求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，包含：
激光产生单元，其用于产生符合指标要求的激光，包括1550nm双光梳飞秒激光器和1064nm脉冲激光器；
收发光学天线单元，其与激光产生单元相连，用于实现各种光学信号的收发，包括1550nm精测飞秒脉冲收发系统和1064nm粗测脉冲收发系统；
测距信号接收处理单元，其通过单模光纤与收发光学天线单元的收发系统相连，用于接收及处理目标回波激光，包括1550nm飞秒激光接收模块和1064nm脉冲激光接收模块；
稳频单元，其与激光产生单元相连，用于稳定双光梳飞秒激光器的重复频率；
主控单元，其与测距信号接收处理单元以及稳频单元相连，用于管理系统内各单元的正常工作，以及解算目标的绝对距离；
二次电源单元，其与主控单元相连，用于为系统提供特定的电源输出；
上位机单元，其与主控单元相连，用于接收主控单元发送的测距结果以及下发指令给主控单元。
所述的1064nm脉冲激光器为系统粗测量光源，所述的1550nm双光梳飞秒激光器为系统精测量光源，所述的1550nm双光梳飞秒激光器包括飞秒探测激光器和飞秒采样激光器，所述的两台光梳飞秒激光器输出的信号光和采样光具有固定的重复频率差。
所述的精测量光源测得的精测距离数据值为L1，其精度为微米级，具有一定的模糊距离La，所述的粗测量光源测得的粗测距离数据值为L2，其精度为厘米级；所述的粗测距离数据L2整除所述的模糊距离La，得到解算模糊距离的关键参数N：
N＝L2/La；
粗精复合获得高精度远量程距离数据S为：
S＝L1+N×La。
所述的1550nm飞秒激光接收模块包括非线性晶体、第一光电探测器、预放电路、中放电路、低通滤波电路、触发采样电路、以及高精度测距单元，所述的非线性晶体与所述的第一光电探测器光路连接，所述的第一光电探测器输出的电信号与所述的预放电路的输入端电路相连，所述的预放电路的输出端与所述的中放电路的输入端电路相连，所述的中放电路的输出端与所述的低通滤波电路的输入端电路电路相连，所述的低通滤波电路的输出端与所述的高精度测距单元的输入端电路相连，所述的触发采样电路的输入端与所述的中放电路的输出端电路相连，所述的触发采样电路的输出端与所述的高精度测距单元的输入端电路相连；所述的探测光照射到待测目标上返回，目标回波光和采样光在所述的非线性晶体中发生倍频效应，形成非线性光学下采样，采样信号信号经由所述的第一光电探测器转换为电信号，经由所述的预放电路、中放电路进行两步放大，放大后的电信号经由所述的低通滤波电路获得具有一定信噪比的测距脉冲信号，经由所述的中放电路输出信号进入触发采样电路，所述的触发采样电路输出的采样电信号和所述的低通滤波器电路输出的具有一定信噪比的测距脉冲信号一起进入所述的高精度测距单元，在所述的高精度测距单元进行电信号高速采样，并对采样后的数据进行拟合，采取寻峰及滤波算法测到目标间的距离。
所述的稳频单元包括第二光电探测器、带通滤波器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、顶杆控制器以及压电陶瓷，所述的第二光电探测器与激光器输出端分出的一小部分光相连，所述的第二光电探测器的输出端与所述的带通滤波器的输入端电路相连，所述的带通滤波器的输出端与所述的低噪声放大器的输入端电路相连，所述的低噪声放大器的输出端与所述的混频器的输入端电路相连，所述的混频器的输出端与所述的低通滤波器的输入端电路相连，所述的低通滤波器的输出端于所述的顶杆控制器的输入端电路相连，所述的顶杆控制器的输出端与所述的压电陶瓷的输入端电路相连，所述的压电陶瓷的输出端与所述的双光梳飞秒激光器的一端腔镜相连；所述的第二光电探测器测得激光器输出脉冲重复频率差，通过带通滤波器滤除干扰信号，经低噪声放大器放大后与本地参考频率信号在混频器中混频后得到的误差信号，经低通滤波器滤去高次谐波后反馈给顶杆控制器作为压电陶瓷的输入控制信号驱动压电陶瓷工作，从而改变激光器腔长，锁定激光器的重复频率，所述的本地参考频率信号的外部时钟源参考到铷原子钟上。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用双光梳飞秒激光器和光纤激光器分别作为系统的激光精测和激光粗侧测距的光源，粗精复合测距首次将测距精度提升到微米级、测距范围拓展到几十公里。
2、本发明采用非线性光学下采样技术有效的突破了光电探测器响应速率的限制，并且其基本原理还是飞行时间法测距，方法简单，可靠性强。
3、本发明采用采用主动稳频技术，通过对腔长的实时反馈控制来保证激光器重频差的稳定性，进而保证系统的测距精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种高精度在线测量的测距系统的结构示意图；
图2为本发明激光产生单元的双光梳飞秒激光器的结构图；
图3为本发明测距信号接收处理单元的结构图；
图4为本发明稳频单元的结构图；
图5为飞秒双光梳非线性下采样原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明提供的一种高精度在线测量的测距系统包括激光产生单元1、收发光学天线单元2、测距信号接收处理单元3、稳频单元4、主控单元5、二次电源单元6以及上位机单元7。
其中，激光产生单元1，用于产生符合指标要求的激光，包括1550nm双光梳飞秒激光器和1064nm光纤脉冲激光器，1550nm双光梳飞秒激光器为系统精测量光源，1064nm光纤脉冲激光器为系统粗测量光源；
收发光学天线单元2，其与激光产生单元1相连，用于实现各种光学信号的收发，包括1550nm精测飞秒脉冲收发系统和1064nm粗测脉冲收发系统，其中1550nm精测飞秒脉冲的收发光学系统焦距为90mm，包括一块双胶合透镜和一块球面镜，1064nm粗测脉冲收发系统焦距为142mm，也包括一块双胶合透镜和一块球面镜；
测距信号接收处理单元3，其通过单模光纤与收发光学天线单元2的收发系统相连，用于接收及处理目标回波激光，包括1550nm飞秒激光接收模块和1064nm脉冲激光接收模块；
稳频单元4，其与双光梳飞秒激光器相连，用于稳定激光器的重复频率(frep，简称重频)；
主控单元5，其与测试信号接收处理单元3以及稳频单元4相连，由一片DSP实现，用于控制系统按指令要求工作，对测距信号接收处理单元3输出的距离数据进行处理，得到高精度的距离信息，接收其他各单元的状态反馈信号并实时监控，在上电及故障时控制其他各单元的复位信号；
二次电源单元6，其与主控单元5相连，用于为系统装置提供低噪声、稳定输出的电源输出，包括过流保护电路、浪涌抑制电路、EMI滤波电路、DC/DC变换电路、通断控制遥测电路以及滤波输出电路；
上位机单元7，其与主控单元5相连，用于接收主控单元5发送的测距结果，以及下发控制指令给主控单元5。
在本实施例中，1064nm脉冲激光器采用低功率光纤激光器，光纤激光器具有散热快、稳定性高等特点；1550nm双光梳飞秒激光器采用两台非线性偏振旋转锁模激光器，该锁模方式锁模稳定，一台为飞秒探测激光器11，其输出激光为测量光，另一台为飞秒采样激光12，其输出激光为采样光，两束激光具有固定的微小重频差2KHz。如图2所示，两台光纤激光器均使用环形腔结构，980nm的半导体激光器119输出的泵浦光通过波分复用器1110耦合进长度76cm的Liekki Er80-4/125掺铒增益光纤110，光纤内激光经过隔离器111和光纤准直器112后依次通过第一四分之一波片113、半波片114、偏振分束棱镜115、第二四分之一波片116、光纤准直器117后回到谐振腔内，形成自激振荡，通过调节第一四分之一波片113，第二四分之一波片116和半波片114的旋转角度，利用腔内等效偏振旋转效应实现锁模，通过控制各段光纤长度控制色散使其工作在呼吸孤子域，获得较窄的脉冲和较高的光功率，最终偏振分束棱镜118输出重频72MHz、脉冲宽度760fs的脉冲激光。所述的飞秒探测激光器11中，在偏振分束棱镜118前还放置一个中心波长1550nm、带宽8nm的带通滤波器115，对脉冲激光进行频域滤波，以此避免呼吸孤子锁模激光器输出脉冲啁啾对互相关信号的影响，将滤波器放置在腔内而非腔外是为了保证输出的光功率较高，能够达到在倍频晶体中发生非线性过程的阈值。
双光梳飞秒激光器输出的测量光经1550nm精测飞秒脉冲的收发光学系统出射，测量光遇到目标后返回和采样光一起进入测距信号接收处理单元3的1550飞秒激光接收模块，如图3所示，目标返回光和采样光在非线性晶体31中发生倍频效应，由于具有微小的固定重复频率差，如果采样时刻相对于待采样信号的周期有非常短但却固定已知的延迟，那么经过多个周期即可采集到原始信号一个周期内的不同部分，等效采样过程重复多次，直到将原信号周期的时间窗口填满，形成非线性光学下采样。采样具体过程如下：
采用两台具有一定重复频率差值的飞秒激光器，其重复频率分别为fr和fr+Δfr。其中重频为fr的激光器作为测量光源，重频为fr+Δfr的激光器作为采样光源。如图5所示，
飞秒探测激光器每隔一个脉冲周期
Figure BDA0002197491420000061
就会发射一个探测脉冲，飞秒采样激光器每隔一个采样周期
Figure BDA0002197491420000062
就会发射一个采样脉冲对探测脉冲进行一次采样，并通过光电探测器产生一个采样点，从而采样点之间的间隔为
Figure BDA0002197491420000071
同时，由于测量脉冲和采样脉冲之间存在频率差，采样脉冲每过一个周期就会对测量脉冲产生一个时间位移ΔTr：
Figure BDA0002197491420000072
ΔTr相当于时间采样分辨率，为了保证采样信号中有足够的采样点可以还原测量脉冲，ΔTr必须远小于脉冲宽度τ，即Δfr远小于fr。
经过
Figure BDA0002197491420000073
时间后，采样脉冲的第N+1个脉冲与测量的第N个脉冲重合，完成对信号光的一次完整扫描，在探测器上获得与测量脉冲形状相同的采样信号，其中N满足
Figure BDA0002197491420000074
探测器上得到的采样信号周期为
Figure BDA0002197491420000075
可以看做是对测量脉冲的等效采样，它将
Figure BDA0002197491420000076
时间内的测量脉冲信息在Δt时间内以采样信号表现出来，相当于将时间拉长了N倍，使得采样后的测距信号能被光电探测器探测到。
采样信号经第一光电探测器32转换为适应后级高精度测距单元37采样的具有一定信噪比的电信号，之后依次通过预放电路33、中放电路34对电信号进行放大处理，放大后的电信号经低通滤波电路35将不同周期内对目标返回光不同位置处的采样重新组合在一起，由于采样原理，可以还原出原始测距脉冲的形状，而此时的测距脉冲已被展宽数倍，从而避免了第一光电探测器32响应速率的限制，高精度测距单元37对电信号进行高速采样，并对采样信号进行拟合，采取寻峰及滤波等算法从而获得目标的距离，并将此距离信息传送到主控单元5中。
该测距过程得到的精测距离数据值为L1，模糊距离为2米，即，无论测多远的数据，得到的精测距离数据值L1都在0到2米间，1064nm脉冲激光器测得的粗测距离数据值为L2，L2整除2，得到解算模糊距离的关键参数N，其中，N＝L2/2，粗精复合测距，获得百米范围内，精度为微米量级的测距数据S：S＝L1+N×2，测距结果通过RS422通信接口上传至上位机单元7。
在双光梳飞秒激光器运转过程中，激光器自身的频率不是恒定不变的，锁模激光器的重频与激光器谐振腔腔长的关系为：
Figure BDA0002197491420000081
其中，c是真空中的光速，n是激光器谐振腔折射率，L是激光器谐振腔腔长，可知，在激光器运转过程中，外界空间光路空气折射率变化、器件的轻微震动、乃至光纤内部的量子噪声都会引起重频的改变。为了使双光梳飞秒激光器的频率差恒定，在双光梳飞秒激光器谐振腔的一端腔镜上连接稳频单元。如图4所示，稳频单元4包括第二光电探测器41、带通滤波器42、低噪声放大器43、混频器44、低通滤波器45、顶杆控制器46、压电陶瓷47。第二光电探测器41将光脉冲信号转化为电信号，通过带通滤波器42滤出其高次谐波，与本地参考频率信号在混频器中混频后得到的误差信号反馈给顶杆控制器46作为压电陶瓷的输入控制信号驱动压电陶瓷47工作，压电陶瓷47连接的一端腔镜，在外部电压的控制下可以改变激光器腔长，从而锁定激光器的重频，此外，本地参考频率信号的外部时钟源参考到铷原子钟上，为激光器重频锁定提供更高精度的频率基准。
综上所述，本发明基于飞秒双光梳非线性下采样原理实现非接触高精度在线测量，其具有精度高，频响高，功耗低，体积小等优点，非常适合对卫星大型天线展开机构和大飞机关键部件等装备进行测量，实现大尺寸天线观测卫星在轨展开(SAR天线、充气天线、薄膜光学)和在轨拼接(光学天线)。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，包含：
激光产生单元，其用于产生符合指标要求的激光；
收发光学天线单元，其与激光产生单元相连，用于实现各种光学信号的收发；
测距信号接收处理单元，其与收发光学天线单元相连，用于接收及处理目标回波激光；
稳频单元，其与激光产生单元相连，用于稳定激光器的重复频率；
主控单元，其与测距信号接收处理单元以及稳频单元相连，用于管理系统内各单元的正常工作，以及解算目标的绝对距离并输出；
所述的激光产生单元包括1550nm双光梳飞秒激光器和1064nm脉冲激光器，所述的1064nm脉冲激光器为系统粗测量光源，所述的1550nm双光梳飞秒激光器为系统精测量光源，所述的1550nm双光梳飞秒激光器包括飞秒探测激光器和飞秒采样激光器，所述的飞秒探测激光器输出的探测光和所述的飞秒采样激光器输出的采样光具有固定的重复频率差。
2.如权利要求1所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的高精度在线测量的测距系统还包括：二次电源单元，其与主控单元相连，用于为系统提供特定的电源输出。
3.权利要求1所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的高精度在线测量的测距系统还包括：上位机单元，其与主控单元相连，用于接收主控单元发送的测距结果以及下发指令给主控单元。
4.如权利要求1所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的系统精测量光源测得的精测距离数据值为L1，其精度为微米级，具有一定的模糊距离La，所述的系统粗测量光源测得的粗测距离数据值为L2，其精度为厘米级；
所述的粗测距离数据值L2整除所述的模糊距离La，得到解算模糊距离的关键参数N：
N＝L2/La；
粗精复合获得高精度远量程距离数据S为：
S＝L1+N×La。
5.如权利要求1所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的收发光学天线单元包括1550nm精测飞秒脉冲收发系统和1064nm粗测脉冲收发系统。
6.如权利要求1所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的测距信号接收处理单元包括1550nm飞秒激光接收模块和1064nm脉冲激光接收模块。
7.如权利要求6所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的1550nm飞秒激光接收模块包括非线性晶体、第一光电探测器、预放电路、中放电路、低通滤波电路、触发采样电路、以及高精度测距单元，所述的非线性晶体与所述的第一光电探测器光路连接，所述的第一光电探测器输出的电信号与所述的预放电路的输入端电路相连，所述的预放电路的输出端与所述的中放电路的输入端电路相连，所述的中放电路的输出端与所述的低通滤波电路的输入端电路相连，所述的低通滤波电路的输出端与所述的高精度测距单元的输入端电路相连，所述的触发采样电路的输入端与所述的中放电路的输出端电路相连，所述的触发采样电路的输出端与所述的高精度测距单元的输入端电路相连；所述的探测光照射到待测目标上返回，目标回波光和采样光在所述的非线性晶体中发生倍频效应，形成非线性光学下采样，采样信号经由所述的第一光电探测器转换为电信号，经由所述的预放电路、中放电路进行两步放大，放大后的电信号经由所述的低通滤波电路获得具有一定信噪比的测距脉冲信号，经由所述的中放电路输出信号进入触发采样电路，所述的触发采样电路输出的采样电信号和所述的低通滤波器电路输出的具有一定信噪比的测距脉冲信号一起进入所述的高精度测距单元，在所述的高精度测距单元进行电信号高速采样，并对采样后的数据进行拟合，采取寻峰及滤波算法测到目标间的距离。
8.如权利要求1所述的一种高精度在线测量的测距系统，其特征在于，所述的稳频单元包括第二光电探测器、带通滤波器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、顶杆控制器以及压电陶瓷，所述的第二光电探测器与激光器输出端分出的一小部分光相连，所述的第二光电探测器的输出端与所述的带通滤波器的输入端电路相连，所述的带通滤波器的输出端与所述的低噪声放大器的输入端电路相连，所述的低噪声放大器的输出端与所述的混频器的输入端电路相连，所述的混频器的输出端与所述的低通滤波器的输入端电路相连，所述的低通滤波器的输出端于所述的顶杆控制器的输入端电路相连，所述的顶杆控制器的输出端与所述的压电陶瓷的输入端电路相连，所述的压电陶瓷的输出端与所述的双光梳飞秒激光器的一端腔镜相连；所述的第二光电探测器测得激光器输出脉冲重复频率差，通过带通滤波器滤除干扰信号，经低噪声放大器放大后与本地参考频率信号在混频器中混频后得到的误差信号，经低通滤波器滤去高次谐波后反馈给顶杆控制器作为压电陶瓷的输入控制信号驱动压电陶瓷工作，从而改变激光器腔长，锁定激光器的重复频率。
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