CN110895339B - 双光梳多脉冲测距系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双光梳多脉冲测距系统及其应用，该系统包括第一分束器，第一分束器用于将第一光梳发出的信号脉冲分成m个信号脉冲；第一耦合器，第一耦合器用于将m个信号脉冲合成一束测量脉冲出射；第二分束器，第二分束器用于将第二光梳发出的采样脉冲分成n个采样脉冲；第二耦合器，第二耦合器用于将n个采样脉冲合成一束采样脉冲出射；其中，m个信号脉冲通过分光后产生m个测量脉冲和m个参考脉冲，n个采样脉冲对m个测量脉冲和m个参考脉冲进行采样，在每个测量周期获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号。本发明大大降低了对高精度光源的依赖，实现了速度更快，精度更高的距离测量。

Description

双光梳多脉冲测距系统及其应用

技术领域

本发明是关于一种双光梳多脉冲测距系统及其应用，涉及光学精密计量技术领域。

背景技术

双光梳测距方法作为一种绝对距离测量方法，充分利用了光学频率梳(简称光梳)光谱带宽高、频率分辨率高、频率精度高的特点，用于快速测量光学系统光谱相位信息，从而获取被测距离。如图1(a)所示，现有技术采用两个具有微小重频差的光梳构建双光梳测距系统，光梳1的重频为f_r1，光梳2的重频为f_r2，其重频之差为Δf_r。光梳1发出的光脉冲分为参考脉冲和测量脉冲，光梳2发出的脉冲用于采样，三束光合光后通过光学带通滤波片进入探测器，并通过低通滤波器被采集卡采样。如图1(c)所示，在测量过程中，采样脉冲和参考脉冲及测量脉冲发生周期性的交叠，在每隔1/Δf_r的测量周期内产生一个参考干涉信号和一个测量干涉信号。一般来说，双光梳测距系统的重频差Δf_r在kHz左右，对应测量速度也为Δf_r。从频域上分析，双光梳测距系统以多外差干涉的方式产生如图1(b)中所示的子频率梳。

双光梳测距现有两种经典方法，第一种为飞行时间法，其被测距离可以通过参考干涉信号和测量干涉信号之间的时间延迟Δt得到，被测距离D_tof可表示为：

其中，v_g为脉冲的群速度，这种方法特点是非模糊范围大，非模糊范围是在下一个发射脉冲发出前，上一个发射脉冲返回探测器的最长距离，这里飞行时间法测距的非模糊范围等于v_g/2f_r1，一般能够达m量级，精度一般为微米量级。第二种为载波干涉法，其被测距离通过参考干涉信号和测量干涉信号之间的载波相位差得到，被测距离D_c可表示为：

其中，

为参考干涉信号和测量干涉信号之间的载波相位差，λ_c为空气中的载波波长，N_c为载波波长的整数倍周期。需要注意的是，载波干涉法的适用条件是双光梳系统的相位稳定，因此该方法的前提也是基于相位稳定的双光梳系统。载波干涉法的特点是精度高，一般能够达到纳米量级，但是非模糊范围小，只有半个载波波长，一般在百nm量级。在实际测量时N_c是未知的，如果要实现大非模糊范围、高精度的距离测量可以将这两种方法结合起来，用飞行时间法的测距结果D_tof来确定载波波长的整数倍周期N_c，这样就可以实现非模糊范围在米量级，纳米级精度的距离测量，其中：

如果要用飞行时间法的测距结果来唯一确定载波波长的整数倍周期N_c，需要飞行时间法的测距精度(双光梳测距系统一般用Allen方差来评估精度)优于λ_c/4。传统的双光梳测距系统在每个1/Δf_r的测量周期内只能得到一组干涉信号，也就是只能得到一组测距结果，这种采样方式在大部分时域的范围内是没有有效信号的。受到系统噪声的影响，飞行时间法的测距精度一般在微米量级，这样就需要很多个周期的测距结果取平均，从而降低系统的随机噪声，直到飞行时间法测距的精度优于λ_c/4才能唯一确定载波波长的整数倍周期N_c。现有双光梳测距系统中，一般需要通过几十ms甚至上百ms测距结果的平均，飞行时间法测距的精度才能优于λ_c/4，从而唯一确定载波波长的整数倍周期N_c，利用稳定的载波相位差实现大非模糊范围，高精度的距离测量。但是测距结果平均是以牺牲测量速度为代价的，几十ms甚至上百ms飞行时间法测距结果的平均意味着测量速度从kHz直接降低至了几十Hz甚至几Hz，显然这样限制了其在很多动态测距场景的应用。

为了解决上述问题，可以采用提高激光器重频的办法，提高激光器重频的同时，可以增大两台光梳的重频差，从而实现更快速更高精度距离测量，但是提高激光器重频f_r会同步减小飞行时间法测距的非模糊范围v_g/2f_r，意味着在长距离测量中不适用。而且高重频激光器制作难度大，成本也相对更高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以实现在非模糊范围不变的前提下，具有更高测量速率及更高测距精度的双光梳多脉冲测距系统及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种双光梳多脉冲测距系统，包括第一光梳和第二光梳，该系统还包括：

第一分束器，所述第一分束器用于将所述第一光梳发出的信号脉冲分成m个信号脉冲；

第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述m个信号脉冲合成一束测量脉冲；

第二分束器，所述第二分束器用于将所述第二光梳发出的采样脉冲分成n个采样脉冲；

第二耦合器，所述第二耦合器用于将所述n个采样脉冲合成一束采样脉冲；

其中，所述m个信号脉冲通过分光后产生m个测量脉冲和m个参考脉冲，所述n个采样脉冲对m个测量脉冲和m个参考脉冲进行采样，在每个测量周期获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号。

进一步地，该系统还包括带通滤波片、探测器和低通滤波器，其中，参考干涉信号和测量干涉信号依次通过所述带通滤波片、探测器和低通滤波片发送到外部的处理器进行处理。

进一步地，所述偏振片设置在所述带通滤波片和探测器之间，用于保证n×m组参考干涉信号和测量干涉信号的偏振一致性。

进一步地，所述第一分束器和第二分束器均采用光纤分束器，所述第一耦合器和第二耦合器均采用光纤耦合器。

进一步地，所述光纤分束器和光纤耦合器均相应采用单模光纤分束器和单模光纤耦合器，其中，光纤长度的设计的原则：所述第一光梳处的光纤长度L₁至L_m逐级递增，满足L_m>L_m-1>L_m-2>…>L₁；所述第二光梳处的第n根光纤长度L’_n大于前一根光纤L’_n-1长度加上所述第一光梳处最长的光纤长度L_m，即L’_n>L’_n-1+L_m，且满足被测距离大于(L’_n－L’₁)×n₁，其中，n₁为光纤折射率。

进一步地，所述带通滤波片的带宽Δν_comb<f_r1f_r2/2(Δf_r)；所述探测器的响应带宽大于f_r2；所述低通滤波器范围在0～f_r2/2之内；其中，f_r1为第一光梳的重频，f_r2为第二光梳的重频，Δf_r为重频之差。

第二方面，本发明还提供一种双光梳多脉冲测距系统的应用，采用多脉冲飞行时间法基于所述多脉冲双光梳测距系统进行测距，具体为：

基于多脉冲双光梳测距系统，通过光纤延迟的方式，在一个重复周期内产生n个采样脉冲、m个测量脉冲和m个参考脉冲，在每个测量周期内获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号，即在每个测量周期得到n×m组测距结果，将多组结果平均，则测距结果表示为：

其中，

表示n×m组参考干涉信号与测量干涉信号时间延迟的平均值，v_g为脉冲的群速度，f_r1为第一光梳的重频，Δf_r为重频之差。

进一步地，

的计算公式为：

其中，i代表序号，取值从1到n×m，Δt(i)表示第i组参考干涉信号与测量干涉信号的时间延迟。

第三方面，本发明还提供一种双光梳多脉冲测距系统的应用，采用多脉冲载波干涉法基于所述多脉冲双光梳测距系统进行测距，具体为：

基于多脉冲双光梳测距系统，通过光纤延迟的方式，在一个重复周期内产生n个采样脉冲、m个测量脉冲和m个参考脉冲，在每个测量周期内获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号，即在每个测量周期都得到n×m组测距结果，将多组结果取平均，测距结果可以表示为：

其中，

表示n×m组参考干涉信号与测量干涉信号载波相位差的平均值，λ_c为空气中的载波波长，N_c为载波波长的整数倍周期。

进一步地，

的计算公式为：

其中，i代表序号，取值从1到n×m，

表示第i组参考干涉信号与测量干涉信号的载波相位差。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

1、本发明通过一分多光纤分束器进入多路不同长度的光纤，然后再通过多合一光纤耦合器，从而在一个重复周期内产生在时间轴上错开的多个脉冲，该方法简单实用，大大降低了对高精度光源的依赖，以一种相对简单的方式在非模糊范围不变的前提下，实现了速度更快，精度更高的距离测量；

2、本发明提出的多脉冲双光梳干涉光路，通过多组采样脉冲对多组测量脉冲和参考脉冲采样的方法，在一个测量周期内得到多组干涉信号，通过测量结果平均的方式就能降低系统中的随机噪声，提高飞行时间法的测距精度，降低链接飞行时间法和载波干涉法的时间，同时还能进一步提升载波相位差的测量精度。

综上，本发明可以广泛应用于激光测距中。

附图说明

图1(a)为传统双光梳测距系统测距原理图；

图1(b)为传统双光梳测距系统的子频率梳示意图，其中，f_opt代表光频梳的频率，一般在THz左右，f_RF代表子频率梳的频率，范围在0～f_r2/2；

图1(c)为传统双光梳测距系统的时域线性采样示意图；

图2(a)为本发明实施例1的多脉冲双光梳测距系统原理图；

图2(b)为本发明实施例1多脉冲双光梳测距系统的子频率梳示意图；

图2(c)为本发明实施例1多脉冲双光梳测距系统的时域线性采样示意图，其中，Δτ是参考脉冲和测量脉冲在时域上的时间延迟，其大小由被测距离D决定。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动的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。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

如图2所示，本实施例提供的多脉冲双光梳测距系统，是在现有图1所示的双光梳测距系统基础上，增加了第一光纤分束耦合装置3、第二光纤分束耦合装置4和偏振片5，其中，第一光纤分束耦合装置3包括第一光纤分束器31和第一光纤耦合器32，第二光纤分束耦合装置4包括第二光纤分束器41和第二光纤耦合器42，其中，第一光纤分束器31用于将一路光信号分为m路光信号，第一光纤耦合器32用于将m路光信号合成一路光信号，第二光纤分束器41用于将一路光信号分为n路光信号，第二光纤耦合器42用于将n路光信号合成一路光信号。

第二光梳2发出的采样脉冲经过第二光纤分束器41后产生n个采样脉冲，n个采样脉冲通过n根长度不同的光纤后在时间轴上错开，再经过第二光纤耦合器42合成一束光出射，即在每个重复周期1/f_r2内就可以得到在时间轴上错开的n个采样脉冲。

第一光梳1发出的信号脉冲经过第一光纤分束器31后产生m个信号脉冲，m个信号脉冲经过第一光纤耦合器32后合成一束光出射，即在每个重复周期内1/f_r1就可以得到在时间轴上错开的m个信号脉冲，m个信号脉冲通过第一分光镜6后产生m个测量脉冲和m个参考脉冲，通过n个采样脉冲对m个测量脉冲和m个参考脉冲在时域上进行采样，在每隔1/Δf_r的测量周期内产生n×m组参考干涉信号和测量干涉信号，多脉冲采样示意图如图2(c)所示，为描述方便，取m＝2，n＝4作为特例，通过多脉冲扫描方式，产生8组参考干涉信号I_R1…I_R8和测量干涉信号I_M1…I_M8。为了保证多路脉冲的偏振一致性，在现有系统的探测器之前设置有偏振片5。另外，在实际实验系统中，受限于光频梳功率的大小，需要选择合适的m和n，一般来说，对应50mw左右功率的激光器，考虑分光镜和带通滤波片对能量的衰减，m，n最大可选择10～15左右。此时在一个测量周期内可以得到25～100组干涉信号，m，n的取值大小只需与飞行时间法的测距精度匹配即可，即多脉冲双光梳飞行时间法测距结果D_tof在无需时间平均的情况下精度优于λ_c/4为最佳取值。此时在Δf_r的测量速度下，飞行时间测距结果就可以唯一确定载波波长的整数倍周期N_c。

在一个优选的实施例中，光纤分束器和光纤耦合器可以选择普通的单模光纤分束器和单模光纤耦合器即可，要求每一路的分束能量比例尽量均匀，中心波长和带宽范围与激光器的中心波长和带宽匹配。其中，光纤分束器或光纤耦合器的光纤长度设计的原则：第一光梳1处的光纤长度L₁至L_m逐级递增，满足L_m>L_m-1>L_m-2>…>L₁。第二光梳2处的第n根光纤长度L’_n大于前一根光纤长度L’_n-1加上第一光梳1处最长的光纤长度L_m，即L’_n>L’_n-1+L_m。最后满足被测距离大于(L’_n－L’₁)×n₁，其中，n₁为光纤折射率。上述设计是为了满足所有的干涉信号在时域上不重叠，且按顺序排布。实际搭建时也可以采用其它光纤长度排布方法，只需满足所有干涉信号在时域上不重叠即可，在此不再赘述。

在一个优选的实施例中，偏振片5的使用是为了保证n×m组参考干涉信号和测量干涉信号的偏振一致性，可以选择普通光学偏振片，允许通过的光谱范围与激光器光谱范围匹配即可。

在一个优选的实施例中，为了防止出现周期性混叠即保证映射结果的唯一性，带通滤波片的带宽Δν_comb<f_r1f_r2/2(Δf_r)，探测器的响应带宽需要大于f_r2，低通滤波器范围在0～f_r2/2之内。

实施例2：

实施例1提供的多脉冲双光梳测距系统，通过光纤延迟的方式，在一个重复周期内产生n个采样脉冲、m个测量脉冲和m个参考脉冲，时域上产生的n×m组干涉信号。

时域上的n×m组干涉信号中任何一组都可以看作传统的双光梳测距得到的干涉信号，因此在本实施例的多脉冲双光梳测距中，每个周期可以得到n×m组测距结果，这样将多组结果取平均，就可以降低随机噪声，从而得到更高精度的测距结果。

采用多脉冲飞行时间法基于实施例1的多脉冲双光梳测距系统进行测测距，测距结果可以表示为：

其中，

表示n×m组参考干涉信号与测量干涉信号时间延迟的平均值：

其中，i代表序号，取值从1到n×m，Δt(i)表示第i组参考干涉信号与测量干涉信号的时间延迟。

实施例3：

采用多脉冲载波干涉法基于实施例1的多脉冲双光梳测距系统进行测距，测距结果可以表示为：

其中，

表示n×m组参考干涉信号与测量干涉信号载波相位差的平均值：

其中，i代表序号，取值从1到n×m，

表示第i组参考干涉信号与测量干涉信号的载波相位差。

综上所述，本发明采用多组平均的方式，根据随机噪声抑制原则，理论上可以将飞行时间法的测距精度提高

倍，此时飞行时间法的测距精度可以更快的达到λ_c/4。因为传统的双光梳测距系统，在每个1/Δf_r的测量周期内只能得到一组干涉信号，也就是只能得到一组测距结果，由于系统噪声的影响，精度一般在微米量级，这样就需要很多个周期的测距结果取平均，从而降低系统的随机噪声，直到飞行时间法测距的精度优于λ_c/4才能唯一确定载波波长的整数倍周期N_c。而本发明提出的采用多脉冲双光梳测距的方法，在每个1/Δf_r的测量周期内能得到n×m组干涉信号，直接将一个1/Δf_r周期内的n×m组测距结果平均，就可以在保持测量速度Δf_r不变的前提下，直接提升飞行时间法的测距精度，特别是当n×m足够大时，在Δf_r的测量速率下，无需与其它周期的结果进行平均，就可以直接实现优于λ_c/4的测距精度，从而唯一确定载波波长的整数倍周期N_c，将测距结果过渡到载波干涉法。

进一步地，本发明可以同时将载波相位差的精度也提升将近

倍，因此本发明不仅可以提升飞行时间法的测距精度，从而减小链接飞行时间法和载波干涉法的时间，此外还可以进一步提升载波干涉法的测距精度。相比于传统的双光梳测距方法，本发明打破了传统的双光梳系统线性采样的限制，可以在一个测量周期内得到多组干涉信号，实现在非模糊范围不变的前提下，更高测量速率，更高精度的距离测量。该方法简单使用，大大降低了对高精度光源的依赖，以一种相对简单的方式实现了更高水平的距离测量。

最后应当说明的是以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双光梳多脉冲测距系统，包括第一光梳和第二光梳，其特征在于，该系统还包括：

第一分束器，所述第一分束器用于将所述第一光梳发出的信号脉冲分成m个信号脉冲；

第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述m个信号脉冲合成一束测量脉冲；

第二分束器，所述第二分束器用于将所述第二光梳发出的采样脉冲分成n个采样脉冲；

第二耦合器，所述第二耦合器用于将所述n个采样脉冲合成一束采样脉冲；

其中，所述m个信号脉冲通过分光后产生m个测量脉冲和m个参考脉冲，所述n个采样脉冲对m个测量脉冲和m个参考脉冲进行采样，在每个测量周期获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号；

所述第一分束器和第二分束器均采用光纤分束器，所述第一耦合器和第二耦合器均采用光纤耦合器；

所述光纤分束器和光纤耦合器均相应采用单模光纤分束器和单模光纤耦合器，其中，光纤长度的设计原则：所述第一光梳处的光纤长度L₁至L_m逐级递增，满足L_m>L_m-1>L_m-2>…>L₁；所述第二光梳处的第n根光纤长度L’_n大于前一根光纤L’_n-1长度加上所述第一光梳处最长的光纤长度L_m，即L’_n>L’_n-1+L_m，且满足被测距离大于(L’_n－L’₁)×n₁，其中，n₁为光纤折射率。

2.根据权利要求1所述的双光梳多脉冲测距系统，其特征在于，该系统还包括带通滤波片、探测器和低通滤波器，其中，参考干涉信号和测量干涉信号依次通过所述带通滤波片、探测器和低通滤波片发送到外部的处理器。

3.根据权利要求2所述的双光梳多脉冲测距系统，其特征在于，该系统还包括偏振片，所述偏振片设置在所述带通滤波片和探测器之间，用于保证n×m组参考干涉信号和测量干涉信号的偏振一致性。

4.根据权利要求2或3所述的双光梳多脉冲测距系统，所述带通滤波片的带宽Δν_comb<f_r1f_r2/2(Δf_r)；所述探测器的响应带宽大于f_r2；所述低通滤波器范围在0～f_r2/2之内，其中，f_r1为第一光梳的重频，f_r2为第二光梳的重频，Δf_r为重频之差。

5.一种双光梳多脉冲测距系统的应用，其特征在于，采用多脉冲飞行时间法基于权利要求1～4任一项所述的多脉冲双光梳测距系统进行测距，具体为：

基于多脉冲双光梳测距系统，通过光纤延迟的方式，在一个重复周期内产生n个采样脉冲、m个测量脉冲和m个参考脉冲，在每个测量周期内获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号，即在每个测量周期得到n×m组测距结果，将多组结果平均，则测距结果表示为：

其中，

表示n×m组参考干涉信号与测量干涉信号时间延迟的平均值，v_g为脉冲的群速度，f_r1为第一光梳的重频，Δf_r为重频之差。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，

的计算公式为：

其中，i代表序号，取值从1到n×m，Δt(i)表示第i组参考干涉信号与测量干涉信号的时间延迟。

7.一种双光梳多脉冲测距系统的应用，其特征在于，采用多脉冲载波干涉法基于权利要求1～4任一项所述的多脉冲双光梳测距系统进行测距，具体为：

基于多脉冲双光梳测距系统，通过光纤延迟的方式，在一个重复周期内产生n个采样脉冲、m个测量脉冲和m个参考脉冲，在每个测量周期内获得n×m组参考干涉信号和测量干涉信号，即在每个测量周期都得到n×m组测距结果，将多组结果取平均，测距结果表示为：

其中，

表示n×m组参考干涉信号与测量干涉信号载波相位差的平均值，λ_c为空气中的载波波长，N_c为载波波长的整数倍周期。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，

的计算公式为：

其中，i代表序号，取值从1到n×m，

表示第i组参考干涉信号与测量干涉信号的载波相位差。

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