CN111504190B - 克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置 - Google Patents

克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，包括外腔式可调谐激光器和微谐振腔克尔光梳；外腔式可调谐激光器经第一耦合器分为两束，其中一束再经第三耦合器被分为两束分别作为本地参考路和测量路，测量路激光经准直镜和二维扫描振镜打到待测物体，回光经环形器与本地参考路干涉得到测量路信号，传入第一光电探测器；另一束接入正交调制器；微谐振腔克尔光梳经第二耦合器分为两束，其中一束接入正交调制器，另一束接入第二光电探测器；正交调制器接到第一和第二平衡探测器上。本发明利用高频信号，实现调频连续波频率的精密标定，提高了调频连续波测距的精度，实现了高精度坐标测量，操作简单、调节方便、易于系统集成。

Description

克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置
技术领域
本发明涉及几何量测量技术，特别涉及一种基于微谐振腔克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置。
背景技术
大空间坐标测量在航空航天、国防工业、能源行业等许多方面都发挥着重要作用，发展大空间无合作精密坐标测量技术是激光测量的一个重要发展方向。长度测量是几何量测量的核心与基础，调频连续波激光测距法具有量程大、分辨率高、可实现无合作目标测距等优点，是近年来绝对测距研究领域的热点。调频连续波激光测距的误差源主要为可调谐激光器频率调制线性度误差。其波长的电流调谐关系为非线性，且注入电流会影响增益介质温度，导致波长发生变化。因此提出利用微谐振腔克尔光梳对激光频率进行校准，对被测拍频信号进行重采样调整，可消除激光器非线性影响从而提高测频分辨力。
微腔克尔光梳基于高品质因子光学微腔中的四波混频效应而产生，与普通谐振腔相比，光学微腔具有良好的选频特性和储能，是一种新型的光频梳，重复频率可以达到GHz到THz量级，从而实现对待测频率的准确标定与测距信号频率分辨力的提高；操作简单，调节方便，同时体积相对较小方便系统集成。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于微谐振腔克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，利用二维扫描振镜结合调频波激光测距系统进行坐标测量，利用微腔光梳校准激光波长克服了现有FMCW测距方法调频波频率变化非线性的缺点，实现了坐标测量系统测量精度的提高。
本发明所采用的技术方案是：一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，包括外腔式可调谐激光器和微谐振腔克尔光梳；
所述外腔式可调谐激光器所发射的三角调频波经第一耦合器分为A路光束和B路光束；
其中，所述A路光束进入测量模块，并经第三耦合器分为本地参考路激光和测量路激光，所述测量路激光经环形器、准直镜和二维扫描振镜打到待测物体得到回光，同时，通过所述二维扫描振镜得到所述测量路激光的角度信息；所述回光经所述环形器后与所述本地参考路激光在第四耦合器内进行干涉得到测量路信号，所述测量路信号传入第一光电探测器，通过所述第一光电探测器记录所述测量路信号的距离信息；
其中，所述B路光束进入频率校正模块接入正交混频器的信号路；
所述微谐振腔克尔光梳所发射的飞秒激光经第二耦合器分为C路光束和D路光束；
其中，所述C路光束进入频率校正模块接入所述正交混频器的本振路，所述正交混频器的信号路和本振路接至第一平衡探测器，同时，所述正交混频器的信号路和本振路接至第二平衡探测器，通过所述第一平衡探测器探测所述外腔式可调谐激光器和所述微谐振腔克尔光梳相互干涉得到的第一拍频信号，通过所述第二平衡探测器探测所述外腔式可调谐激光器和所述微谐振腔克尔光梳相互干涉得到的第二拍频信号；
其中，所述D路光束进入时钟模块接入第二光电探测器，通过所述第二光电探测器探测所述微谐振腔克尔光梳的自拍频信号，作为时钟信号；
所述测量模块得到的角度信息和距离信息、所述频率校正模块得到的第一拍频信号和第二拍频信号，以及所述时钟模块得到的时钟信号通过数据采集系统传入计算机。
进一步地，所述测量模块得到的测量路信号为：
IA(τ，t)＝VAcos(2π·(τ·α·t+f0·τ)) (1)
其中，IA(τ，t)为测量路信号，VA为第一光电探测器探测到的测量路信号幅值，τ为待测距离引起的时延，t为时间变化，α为三角调频波的扫频速率，f0为三角调频波初始频率。
进一步地，所述频率校正模块得到的所述第一拍频信号和所述第二拍频信号幅值相等、相位差为90°，所述第一拍频信号和所述第二拍频信号如式(2)和(3)所示：
IB(t)＝VB·sin(2π·(f0-fceo-n·frep)·t+2π·α/2·t2) (2)
IC(t)＝VC·cos(2π·(f0-fceo-n·frep)·t+2π·α/2·t2) (3)
其中，IB(t)为入射第一平衡探测器的第一拍频信号，VB为第一平衡探测器探测到的第一拍频信号幅值，fceo为飞秒激光偏移频率，n为拍频对应梳齿，frep为飞秒激光重复频率，IC(t)为入射第二平衡探测器的第二拍频信号，VC为第二平衡探测器探测到的第二拍频信号幅值；
所述外腔式可调谐激光器和微谐振腔克尔光梳相互干涉得到的第一拍频信号和第二拍频信号相除得到正切函数，再对所述第一拍频信号和所述第二拍频信号相除后的结果求反正切变换，通过相位解包裹和微分处理得到第一拍频信号和第二拍频信号的瞬时频率值，所述第一拍频信号的瞬时频率值和所述第二拍频信号的瞬时频率值相等，采用f(t)表示所述第一拍频信号的瞬时频率值和所述第二拍频信号的瞬时频率值：
f(t)＝f0-fceo-n·frep+αt (4)
利用得到的瞬时频率值的点可以对所述第一光电探测器记录的测量路信号进行等时间间隔的重采样计算，即将时钟信号作为采样点对测量路信号进行时域上的重新采样得到重采样信号，重采样信号为：
V(i)＝cos(2π·τ·f0+2π·τ·i·frep) (5)
其中，V(i)为重采样信号，i为采样点；
进行N个点的傅里叶变换，待测距离R可表示为：
Figure GDA0002903257420000031
其中，R为待测距离，T为重采样信号经过N点傅里叶变换后的对应的峰值点位置，fsta为重采样信号对应的频率间隔，c为光速；而待测点的三维坐标(x，y，z)可以表示为：
Figure GDA0002903257420000032
Figure GDA0002903257420000033
z＝Rsinθ
其中，θ为所述二维扫描振镜控制的待测点到原点的俯仰角，θ∈[0，π]；
Figure GDA0002903257420000034
为所述二维扫描振镜控制的待测点到原点的方位角，
Figure GDA0002903257420000035
本发明的有益效果是：
本发明利用微谐振腔克尔光梳进行激光频率的校准。FMCW激光测距是通过测量调频连续波的回波信号与本地参考信号的拍频频率值解算待测距离的，其主要误差源为可调谐激光器频率调制线性度误差。为了消除扫频非线性带来的影响，可以利用锁相环反馈控制电路对激光器调制速度进行负反馈补偿，实现闭环调节，但这种方法系统组成较为复杂，易受外界干扰；且激光器在使用过程中，很多参数都会发生变化，对反馈参数进行修改的工作量较大，不适于实际应用。也可以采用等光频间隔重采样的方法，利用辅助干涉信号作为时钟，对测量得到的拍频信号进行重采样，这种方法理论上可以实现高精度无合作目标的测量且操作简便，但要求有一个光程差不变的辅助干涉光路，在远距离测量时易受光纤散射和目标振动的影响。而由于光频梳的重复频率和偏移频率都被锁定到了高稳定度的外部时钟源，可以作为校准光源。微谐振腔克尔光梳作为一种新型的光频梳，基于高品质因子光学微腔中的四波混频效应而产生，具有稳定的频域梳齿特性和宽光谱范围，以及相干性好、脉宽窄、峰值功率高等特点，可以保证频域采样的准确，不受环境影响。其梳齿间隔可以达到GHz至THz范围，作为重采样的时钟信号使调频非线性得到改善、测距精度提高，可以实现高精度坐标测量，且操作简单，调节方便，体积相对较小方便集成。
附图说明
图1：本发明三维坐标测量装置示意图。
附图标注：
1——外腔式可调谐激光器；
2——微谐振腔克尔光梳； 21——偏振控制器；
22——光隔离器； 23——光学放大器；
24——滤波器； 25——分束器；
3——第一耦合器；
4——测量模块； 41——第三耦合器；
42——环形器； 43——准直镜；
44——二维扫描振镜； 45——待测物体；
46——第四耦合器； 47——第一光电探测器；
5——频率校正模块； 51——正交混频器；
52——第一平衡探测器； 53——第二平衡探测器；
6——第二耦合器；
7——时钟模块； 71——第二光电探测器；
8——数据采集系统；
9——计算机；
Ⅰ——信号路； Ⅱ——本振路。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，包括外腔式可调谐激光器1、微谐振腔克尔光梳2、测量模块4、频率校正模块5和时钟模块7。
所述外腔式可调谐激光器1所发射的三角调频波经第一耦合器3分为A路光束和B路光束。所述A路光束进入测量模块4，并经第三耦合器41分为本地参考路激光和测量路激光，所述测量路激光经环形器42、准直镜43和二维扫描振镜44打到待测物体45得到回光，同时，通过所述二维扫描振镜44得到所述测量路激光的角度信息；所述回光经所述环形器42后与所述本地参考路激光在第四耦合器46内进行干涉得到测量路信号，所述测量路信号传入第一光电探测器47，通过所述第一光电探测器47记录所述测量路信号的距离信息。所述B路光束进入频率校正模块5接入正交混频器51的信号路Ⅰ。
所述微谐振腔克尔光梳2所发射的飞秒激光经第二耦合器6分为C路光束和D路光束。所述C路光束进入频率校正模块5接入所述正交混频器51的本振路Ⅱ。所述正交混频器51的信号路Ⅰ和本振路Ⅱ接至第一平衡探测器52，同时，所述正交混频器51的信号路Ⅰ和本振路Ⅱ接至第二平衡探测器53，所述正交混频器51的信号路Ⅰ和本振路Ⅱ进行差拍干涉得到两路相互正交的拍频信号分别接入所述第一平衡探测器52和第二平衡探测器53，通过所述第一平衡探测器52探测得到的拍频信号为第一拍频信号，通过所述第二平衡探测器53探测得到的拍频信号为第二拍频信号，所述第一拍频信号和第二拍频信号作为两路用来校准调频波非线性的辅助路信号。所述D路光束进入时钟模块7接入第二光电探测器71，通过所述第二光电探测器71探测所述微谐振腔克尔光梳2的自拍频信号，作为时钟信号用来作为解算辅助路频率信息的间隔点。
所述测量模块4得到的角度信息和距离信息、所述频率校正模块5得到的第一拍频信号和第二拍频信号，以及所述时钟模块7得到的时钟信号通过数据采集系统8传入计算机9。
所述测量模块4中，外腔式可调谐激光器1出射激光被第一耦合器3分为A路光束和B路光束，A路光束再被第三耦合器41分光，经过环形器42、准直镜43和二维扫描振镜44打到待测物体45上，接收回光与参考激光耦合接入第一光电探测器47，在示波器上进行数据读取和采集。所述测量模块4得到的测量路信号为：
IA(τ，t)＝VAcos(2π·(τ·α·t+f0·τ)) (1)
其中，IA(τ，t)为测量路信号，VA为第一光电探测器47探测到的测量路信号幅值，τ为待测距离引起的时延，t为时间变化，α为三角调频波的扫频速率，f0为三角调频波初始频率。
所述频率校正模块5中，外腔式可调谐激光器1发射的调频激光与微谐振腔克尔光梳2发射的飞秒激光各经过耦合器，分别接入正交混频器51的信号路I与本振路II，两路信号在正交混频器51内发生差拍干涉得到两路相互正交的拍频信号分别接入第一平衡探测器52和第二平衡探测器53，在示波器上读取和采集外腔式可调谐激光器1和微谐振腔克尔光梳2之间的拍频信号，外腔式可调谐激光器1和微谐振腔克尔光梳2相互干涉得到的两路拍频信号幅值相等、相位差为90°。两路正交信号相除得到正切函数再对其求反正切变换，通过相位解包裹和微分处理得到拍频信号的瞬时频率值，利用得到的瞬时频率值的点可以对测量路信号进行等时间间隔的重采样计算。
所述频率校正模块5得到的电信号为：
IB(t)＝VB·sin(2π·(f0-fceo-n·frep)·t+2π·α/2·t2) (2)
IC(t)＝VC·cos(2π·(f0-fceo-n·frep)·t+2π·α/2·t2) (3)
其中，IB(t)为入射第一平衡探测器52的第一拍频信号，VB为第一平衡探测器52探测到的第一拍频信号幅值，fceo为飞秒激光偏移频率，n为拍频对应梳齿，frep为飞秒激光重复频率，IC(t)为入射第二平衡探测器53的第二拍频信号，VC为第二平衡探测器53探测到的第二拍频信号幅值。
外腔式可调谐激光器1的拍频信号和微谐振腔克尔光梳2的拍频信号相除得到正切函数再对外腔式可调谐激光器1的拍频信号和微谐振腔克尔光梳2的拍频信号相除后的结果求反正切变换，进行相位解包裹。再进行相位微分可以得到间隔1/frep的中点的扫频激光与飞秒激光的瞬时频率值：
f(t)＝f0-fceo-n·frep+αt (4)
其中，f(t)为第一拍频信号的瞬时频率值和第二拍频信号的瞬时频率值，第一拍频信号的瞬时频率值和第二拍频信号的瞬时频率值相等。
利用得到的瞬时频率值的点可以对测量路信号进行等时间间隔的重采样计算，即将时钟信号作为采样点对测量路信号进行时域上的重新采样得到重采样信号，相当于进行了频率差为frep的等频域间隔重采样。理想情况下的1/frep时间间隔内f(t)改变量为fsta＝α/frep。重采样信号为：
V(i)＝cos(2π·τ·f0+2π·τ·i·frep) (5)
其中，V(i)为重采样信号，i为采样点。
进行N个点的傅里叶变换，待测距离R可表示为：
Figure GDA0002903257420000071
其中，R为待测距离，T为重采样信号经过N点傅里叶变换后的对应的峰值点位置，fsta为重采样信号对应的频率间隔，c为光速；而待测点的三维坐标(x，y，z)可以表示为：
Figure GDA0002903257420000072
Figure GDA0002903257420000073
z＝Rsinθ
其中，θ为所述二维扫描振镜44控制的待测点到原点的俯仰角，θ∈[0，π]；
Figure GDA0002903257420000074
为所述二维扫描振镜44控制的待测点到原点的方位角，
Figure GDA0002903257420000075
所述时钟模块7用于产生进行重采样所需的时钟信号。所述时钟模块7中，微谐振腔克尔光梳2发射的飞秒激光直接接入第二光电探测器71，产生的信号频率与发射的飞秒激光自身重复频率相等，作为坐标测量系统进行重采样的时钟信号。
所述微谐振腔克尔光梳2由偏振控制器21、光隔离器22、光学放大器23、滤波器24和分束器25组成，能实现梳齿频率间隔GHz到THz量级自由可调，操作简单、调节方便、易于系统集成。
综上所述，本发明的基于微谐振腔克尔光梳2校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，通过微谐振腔克尔光梳2进行频率校准和测量路信号重采样，使调频非线性得到改善、坐标测量精度显著提高。本发明利用高频信号，实现调频连续波频率的精密标定，提高了调频连续波测距的精度，实现了高精度坐标测量，操作简单、调节方便、易于系统集成。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，其特征在于，包括外腔式可调谐激光器(1)和微谐振腔克尔光梳(2)；
所述外腔式可调谐激光器(1)所发射的三角调频波经第一耦合器(3)分为A路光束和B路光束；
其中，所述A路光束进入测量模块(4)，并经第三耦合器(41)分为本地参考路激光和测量路激光，所述测量路激光经环形器(42)、准直镜(43)和二维扫描振镜(44)打到待测物体(45)得到回光，同时，通过所述二维扫描振镜(44)得到所述测量路激光的角度信息；所述回光经所述环形器(42)后与所述本地参考路激光在第四耦合器(46)内进行干涉得到测量路信号，所述测量路信号传入第一光电探测器(47)，通过所述第一光电探测器(47)记录所述测量路信号的距离信息；
其中，所述B路光束进入频率校正模块(5)接入正交混频器(51)的信号路(Ⅰ)；
所述微谐振腔克尔光梳(2)所发射的飞秒激光经第二耦合器(6)分为C路光束和D路光束；
其中，所述C路光束进入频率校正模块(5)接入所述正交混频器(51)的本振路(Ⅱ)，所述正交混频器(51)的信号路(Ⅰ)和本振路(Ⅱ)接至第一平衡探测器(52)，同时，所述正交混频器(51)的信号路(Ⅰ)和本振路(Ⅱ)接至第二平衡探测器(53)，通过所述第一平衡探测器(52)探测所述外腔式可调谐激光器(1)和所述微谐振腔克尔光梳(2)相互干涉得到的第一拍频信号，通过所述第二平衡探测器(53)探测所述外腔式可调谐激光器(1)和所述微谐振腔克尔光梳(2)相互干涉得到的第二拍频信号；
其中，所述D路光束进入时钟模块(7)接入第二光电探测器(71)，通过所述第二光电探测器(71)探测所述微谐振腔克尔光梳(2)的自拍频信号，作为时钟信号；
所述测量模块(4)得到的角度信息和距离信息、所述频率校正模块(5)得到的第一拍频信号和第二拍频信号，以及所述时钟模块(7)得到的时钟信号通过数据采集系统(8)传入计算机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，其特征在于，所述测量模块(4)得到的测量路信号为：
IA(τ，t)＝VAcos(2π·(τ·α·t+f0·τ)) (1)
其中，IA(τ，t)为测量路信号，VA为第一光电探测器(47)探测到的测量路信号幅值，τ为待测距离引起的时延，t为时间变化，α为三角调频波的扫频速率，f0为三角调频波初始频率。
3.根据权利要求1所述的一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，其特征在于，所述频率校正模块(5)得到的所述第一拍频信号和所述第二拍频信号幅值相等、相位差为90°，所述第一拍频信号和所述第二拍频信号如式(2)和(3)所示：
IB(t)＝VB·sin(2π·(f0-fceo-n·frep)·t+2π·α/2·t2) (2)
IC(t)＝VC·cos(2π·(f0-fceo-n·frep)·t+2π·α/2·t2) (3)
其中，IB(t)为入射第一平衡探测器(52)的第一拍频信号，VB为第一平衡探测器(52)探测到的第一拍频信号幅值，fceo为飞秒激光偏移频率，n为拍频对应梳齿，frep为飞秒激光重复频率，IC(t)为入射第二平衡探测器(53)的第二拍频信号，VC为第二平衡探测器(53)探测到的第二拍频信号幅值；
所述外腔式可调谐激光器(1)和微谐振腔克尔光梳(2)相互干涉得到的第一拍频信号和第二拍频信号相除得到正切函数，再对所述第一拍频信号和所述第二拍频信号相除后的结果求反正切变换，通过相位解包裹和微分处理得到第一拍频信号和第二拍频信号的瞬时频率值，所述第一拍频信号的瞬时频率值和所述第二拍频信号的瞬时频率值相等，采用f(t)表示所述第一拍频信号的瞬时频率值和所述第二拍频信号的瞬时频率值：
f(t)＝f0-fceo-n·frep+αt (4)
利用得到的瞬时频率值的点可以对所述第一光电探测器(47)记录的测量路信号进行等时间间隔的重采样计算，即将时钟信号作为采样点对测量路信号进行时域上的重新采样得到重采样信号，重采样信号为：
V(i)＝cos(2π·τ·f0+2π·τ·i·frep) (5)
其中，V(i)为重采样信号，i为采样点；
进行N个点的傅里叶变换，待测距离R可表示为：
Figure FDA0002903257410000031
其中，R为待测距离，T为重采样信号经过N点傅里叶变换后的对应的峰值点位置，fsta为重采样信号对应的频率间隔，c为光速；而待测点的三维坐标(x，y，z)可以表示为：
Figure FDA0002903257410000032
其中，θ为所述二维扫描振镜(44)控制的待测点到原点的俯仰角，θ∈[0，π]；
Figure FDA0002903257410000033
为所述二维扫描振镜(44)控制的待测点到原点的方位角，
Figure FDA0002903257410000034
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