CN111522018B - 双飞秒激光频率梳测距装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种双飞秒激光频率梳测距装置和方法，该装置包括本振光源、信号光源、第一分光镜、测量镜、参考镜、第二分光镜、可调滤光片、光电探测器以及信号采集处理模块，可调滤光片用于在测量过程中多次调节以得到在不同频谱范围时的干涉信号，同一个测量周期内所述两束光与本振光发生的两段干涉信号存在时间差Δτ，时间差Δτ与两束光所经过的距离的距离差ΔL存在对应关系，所述信号采集处理模块将不同频谱范围下的同一个测量周期内的两段干涉信号分别截取出来，经过计算后求出距离差ΔL，并由此确定待测距离L2。本发明可以有效地改善测距精度，实现大尺寸、高精度的绝对距离测量。

Description

双飞秒激光频率梳测距装置和方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术，特别是涉及一种双飞秒激光频率梳测距装置和方法。

背景技术

飞秒激光频率梳，简称频率梳，是一种脉冲间隔在飞秒级别的脉冲光。它在频域上表现为一定频谱宽度内等间隔的频率分量，在时域上表现为一系列时间宽度在飞秒级别的超短脉冲。自发明以来，频率梳广泛的运用在了测距、光谱、光学原子钟等领域。

世界各国的研究者在使用飞秒激光频率梳测距上提出过很多方案。美国天体物理研究所叶军教授完成了利用相位锁定的频率梳完成测距的理论分析，提出的测距方法可以是测量距离小于一个干涉条纹所表示的距离。韩国科学技术元提出一种基于色散干涉的绝对距离测量方法，利用FP标准具增加谱线间隔后利用光栅进行分光，最后使用线阵CCD获取干涉的相位值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种双飞秒激光频率梳测距装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双飞秒激光频率梳测距装置，包括作为本振光源的第一飞秒激光频率梳光源、作为信号光源的第二飞秒激光频率梳光源、第一分光镜、测量镜、参考镜、第二分光镜、可调滤光片、光电探测器以及信号采集处理模块，其中，所述信号光源发出的信号光经过所述第二分光镜分成两束，一束光作为参考光，所述参考光经过预设距离L1后经所述参考镜反射回所述第一分光镜，另一束光作为测量光，所述测量光经过待测距离L2以后被所述测量镜反射回所述第一分光镜，与反射回的参考光合光，两束光合光后经所述第二分光镜反射并与穿过所述第二分光镜的本振光发生干涉，所述可调滤光片用于在测量过程中多次调节以得到在不同频谱范围时的干涉信号，进入所述光电探测器，所述可调滤光片用于在测量过程中多次调节以得到在不同频谱范围时的干涉信号，利用同一个测量周期内所述两束光与本振光发生的两段干涉信号存在的时间差Δτ与两束光所经过的距离的距离差ΔL的对应关系，所述信号采集处理模块将不同频谱范围下的同一个测量周期内的两段干涉信号分别截取出来后，经过计算后求出距离差ΔL，并由此确定待测距离L2。

进一步地：

所述第一分光镜为分光棱镜。

所述本振光源和所述信号光源的重复频率的差Δf_r＝f_S-f_Lo介于1000Hz至2000Hz之间。

所述本振光源和所述信号光源具有重叠的光谱范围。

所述参考镜、所述测量镜、所述第一分光镜和所述第二分光镜的高度和倾角经设置以使各路光在同一水平面上。

通过调节所述可调滤光片，使干涉信号的频谱远离零频和二分之一重频，由所述信号采集处理模块进行信号采集。

所述信号采集处理模块使用和所述本振光同频的采样时钟对所述光电探测器采集到的干涉信号进行采样。

所述可调滤光片用于在一次测量中多次调节以得到在不同频谱范围时的干涉信号，所述信号采集处理模块处理时将不同频谱滤光后的光频率梳信号在频域上拼接。

一种双飞秒激光频率梳测距方法，使用所述的双飞秒激光频率梳测距装置进行测距，其中，通过所述信号采集处理模块，对所述两段干涉信号进行互相关运算，对这两段干涉信号做互相关运算后的信号包含了这两段干涉信号的时间差信息；对互相关运算后的信号进行快速傅里叶变换，得出信号的相位和频率之间的对应关系；通过调节可调滤光片，多次测量信号的相位和频率的对应关系，再使用最小二乘法拟合得到相位和频率的斜率，即相频谱斜率，根据所述斜率确定待测距离。

进一步地：

在对互相关运算后的信号进行快速傅里叶变换时，先判断信号的最高频率是否大于二分之一采样频率，如果大于则放弃这次解算，如果不大于则求出频率与相位的对应关系。

根据以下公式计算待测距离L2：

式中v_g为光频率梳传播的群速度，

为相频谱斜率，Δf_r为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，f_r1为本振光的重复频率。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种改进的双飞秒激光频率梳测距装置和方法，通过两台飞秒激光频率梳、简单的测距光路和数据采集卡，完成高精度的大尺寸绝对距离测量。本发明中，将双飞秒激光频率梳测距结合飞行时间法和干涉法优点，利用可调滤光片选取频率梳中不同的频率成分进行测距，可以有效地改善测距精度，实现了大尺寸、高精度的绝对距离测量，可以广泛应用在航天、高端制造等领域。

相较于使用固定波段滤光光片的双光梳测距装置，本发明的装置和方法可以选取光梳中多个不同区间的频率纵模参与测距，这样做可以保证在进行相频谱拟合时有跟更广的频率成分参与到相频谱斜率拟合中去，使拟合得到的斜率更加接近真实的斜率，即由斜率求得的距离也更加精确。

附图说明

图1是飞秒激光频率梳时域和频域的示意图。

图2是本发明一种实施例的双飞秒激光频率梳测距系统示意图。

图3是本发明一种实施例使用可调滤光片和固定滤光片在相频谱斜率拟合时的数据对比图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图2，在一种实施例中，一种双飞秒激光频率梳测距装置，包括作为本振光源的第一飞秒激光频率梳光源、作为信号光源的第二飞秒激光频率梳光源、第一分光镜1、测量镜3、参考镜2、第二分光镜4、可调滤光片5、光电探测器以及信号采集处理模块。其中，所述信号光源发出的信号光经过所述第二分光镜4分成两束，一束光作为参考光，所述参考光经过预设距离L1后经所述参考镜2反射回所述第一分光镜1，另一束光作为测量光，所述测量光经过待测距离L2以后被所述测量镜3反射回所述第一分光镜1，与反射回的参考光合光，两束光合光后经所述第二分光镜4反射并与穿过所述第二分光镜4的本振光发生干涉，经所述可调滤光片5滤除光频率梳特定纵模，进入所述光电探测器，所述可调滤光片5用于在测量过程中多次调节，选取光频率梳中多个不同区间的频率纵模，得到在不同频谱范围时的干涉信号。由于两束光经过的距离存在ΔL＝L2-L1的距离差，所以在时间脉冲序列上，由于ΔL的存在，两束光的脉冲存在着一个Δτ的时间差，当它们经过分光棱镜处合光以后，同一个测量周期内所述两束光与本振光发生的两段干涉信号存在时间差Δτ，时间差Δτ与两束光所经过的距离的距离差ΔL存在对应关系。所述信号采集处理模块将不同频谱范围下的同一个测量周期内的两段干涉信号分别截取出来，处理时，将不同频谱滤光后的光频率梳信号在频域上拼接，经过计算后求出距离差ΔL，并由此确定待测距离L2。所述信号采集处理模块处理时，对同一个测量周期内的两段干涉信号进行互相关运算，对这两段干涉信号做互相关运算后的信号包含了这两段干涉信号的时间差信息；对互相关运算后的信号进行快速傅里叶变换，得出信号的相位和频率之间的对应关系；由于在一次测量过程中通过可调滤光片5进行多次调节，所述信号采集处理模块处理得到多个测量周期的相位和频率的对应关系，再使用最小二乘法拟合得到信号的相位和频率的斜率，即相频谱斜率，根据所述斜率进行计算可以确定待测距离。本发明的测距方案能够有效地提高测距的精度。

如图2所示，第一分光镜1可以是分光棱镜。信号采集处理模块可以包括数字采集系统和数字处理系统。

相较于使用固定波段滤光光片的双光梳测距装置，本装置可以选取光梳中多个不同区间的频率纵模参与测距，这样做可以保证在进行相频谱拟合时有跟更广的频率成分参与到相频谱斜率拟合中去，使拟合得到的斜率更加接近真实的斜率，即由斜率求得的距离也更加精确。

本发明的测距装置结构简单，通过对本振光和参考光、本振光和测量光两路干涉信号的采集与处理，可以解算出待测量的距离，而通过可调滤光片在一次测量中的多次调整使光频梳频域上更多的频率分量参与到测距中，实现在更大频率带宽内的距离解算。

在双光频梳测距中，为了满足采样定律，通常使用滤光片选取一定频率带宽内的纵模谱线参与测量。这种方法没能使用到光频梳宽频谱的优点。本发明实施例中，使用可调滤光片对本振光和参考光进行频带截取，加上可调滤光片后，在一次测量中，多次转动可调滤光片，在后续的软件处理中，将不同波长滤光后的光梳信号在频域上拼接。相比使用单波长的滤光片，可以获得更大频率带宽内的干涉结果，拼接处理后精度更高的结果。

在一些实施例中，使用两个重复频率稳定的光频梳激光器，分别作为信号光光源和本振光光源，两台光频梳具有微小的重频差且拥有重叠的光谱范围；信号光经过第一分光镜1以后分为参考光和测量光，两束光分别经参考镜2、测量镜3反射回第一分光镜1，合束之后再经第二分光镜4反射，并和本振光发生干涉，之后由光电探测器检测。信号采集处理模块使用和本振光重复频率相同的时钟作为采样时钟对干涉信号进行采样。

在一些实施例中，本发明的双光频梳测距方法包括对采集到的信号进行如下的处理：截取一个周期内的本振光与参考光、本振光与测量光的信号，对两段干涉信号进行互相关运算，对互相关运算后的信号进行快速傅里叶变换，判断信号最高频率是否大于二分之一采样频率，如果大于则放弃这次解算，如果不大于则求出频率与相位的对应关系。利用转动滤波片采集的多次相位频率的对应关系进行最小二乘拟合相频谱斜率，将斜率带入公式可以求出距离。

具体地，根据以下公式计算被测物体待测距离：

式中v_g为频率梳传播的群速度，

为相频谱斜率，Δf_r为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，f_r1为本振光的重复频率。

以下结合附图详细阐述本发明具体实施例。

1.记测试中使用的两台飞秒激光频率梳中本振光的重复频率为f_LO，信号光的重复频率为f_S。调节两台光源，使两台光源的重复频率的差Δf_r＝f_S-f_LO介于1000Hz至2000Hz之间。图1是飞秒激光频率梳时域和频域的示意图。

2.信号光经过第一分光镜1以后分为参考光和测量光。参考光经过参考镜2以后返回第一分光镜1，在第一分光镜1处和测量镜3处返回的测量光合光。合光后的两束光经第二分光镜4反射后和本振光发生干涉。调节参考镜2、测量镜3以及分光镜的高度和倾角，使各路光在统一水平面上并且能发生干涉。

3.调节可调滤光片5，在频谱仪上观察干涉信号频谱位置，使干涉信号的频谱远离零频和二分之一重频，此时采集信号频谱不发生混叠，有利于后续的距离解算模块。

4.距离解算模块首先对一个周期内截取到的干涉信号，在一个周期内，我们可以截取出参考光与本振光、测量光与本振光两段干涉信号。截取以干涉信号为中心的128个点AD采样信号，对这两段干涉信号做互相关后的信号包含了这两段信号的时间差信息。对互相关后的信号做快速傅里叶变换，可以得出它的相频之间的关系。重复步骤三，多次调节滤光片，可以得到在不同频谱范围时的干涉信号，这样在后续距离解算时可以在更大频谱范围内进行直线拟合，可以得到更精确的结果。

5.对多次测量得到的相位和频率的关系使用最小二乘法拟合得到相位和频率的斜率关系，代入前述公式，可以得到最终的距离。

图3是本发明一种实施例使用可调滤光片和固定滤光片在相频谱斜率拟合时的数据对比图。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，包括作为本振光源的第一飞秒激光频率梳光源、作为信号光源的第二飞秒激光频率梳光源、第一分光镜、测量镜、参考镜、第二分光镜、可调滤光片、光电探测器以及信号采集处理模块，其中，所述信号光源发出的信号光经过所述第二分光镜分成两束，一束光作为参考光，所述参考光经过预设距离L1后经所述参考镜反射回所述第一分光镜，另一束光作为测量光，所述测量光经过待测距离L2以后被所述测量镜反射回所述第一分光镜，与反射回的参考光合光，两束光合光后经所述第二分光镜反射并与穿过所述第二分光镜的本振光发生干涉，通过用所述可调滤光片在一次测量过程中多次调节，选取光频率梳中多个不同区间的频率纵模，以得到在不同频谱范围时的干涉信号，进入所述光电探测器，利用同一个测量周期内所述两束光与本振光发生的两段干涉信号的时间差Δτ与所述两束光所经过的距离的距离差ΔL的对应关系，所述信号采集处理模块将不同频谱范围下的同一个测量周期内的两段干涉信号分别截取出来后，得到多个测量周期的相位和频率的对应关系，将不同频谱滤光后的光频率梳信号在频域上拼接，经过计算后求出距离差ΔL，并由此确定待测距离L2。

2.如权利要求1所述的双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，所述第一分光镜为分光棱镜。

3.如权利要求2所述的双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，所述本振光源和所述信号光源的重复频率的差Δf_r＝f_S-f_LO介于1000Hz至2000Hz之间。

4.如权利要求1至3任一项所述的双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，所述本振光源和所述信号光源具有重叠的光谱范围。

5.如权利要求1至3任一项所述的双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，所述参考镜、所述测量镜、所述第一分光镜和所述第二分光镜的高度和倾角经设置以使各路光在同一水平面上。

6.如权利要求1至3任一项所述的双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，通过调节所述可调滤光片，使干涉信号的频谱远离零频和二分之一重频，由所述信号采集处理模块进行信号采集。

7.如权利要求1至3任一项所述的双飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，所述信号采集处理模块使用和所述本振光同频的采样时钟对所述光电探测器采集到的干涉信号进行采样。

8.一种双飞秒激光频率梳测距方法，其特征在于，使用如权利要求1至7任一项所述的双飞秒激光频率梳测距装置进行测距，其中，通过用所述可调滤光片在一次测量过程中多次调节，选取光频率梳中多个不同区间的频率纵模，以得到在不同频谱范围时的干涉信号，进入所述光电探测器，利用同一个测量周期内所述两束光与本振光发生的两段干涉信号的时间差Δτ与所述两束光所经过的距离的距离差ΔL的对应关系，通过所述信号采集处理模块，对所述两段干涉信号进行互相关运算，对这两段干涉信号做互相关运算后的信号包含了这两段干涉信号的时间差信息；对互相关运算后的信号进行快速傅里叶变换，得出信号的相位和频率之间的对应关系；通过调节可调滤光片，多次测量信号的相位和频率的对应关系，得到多个测量周期的相位和频率的对应关系，将不同频谱滤光后的光频率梳信号在频域上拼接，再使用最小二乘法拟合得到相位和频率的斜率，即相频谱斜率，根据所述斜率确定待测距离。

9.如权利要求8所述的双飞秒激光频率梳测距方法，其特征在于，在对互相关运算后的信号进行快速傅里叶变换时，先判断信号的最高频率是否大于二分之一采样频率，如果大于则放弃这次解算，如果不大于则求出频率与相位的对应关系。

10.如权利要求8或9所述的双飞秒激光频率梳测距方法，其特征在于，根据以下公式计算待测距离L2：

式中v_g为频率梳传播的群速度，

为相频谱斜率，Δf_r为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，f_r1为本振光的重复频率。

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